Аморфный кремний - Amorphous silicon

Фотоэлектрический массив Lakota MS 2.jpgТонкопленочные гибкие солнечные фотоэлектрические системы Ken Fields 1.JPG
A-Si structure.jpg
Солнечный калькулятор casio fx115ES crop.jpg
Аморфный кремний:

Аморфный кремний ( a-Si ) - это некристаллическая форма кремния, используемая для солнечных элементов и тонкопленочных транзисторов в ЖК-дисплеях .

Используемый в качестве полупроводникового материала для солнечных элементов на основе a-Si или тонкопленочных кремниевых солнечных элементов , он наносится в виде тонких пленок на различные гибкие подложки, такие как стекло, металл и пластик. Аморфные кремниевые элементы обычно имеют низкую эффективность, но являются одной из самых экологически чистых фотоэлектрических технологий, поскольку в них не используются токсичные тяжелые металлы, такие как кадмий или свинец.

Когда- то ожидалось, что как технология тонкопленочных солнечных элементов второго поколения аморфный кремний станет основным участником быстрорастущего мирового рынка фотоэлектрических систем, но с тех пор утратил свое значение из-за сильной конкуренции со стороны обычных кристаллических кремниевых элементов и других тонкослойных элементов. пленочные технологии, такие как CdTe и CIGS . Аморфный кремний является предпочтительным материалом для тонкопленочных транзисторных элементов жидкокристаллических дисплеев и для устройств формирования изображения рентгеновских лучей.

Аморфный кремний отличается от других аллотропных разновидностей, таких как монокристаллический кремний - монокристалл и поликристаллический кремний , который состоит из мелких зерен, также известных как кристаллиты .

Описание

Кремний представляет собой четырехкоординированный атом, который обычно тетраэдрически связан с четырьмя соседними атомами кремния. В кристаллическом кремнии (c-Si) эта тетраэдрическая структура продолжается в большом диапазоне, образуя, таким образом, хорошо упорядоченную кристаллическую решетку.

В аморфном кремнии этого дальнего порядка нет. Скорее атомы образуют непрерывную случайную сеть. Более того, не все атомы в аморфном кремнии четырехкоординированы. Из-за неупорядоченной природы материала некоторые атомы имеют оборванные связи . Физически эти оборванные связи представляют собой дефекты в непрерывной случайной сети и могут вызывать аномальное электрическое поведение.

Материал может быть пассивирован водородом, который связывается с оборванными связями и может снизить плотность оборванных связей на несколько порядков. Гидрированный аморфный кремний (a-Si: H) имеет достаточно низкое количество дефектов для использования в таких устройствах, как солнечные фотоэлектрические элементы, особенно в режиме протокристаллического роста. Однако гидрирование связано с деградацией материала под действием света , что называется эффектом Стаблера-Вронски .

Схема аллотропных форм кремния: монокристаллический , поликристаллический и аморфный кремний

Аморфный кремний и углерод

Аморфные сплавы кремния и углерода (аморфный карбид кремния , также гидрированный, a-Si 1 − x C x : H) представляют собой интересный вариант. Введение атомов углерода добавляет дополнительные степени свободы для управления свойствами материала. Пленку можно также сделать прозрачной для видимого света.

Увеличение концентрации углерода в сплаве увеличивает электронный зазор между зоной проводимости и валентной зоной (также называемый «оптическим зазором» и запрещенной зоной ). Это потенциально может повысить световую эффективность солнечных элементов, изготовленных из слоев аморфного карбида кремния. С другой стороны, на электронные свойства полупроводника (в основном подвижность электронов ) отрицательно влияет увеличение содержания углерода в сплаве из-за повышенного беспорядка в атомной сетке.

В научной литературе можно найти несколько исследований, в основном изучающих влияние параметров осаждения на качество электроники, но практическое применение аморфного карбида кремния в промышленных устройствах все еще отсутствует.

Характеристики

Плотность аморфного Si была рассчитана как 4,90 × 10 22 атом / см 3 (2,285 г / см 3 ) при 300 К. Это было сделано с использованием тонких (5 микрон) полосок аморфного кремния. Эта плотность на 1,8 ± 0,1% меньше плотности кристаллического Si при 300 К. Кремний - один из немногих элементов, который расширяется при охлаждении и имеет более низкую плотность в твердом виде, чем в жидком.

