Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методики модификации структуры и свойств пленок аморфного гидрогенизированного кремния фемтосекундным лазерным облучением для фотовольтаических применений

Докладчик: Мартышов Михаил Николаевич

Должность: ассистент, к.ф.-м.н.

Цель проекта:
Цель проекта - разработка методики использования фемтосекундного лазерного облучения для формирования пленок наномодифицированного кремния, обладающих оптимальными электрофизическими свойствами для создания на их основе эффективных тонкопленочных солнечных элементов. В результате проделанной работы будут определены технологические условия фемтосекундной лазерной обработки пленок гидрогенизированного кремния, приводящие к формированию материала и структур, оптимальных для создания на их основе эффективных и дешевых фотовольтаических элементов.полученных результатов на высокотехнологичных предприятиях Российской Федерации. Разработанный в проекте метод создания тонкопленочного наномодифицированного материала должен обеспечить повышение КПД солнечных элементов. В Российской Федерации разработанный метод получения нанокомпозитных пленок на основе аморфного кремния может быть использован для улучшения параметров тонкопленочных солнечных модулей, планируемых к производству на заводе ООО «Хевел» (г. Новочебоксарск).

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе проведенной работы ожидается получение следующих результатов:
- для пленок аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) будут получены основные закономерности влияния параметров фемтосекундного лазерного облучения на изменение структуры пленок, в частности, на их кристаллизацию и на распределение фотоиндуцированных структурных изменений по объему и поверхности исследованных образцов. На основании полученных данных будут предложены возможные механизмы структурной модификации аморфного кремния, вызванной фемтосекундным лазерным излучением.
- будут установлены закономерности влияния параметров необлученных пленок a-Si:H (концентрации в них водорода, уровня легирования, наличия нанокристаллических включений, толщины пленок) на механизмы структурных изменений, происходящих в результате фемтосекундного лазерного облучения.
- будут исследованы процессы дегидрогенизации пленок а-Si:H при их структурной модификации фемтосекундным лазерным излучением и возможность их пост-гидрогенизации в процессе отжига пленок в водородной плазме.
- будет определена корреляция структурных изменений и изменений физических свойств нелегированных и легированных пленок аморфного и двухфазного гидрогенизированного кремния в результате их фемтосекундного лазерного облучения. С использованием этих данных будут выявлены особенности электронных процессов, определяющих оптические, электрические и фотоэлектрические свойства аморфного кремния, модифицированного фемтосекундным лазерным излучением.
- будут определены условия и механизмы возникновения наноструктурированной периодической модификации аморфного кремния в результате его фемтосекундного лазерного облучения и установлены процессы, определяющие оптические, электрические и фотоэлектрические свойства данного периодически наноструктурированного материала.
- будет разработан метод получения наномодифицированного аморфного кремния (mc-Si:H) и гетероструктур a-Si:H/mc-Si:H посредством фемтосекундной лазерной кристаллизации аморфного кремния.
- будут получены экспериментальные образцы наномодифицированного аморфного кремния и гетероструктур a-Si:H/mc-Si:H с оптимальными для использования в тонкопленочной солнечной энергетике параметрами.
Для получения данных результатов при выполнении проекта необходимо решение нескольких взаимосвязанных задач. Первая задача, которая будет решаться в рамках предложенного проекта, состоит в выяснении механизмов модификации структуры пленок гидрогенизированного кремния фемтосекундным лазерным излучением и анализе пространственной структуры модифицированного материала по толщине и по поверхности пленок.
Пленки гидрогенизированного кремния будут получены плазмохимическим осаждением из газовой фазы смеси газов моносилана и водорода. Увеличение доли водорода в камере напыления позволит изменять относительную долю нанокристаллической фазы в структуре формируемых пленок от 0 до 80%. Очевидно, что наличие нанокристаллической фазы в структуре пленки гидрогенизированного кремния до облучения должно влиять на характер структурных изменений, вызываемых фемтосекундным лазерным облучением. Поэтому предполагается проведение исследований с использованием пленок гидрогенизированного кремния с различной исходной долей нанокристаллической фазы в их структуре. Предполагается проводить модификацию структуры пленок гидрогенизированного кремния при различных параметрах лазерного излучения (длина волны излучения, длительность и скважность воздействующих импульсов, интенсивность излучения в импульсе) и в различных средах (на воздухе, в парах воды, в вакууме). Для модификации структуры исследуемых кремниевых пленок будет использовано лазерное оборудование, позволяющее проводить облучение полупроводниковых материалов лазерным излучением с длительностью импульсов от 30 фс до 8 пс в широком диапазоне интенсивности излучения в импульсе. Использования лазеров, генерирующих излучение с энергиями квантов от 1.20 до 3.61 эВ, позволит проводить фемтосекундное лазерное облучение, как при однофотонном, так и при многофотонном возбуждении носителей заряда в исследуемых пленках и изменять механизмы модификации структуры, а также получать как однородную, так и неоднородную структуру по толщине пленки.
Изучение структуры пленок до и после воздействия на них фемтосекундного лазерного облучения будет проводиться с использованием атомно-силовой, электронно-лучевой микроскопии и микро-рамановской спектроскопии. Измерение спектров рамановского рассеяния при освещении пленок со стороны поверхности и со стороны кварцевой подложки, а также использование излучения с различной длиной волны позволит получить информацию об изменении в результате облучения кристалличности структуры пленок по их толщине.
Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства пленок гидрогенизированного кремния в значительной степени определяются наличием в них атомов водорода. В случае «стандартной» термической кристаллизации пленок аморфного гидрогенизированного кремния происходит эффузия водорода из объема пленки при температурах выше 300 °С. Как отмечено выше, можно ожидать, что структурные изменения пленок гидрогенизированного кремния, происходящие в результате фемтосекундного лазерного облучения, при определенных условиях не сопровождаются значительным выходом водорода из объема пленки. Контроль за изменением концентрации водорода в исследованных пленках в результате их облучения будет проводиться как по изменению спектров ИК поглощения, так и по изменению спектров комбинационного рассеяния.
Особое внимание будет уделено влиянию предварительного легирования пленок гидрогенизированного кремния донорами и акцепторами на изменение их структуры и электрофизических свойств в результате фемтосекундного лазерного облучения. Известно, что наличие примесных атомов, в частности, бора приводит к изменению динамики процессов кристаллизации. Помимо этого наличие примесей может существенно повлиять на изменение электрофизических свойств пленок гидрогенизированного кремния в результате изменения их структуры под влиянием интенсивного фемтосекундного лазерного облучения. Это связано с существенным различием (два порядка) эффективности легирования введенных примесей в аморфном и кристаллическом кремнии. Соответственно можно ожидать изменения электрофизических свойств легированных пленок в результате их «лазерной модификации» не только за счет изменения их структуры, но и за счет изменения эффективности легирования примесей, вызванного структурной модификацией.
Вторая задача, которая будет решаться в рамках предложенного проекта, состоит в изучении и выявление особенностей процессов переноса, генерации и рекомбинации носителей заряда (которые определяют электрические и фотоэлектрические свойства материала) в пленках гидрогенизированного кремния, подвергнутых фемтосекундному лазерному облучению, и связи этих процессов со структурой лазерно-модифицированной пленки. Измерения будут проводиться как в планарном, так и в сэндвичевом расположении контактов, что позволит выяснить анизотропию структуры пленок возникшую после фемтосекундного лазерного облучения. Процессы генерации и рекомбинации неравновесных носителей заряда будут исследоваться с использованием измерений стационарной и нестационарной фотопроводимости в диапазоне температур 100-450 К и спектральных зависимостей фотопроводимости в области энергий квантов 0.8-2.7 эВ. Информация об изменении электронных состояний в зонной структуре аморфного кремния, модифицированного фемтосекундным лазерным излучением, будет получена из анализа спектров электронного парамагнитного резонанса.