Гидрированный аморфный кремний

Негидрированный a-Si имеет очень высокую плотность дефектов, что приводит к нежелательным свойствам полупроводника, таким как плохая фотопроводимость, и предотвращает легирование, которое имеет решающее значение для инженерных свойств полупроводников. Введение водорода во время изготовления аморфного кремния значительно улучшает фотопроводимость и делает возможным легирование. Гидрированный аморфный кремний a-Si: H был впервые изготовлен в 1969 году Читтиком, Александром и Стерлингом путем осаждения с использованием предшественника газообразного силана (SiH4). Полученный материал показал более низкую плотность дефектов и повышенную проводимость из-за примесей. Интерес к a-Si: H возник, когда (в 1975 г.) ЛеКомбер и Спир открыли возможность замещающего легирования a-Si: H фосфином (n-тип) или дибораном (p-тип). Роль водорода в восстановлении дефектов была подтверждена группой Пола в Гарварде, которая обнаружила концентрацию водорода около 10 атомных% через ИК-колебание, которое для связей Si-H имеет частоту около 2000 см -1 . Начиная с 1970-х годов RCA разработала a-Si: H в солнечных элементах, благодаря чему в 2015 году его эффективность неуклонно повышалась до примерно 13,6%.

Процессы осаждения

Сердечно-сосудистые заболевания PECVD Каталитический CVD Распыление
Тип пленки a-Si: H a-Si: H a-Si: H как и я
Уникальное приложение Электроника большой площади Безводородное осаждение
Температура камеры 600C 30–300 ° C 30–1000 ° C
Температура активного элемента 2000C
Давление в камере 0,1–10 торр 0,1–10 торр 0,001–0,1 торр
Физический принцип Термолиз Плазма-индуцированная диссоциация Термолиз Ионизация источника Si
Фасилитаторы W / Ta нагревательные провода Катионы аргона
Типичное напряжение привода RF 13,56 МГц; 0,01-1 Вт / см 2
Источник Si SiH 4 газ SiH 4 газ SiH 4 газ Цель
Температура основания управляемый управляемый управляемый управляемый

Приложения

Хотя a-Si страдает от более низких электронных характеристик по сравнению с c-Si, он гораздо более гибок в своих приложениях. Например, слои a-Si можно сделать тоньше, чем c-Si, что может дать экономию на стоимости кремниевого материала.

Еще одно преимущество состоит в том, что a-Si можно наносить при очень низких температурах, например, всего 75 градусов Цельсия. Это позволяет наносить не только на стекло, но и на пластик , что делает его кандидатом для технологии обработки рулонов . После осаждения a-Si можно легировать аналогично c-Si, чтобы сформировать слои p-типа или n-типа и, в конечном итоге, сформировать электронные устройства.

Еще одно преимущество состоит в том, что a-Si можно наносить на большие площади с помощью PECVD . Конструкция системы PECVD имеет большое влияние на себестоимость такой панели, поэтому большинство поставщиков оборудования поместить свое внимание на дизайн PECVD для более высокой пропускной способности , что приводит к снижению стоимости производства , особенно когда силан является переработанной .

Массивы небольших (менее 1 мм на 1 мм) фотодиодов на основе a-Si на стекле используются в качестве датчиков изображения в видимом свете в некоторых плоскопанельных детекторах для рентгеноскопии и радиографии .

Фотогальваника

Калькулятор на солнечных батареях "Teal Photon", выпущенный в конце 1970-х годов.

Аморфный кремний (a-Si) использовался в качестве материала фотоэлектрических солнечных элементов для устройств, требующих очень мало энергии, таких как карманные калькуляторы , поскольку их более низкая производительность по сравнению с обычными солнечными элементами на кристаллическом кремнии (c-Si) более чем компенсируется их упрощенное и более дешевое нанесение на подложку. Первые калькуляторы на солнечной энергии были доступны уже в конце 1970-х, такие как Royal Solar 1 , Sharp EL-8026 и Teal Photon .

Совсем недавно усовершенствования в технологиях изготовления a-Si сделали их более привлекательными для использования в солнечных элементах большой площади. Здесь их более низкая собственная эффективность компенсируется, по крайней мере частично, их тонкостью - более высокая эффективность может быть достигнута путем наложения нескольких тонкопленочных ячеек друг на друга, каждая из которых настроена для хорошей работы на определенной частоте света. Этот подход не применим к элементам c-Si, которые имеют большую толщину из-за непрямой запрещенной зоны и поэтому в значительной степени непрозрачны, не позволяя свету достигать других слоев в стопке.

Источником низкой эффективности фотоэлектрических элементов на аморфном кремнии в значительной степени является низкая подвижность дырок в материале. Такая низкая подвижность дырок объясняется многими физическими аспектами материала, включая наличие оборванных связей (кремний с 3 связями), плавающих связей (кремний с 5 связями), а также реконфигурацию связей. Несмотря на то, что была проделана большая работа по контролю этих источников низкой мобильности, данные свидетельствуют о том, что множество взаимодействующих дефектов может привести к ограничению мобильности, поскольку уменьшение одного типа дефекта приводит к образованию других.

Главное преимущество a-Si в крупносерийном производстве - не эффективность, а стоимость. В элементах a-Si используется только часть кремния, необходимого для типичных элементов c-Si, а стоимость кремния исторически вносила значительный вклад в стоимость элементов. Однако более высокая стоимость производства из-за многослойной конструкции на сегодняшний день сделала a-Si непривлекательным, за исключением тех случаев, когда их тонкость или гибкость являются преимуществом.