Для изучения изменений оптических свойств исследуемого материала в области сильного поглощения будут измеряться спектры оптического пропускания и отражения. Для получения информации о спектральных зависимостях коэффициента поглощения в области слабого поглощения будет использоваться метод постоянного фототока. Предполагается, что результаты, полученные при исследовании электрических, фотоэлектрических и оптических свойств, позволят определить распределение плотности электронных состояний в щели подвижности модифицированных фемтосекундным лазерным излучением пленок кремния.
Третья задача, которая будет решаться в рамках данного проекта, состоит в получении гетероструктуры a-Si:H/mc-Si:H путем фемтосекундного лазерного облучения пленок аморфного кремния. Данная задача важна с точки зрения практических приложений, а именно для создания эффективных тонкопленочных солнечных элементов. Дело в том, что сейчас весьма перспективным считается создание солнечных элементов на гетеропереходе a-Si:H/c-Si. Однако для этого требуется использование дорогостоящего кристаллического кремния. В данном проекте предполагается получить гетеропереход a-Si:H/mc-Si:H с параметрами (ток короткого замыкания, напряжение холостого хода, фактор заполнения) сравнимыми с соответствующими параметрами структуры a-Si:H/c-Si. На возможность достижения такого результата указывают схожие параметры (ширина запрещенной зоны, фоточувствительность и пр.) c-Si и mc-Si:H. Однако слой mc-Si:H будет получаться непосредственно из a-Si:H путем его фемтосекундной лазерной кристаллизации, без использования дорогостоящего (по сравнению с аморфным кремнием) c-Si. Это в перспективе позволит значительно снизить стоимость тонкопленочного солнечного элемента на основе аморфного кремния.
Для решения задачи создания гетероперехода a-Si:H/mc-Si:H будут использованы результаты, полученные в ходе выполнения первых двух задач. На основе их анализа будут подобраны параметры фемтосекундной кристаллизации a-Si:H для получения mc-Si:H и гетероперехода a-Si:H/mc-Si:H с оптимальными для использования в солнечной энергетике параметрами. Будут проведены систематические комплексные исследования фотоэлектрических свойств гетероструктур a-Si:H/mc-Si:H. Будут разработаны модели генерации и переноса носителей в гетероструктурах a-Si:H/mc-Si:H.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Полученные в рамках предлагаемого проекта результаты могут быть использованы при разработке технологии и создании эффективных тонкопленочных кремниевых солнечных элементов и фотоприемников видимого и ближнего ИК диапазонов. Способ использования результатов состоит в использовании при разработке указанных оптоэлектронных приборов полученных в проекте основных закономерностей изменения структуры и физических свойств пленок гидрогенизированного кремния в результате фемтосекундного лазерного облучения, в частности определении условий «лазерной модификации» приводящей к формированию материала и структур с оптимальными для фотовольтаического элемента свойствами.
Полученные в ходе работы пленки и структуры микрокристаллического и наномодифицированного кремния и разработанный метод их получения с помощью фемтосекундного лазерного облучения ориентированы на широкое применение в научно-исследовательских организациях, в фирмах производителях наукоемкой продукции и, несомненно, являются конкурентоспособными на мировом рынке. Потенциальными потребителями разрабатываемого инновационного кремниевого материала и метода его получения являются предприятия электронной промышленности, ориентированные на создание тонкопленочных оптоэлектронных устройств, совместимых с кремниевой технологией.
Данные экспериментальных исследований, разработанный на их основе «лазерный» метод получения пленок двухфазного кремния и рекомендации по использованию результатов проведенных НИР могут быть использованы при постановке ОКР в организациях вышеуказанных потребителей.
Ожидаемые результаты запланированных исследований можно условно разделить на две составляющие: фундаментальную и прикладную.
В фундаментальную составляющую входят результаты по определению параметров (коэффициента поглощения, проводимости, фотопроводимости, фоточувствительности и др.) и установлению механизмов генерации, переноса и рекомбинации носителей заряда в двухфазных материалах на основе аморфного и кристаллического кремния, а также результаты по взаимодействию лазерного излучения с полупроводниками. Данные результаты могут быть полезны для понимания фундаментальных законов, определяющих свойства двухфазных систем, при выполнении научных исследований и научно-исследовательских работ. Также они могут быть использованы в образовательном процессе при подготовке специалистов в области физики твердотельных неупорядоченных структур. Планируется использования части полученных в результате выполнения проекта фундаментальных результатов в специальных курсах, читаемых на физическом факультете МГУ имени М.В. Ломоносова.
Прикладная составляющая связана с возможностью использования полученных результатов на высокотехнологичных предприятиях Российской Федерации. Внедрение в производство разрабатываемого в проекте метода создания тонкопленочного наномодифицированного материала должно обеспечить повышению КПД солнечных элементов. В Российской Федерации разработанный метод получения нанокомпозитных пленок на основе аморфного кремния может быть использован для улучшения параметров тонкопленочных солнечных модулей, планируемых к производству на заводе ООО «Хевел» (г. Новочебоксарск).
Для внедрения разработанной технологии в ООО «Хевел» планируется провести ОКР по разработке и организации опытного производства тонкопленочных гетероструктур a-Si:H/nc-Si:H, получаемых фемтосекундной лазерной обработкой аморфного кремния. Проведение ОКР планируется на оборудовании Научно-технического центра, созданного при ФТИ им. А.Ф. Иоффе. В данном центре собрана линия по производству солнечных модулей фирмы «Oerlikon Solar», рассчитанная на выпускаемую мощность 0,5 МВт/год. Данная линия является полным уменьшенным аналогом линии на заводе ООО «Хевел».

Текущие результаты проекта:
На первом этапе выполнения проекта проведен аналитический обзор современной научно-технической литературы по методам модификации структуры поверхности пленок аморфного гидрогенизированного кремния с использованием лазерного облучения. Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96. Определены оптимальные технологические условия получения пленок аморфного гидрогенизированного кремния методом плазмохимического осаждения из газовой фазы. Определены оптимальные технологические условия получения пленок наномодифицированного аморфного кремния с различной долей нанокристаллической фазы методом плазмохимического осаждения из газовой фазы.
Изучены основные закономерности влияния параметров фемтосекундного лазерного облучения на изменение структуры пленок аморфного гидрогенизированного кремния. Определены возможные механизмы структурной модификации аморфного гидрогенизированного кремния фемтосекундным лазерным излучением.
Определены параметры фемтосекундного лазерного облучения, приводящего к абляции пленок аморфного гидрогенизированного кремния. Выполнена оценка параметров фемтосекундного лазерного облучения, при которых происходит кристаллизация пленок аморфного гидрогенизированного кремния. Изучено влияние дозы фемтосекундного лазерного облучения на изменение структуры поверхности пленок аморфного гидрогенизированного кремния. Изучено влияние толщины пленок аморфного гидрогенизированного кремния на процессы модификации их структуры при фемтосекундном лазерном облучении. Получены пленки нелегированного гидрогенизированного аморфного кремния различной толщины (0.2-1 мкм) методом плазмохимического осаждения из газовой фазы на пластинах монокристаллического кремния и кварцевом стекле с проводящим подслоем. Получены пленки нелегированного наномодифицированного аморфного кремния различной толщины (0.2-1 мкм) методом плазмохимического осаждения из газовой фазы на пластинах монокристаллического кремния и кварцевом стекле с проводящим подслоем.
По полученным на первом этапе выполнения проекта результатом написаны и отправлены в редакцию 2 статьи в журналы, индексируемые Web of Science. Также результаты проекта были доложены на международной конференции "8th International Conference on Microelectronics and Computer Science", проходившей 22-25 октября 2014 г. в г. Кишинев, Республика Молдова.