Обычно тонкопленочные элементы из аморфного кремния имеют штыревую структуру. Размещение слоя p-типа сверху также связано с более низкой подвижностью отверстий, что позволяет отверстиям проходить на более короткое среднее расстояние для сбора до верхнего контакта. Типичная структура панели включает переднее боковое стекло, TCO , тонкопленочный силикон, задний контакт, поливинилбутираль (ПВБ) и заднее боковое стекло. Uni-Solar, подразделение Energy Conversion Devices, произвело версию гибких основ, используемых в рулонных кровлях. Однако крупнейший в мире производитель фотоэлектрических элементов из аморфного кремния был объявлен банкротом в 2012 году, поскольку не мог конкурировать с быстро падающими ценами на обычные солнечные панели .

Микрокристаллический и микроморфный кремний

Микрокристаллический кремний (также называемый нанокристаллическим кремнием) представляет собой аморфный кремний, но также содержит мелкие кристаллы. Он поглощает более широкий спектр света и обладает гибкостью . Технология модуля микроморфного кремния объединяет два разных типа кремния, аморфный и микрокристаллический кремний, в верхнем и нижнем фотоэлектрических элементах . Sharp производит клетки, используя эту систему, чтобы более эффективно улавливать синий свет, повышая эффективность клеток в то время, когда на них не падает прямой солнечный свет. Протокристаллический кремний часто используется для оптимизации напряжения холостого хода фотоэлектрических элементов на основе a-Si.

Масштабное производство

Линия по производству рулонных фотоэлектрических солнечных батарей United Solar Ovonic мощностью 30 МВт в год

Xunlight Corporation , которая получила более $ 40 млн институциональных инвестиций, завершила установку своего первого 25 МВт широкого полотна, с рулона на рулон фотоэлектрической технологического оборудования для производства тонкопленочных модулей кремния PV. Anwell Technologies также завершила установку своего первого завода по производству тонкопленочных солнечных панелей a-Si мощностью 40 МВт в провинции Хэнань со своим собственным разработанным оборудованием PECVD с несколькими подложками и несколькими камерами.

Фотоэлектрические тепловые гибридные солнечные коллекторы

Аэрокосмический продукт с гибкими тонкопленочными солнечными панелями от United Solar Ovonic

Фотоэлектрические тепловые гибридные солнечные коллекторы (PVT) - это системы, которые преобразуют солнечное излучение в электрическую и тепловую энергию . Эти системы объединяют солнечный элемент, который преобразует электромагнитное излучение ( фотоны ) в электричество, с солнечным тепловым коллектором , который улавливает оставшуюся энергию и удаляет отходящее тепло из солнечного фотоэлектрического модуля. Солнечные элементы страдают от падения эффективности при повышении температуры из-за повышенного сопротивления . Большинство таких систем могут быть спроектированы так, чтобы отводить тепло от солнечных элементов, тем самым охлаждая элементы и тем самым повышая их эффективность за счет снижения сопротивления. Хотя это эффективный метод, он приводит к недостаточной производительности теплового компонента по сравнению с солнечным тепловым коллектором. Недавние исследования показали, что a-Si: H PV с низкими температурными коэффициентами позволяет PVT работать при высоких температурах, создавая более симбиотическую PVT-систему и улучшая характеристики a-Si: H PV примерно на 10%.

ЖК-дисплей на тонкопленочных транзисторах

Аморфный кремний стал предпочтительным материалом для активного слоя в тонкопленочных транзисторах (TFT), которые наиболее широко используются в электронных устройствах с большой площадью , в основном для жидкокристаллических дисплеев (LCD).

Жидкокристаллический дисплей на тонкопленочных транзисторах (TFT-LCD) демонстрирует процесс компоновки схемы, аналогичный тому, что используется в полупроводниковых изделиях. Однако вместо того, чтобы изготавливать транзисторы из кремния, который сформирован в виде кристаллической кремниевой пластины , они сделаны из тонкой пленки аморфного кремния, которая нанесена на стеклянную панель. Слой кремния для TFT-LCD обычно наносится с использованием процесса PECVD . Транзисторы занимают лишь небольшую часть площади каждого пикселя, а остальная часть кремниевой пленки стравливается, чтобы свет мог легко проходить через нее.

Поликристаллический кремний иногда используется в дисплеях, требующих более высоких характеристик TFT. Примеры включают небольшие дисплеи с высоким разрешением, например, в проекторах или видоискателях. ТПТ на основе аморфного кремния являются наиболее распространенными из-за их более низкой стоимости производства, тогда как ТПТ из поликристаллического кремния более дороги и намного сложнее в производстве.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки