Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов комплексной диагностики полупроводниковых материалов, микро- и наноструктур для солнечной энергетики.

Номер контракта: 14.574.21.0006

Руководитель: Вишняков Николай Владимирович

Должность: Доцент, ведущий научный сотрудник

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
солнечные элементы, микро- и наноструктуры, электрофизические свойства, комплексная диагностика, атомно-силовая микроскопия, электронная микроскопия, нестационарная спектроскопия глубоких уровней, спектроскопия адмиттанса, компенсационный метод

Цель проекта:
1. Правительством РФ 23 мая 2013 г. был одобрен комплекс нормативных актов, направленных на развитие в стране возобновляемой энергетики, в том числе солнечной энергетики. Было принято решение о создании в России первых крупных солнечных электростанций, которые должны к 2020 году обеспечить дополнительные мощности порядка 6 ГВт и поднять долю возобновляемой энергетики в энергобалансе страны с текущего значения 0,8% до 2,5%. Основу солнечных модулей составляют солнечные элементы (СЭ) на полупроводниковых барьерных структурах. Для эффективной работы СЭ необходимо соблюдение ряда требований: высокий коэффициент оптического поглощения активных слоев полупроводниковых структур во всем спектральном диапазоне солнечного света; высокий коэффициент собирания фотогенерированных носителей заряда на контактных электродах; минимальное полное сопротивление (исключая сопротивление нагрузки) для уменьшения потери мощности за счет выделения джоулева тепла в процессе работы, стабильности основных параметров СЭ и т.п. Для отработки технологического процесса и конструктивных характеристик СЭ с целью улучшения его эффективности (КПД, стоимость 1 кВт/час вырабатываемой энергии) нужна комплексная методика контроля распределения внутренних электрических полей, электрически активных дефектов, примесей, структуры поверхности и металлургических границ. 2. Целью выполнения прикладных научных исследований является разработка методов исследования и контроля свойств полупроводниковых материалов и структур для увеличения эффективности элементов солнечной энергетики.

Основные планируемые результаты проекта:
1. основные результаты, полученные в процессе выполнения ПНИ.
1.1 Проведены патентные исследования по проблематике ПНИ и подготовлен отчет о патентных исследованиях.
1.2 Разработаны физические основы новых экспериментальных методов для комплексной диагностики наноматериалов, микро- и наноструктур.
1.3 Сформированы требования к техническим параметрам, составу и установочным размерам макета измерительной установки, реализующей эти методы.
1.4 Разработана эскизная конструкторская документация на функциональные элементы макета измерительной установки, проведена сборка макета и его испытание.
1.5 Осуществлена сборка и испытание макета измерительной установки для комплексной диагностики полупроводниковых материалов, микро- и наноструктур солнечных элементов.
1.6 Разработано программное обеспечение для автоматизации процесса измерений и обработки результатов, проведена апробация экспериментальных методов и макета измерительной установки.
1.7 Изготовлены тестовые образцы полупроводниковых материалов, микро- и наноструктур СЭ.
1.8 Разработана методика комплексной диагностики полупроводниковых материалов, микро- и наноструктур для элементов солнечной энергетики.
1.9 Проведена апробация разработанных методов диагностики полупроводниковых материалов, микро- и наноструктур.
1.10 Выработаны рекомендации по использованию результатов проведенных ПНИ.
1.11 Проведены мероприятия по ресурсному обеспечению ПНИ.
1.12 Опубликованы 5 статей в научных журналах, индексируемых в базах Scopus и WoS, получены 3 свидетельства на регистрацию программ для ЭВМ, подготовлена к защите кандидатская диссертация. Результаты работ докладывались на 3 зарубежных и 3 российских научно-технических конференциях. Средний возраст исследователей – 35 лет.
2. Основные характеристики научно-технических результатов
2.1 Метод исследования электрически и оптически активных дефектов, создающих глубокие уровни в запрещенной зоне (щели подвижности) в солнечных элементах позволяет проводить измерения в диодных структурах с барьерной емкостью в диапазоне 10 - 2000 пФ.
2.2 Контроль распределения микро- и нанокристаллических включений и примесей в слоях мульти- и нанокристаллического кремния, аморфного кремния, химического состава включений, базирующийся на совместном применении и доработке методик растровой электронной микроскопии (РЭМ), рентгенофлуоресцентной спектроскопии (РФС), комбинационного рассеяния света (КРС) осуществляется в областях материала с минимальным размером не более 5 мкм.
2.3 Метод определения локальной плотности зарядовых состояний и их энергетического распределения в полупроводниковых тонкопленочных микро- и наноструктурах обеспечивает пространственную локальность измерений до 10 нм и нижний предел измерения поверхностного потенциала до 50 мВ..
2.4 Компенсационный метод исследования распределения электрических полей по активным областям солнечных элементов позволяет проводить измерения распределения электрических полей напряженностью 102...105 В/см по активной области СЭ толщин 0,3...1 мкм при облучении монохроматическим светом с длиной волны от 350 до 1200 нм.
2.5 Эскизная конструкторская документация на макет измерительной установки для комплексной диагностики полупроводниковых материалов, микро- и наноструктур включает схему деления на составные части структурную, схемы комбинированные структурную и функциональную макета измерительной установки, схему общую электрическую макета измерительной установки, чертеж общего вида макета измерительной установки, схемы принципиальные электрические преобразователя «ток-напряжение», преобразователя измерительной ячейки, источника оптического излучения, эскизные чертежи общего вида измерительной ячейки и корпуса преобразователя «ток-напряжение».
2.6 Пояснительная записка к документации на программы для ЭВМ, обеспечивающие функционирование макета измерительной установки включает схему алгоритма, общее описания алгоритма, выполняемые программой функции и фрагменты исходного текста программы.
Количественные характеристики полученных результатов удовлетворяют требованиям Технического задания и задачам Индустриального партнера ООО «Хелиос-ресурс» при отработке технологического процесса и конструктивных характеристик СЭ для солнечных модулей.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. В результате проведенных патентных исследований и аналитического обзора по проблематике ПНИ проанализированы способы измерения встроенных электрических полей в барьерных структурах для СЭ, способы измерения концентрации и состава микро- и нанокристаллических включений, легирующих и неконтролируемых примесей в мульти- и нанокристаллическом кремнии, методы и средства контроля параметров материалов и барьерных структур для СЭ. Разработанные физические основы экспериментального метода исследования электрически и оптически активных дефектов, создающих глубокие уровни в запрещенной зоне (щели подвижности) в диодных структурах солнечных элементов, метода измерения локальной плотности зарядовых состояний и их энергетического распределения, компенсационного метода исследования распределения электрических полей по активным областям солнечных элементов и метода измерения концентрации и энергетических характеристик электрически и оптически активных дефектов, создающих глубокие уровни легли в основу методики комплексной диагностики полупроводниковых материалов, микро- и наноструктур для элементов солнечной энергетики. Разработанные программы для ЭВМ выполнены в среде графического программирования LabVIEW (National Instruments, USA) и обеспечивают функционирование макета измерительной установки и обработку экспериментальных данных в полуавтоматическом режиме. Получены свидетельства на регистрацию этих программ. Разработанная эскизная конструкторская документация на макет измерительной установки для комплексной диагностики полупроводниковых материалов, микро- и наноструктур может послужить основой для выполнения опытно-конструктурской работы по созданию экспериментальной установки для исследования параметров материалов и структур СЭ и других фотопреобразователей. Собранный макет измерительной установки состоит из блоков и узлов, объединенных в единый измерительный комплекс, обеспечивающий реализацию метода исследования электрически и оптически активных дефектов и компенсационного метода исследования распределения электрических полей по активным областям тонких наноструктурированных пленок, p-n-, p-i-n-переходов, переходов Шоттки, предназначенных для использования в солнечных элементах.
2. Технические решения и разрабатываемые методы носят элементы новизны в отношении физических основ (компенсационный метод исследования распределения электрических полей, метод определения локальной плотности зарядовых состояний и их энергетического распределения в полупроводниковых тонкопленочных микро- и наноструктурах, метод исследования электрически и оптически активных дефектов), способов реализации (макет измерительной установки для комплексной диагностики полупроводниковых материалов, микро- и наноструктур солнечных элементов) и программного обеспечения для автоматизации процесса измерений и обработки результатов, проведена апробация экспериментальных методов и макета измерительной установки.
3. Результаты ПНИ по развитию экспериментальных методов исследования электрофизических и электрооптических характеристик наноматериалов и наноструктур сопоставимы с мировыми, инструментальное обеспечение работ соответствует современным метрологическим требованиям.
4. Основу кадрового потенциала научного коллектива, выполняющего ПНИ, составляют преподаватели и научные сотрудники кафедры микро- и наноэлектроники Рязанского государственного радиотехнического университета, имеющие многолетний опыт работы в области полупроводниковой электроники и методов диагностики полупроводниковых и диэлектрических материалов, микро- и наноструктур.
Кроме того, при выполнении ПНИ использовались технические и интеллектуальные ресурсы Регионального центра зондовой микроскопии коллективного пользования Рязанского государственного радиотехнического университета (РЦЗМкп РГРТУ) и центра коллективного пользования научным оборудованием «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» Белгородского государственного национального исследовательского университета (ЦКП НИУ «БелГУ»). Ограничения и риски достижения заявленных результатов связаны в основном с сокращением бюджетного финансирования проекта и ситуацией на финансовом рынке. Для создания макета измерительной установки, изготовления тестовых структур и проведения испытательных исследований необходимы расходные материалы и комплектую изделия частично зарубежного производства, не имеющие отечественных аналогов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Разработанные новые методы исследования и диагностики материалов и структур для электроники и, для солнечной энергетики в частности, могут найти применение в дизайн-центрах и лабораториях предприятий радиоэлектронной промышленности, в том числе предприятий оборонно-промышленного комплекса. Внедрение разработанных методов и методик диагностики в технологический процесс изготовления полупроводниковых приборов позволит отработать технологические режимы получения материалов и структур, и, следовательно, повысить процент выхода годных изделий, повысить уровень конструирования и моделирования полупроводниковых приборов и, следовательно, снизить себестоимость готовой продукции, повысить технические и эксплуатационные характеристики продукции, в том числе отечественных полупроводниковых преобразователей для солнечной энергетики.
2. Перспективы практического использования результатов ПНИ связаны с внедрением методики комплексной диагностики в цикл отработки конструктивных характеристик и режимов технологического процесса изготовления солнечных элементов для солнечных модулей на предприятиях Индустриального партнера ООО «ХЕЛИОС-Ресурс» и других отечественных производителей полупроводниковых фотопреобразователей для солнечных модулей, в частности, ООО «НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им. А.Ф. Иоффе», входящее в группу компаний "Хевел" - отечественного производителя тонкопленочных фотопреобразовательных модулей, ООО «СОЛЭКС-С» и других.
3. Успешное решение задачи увеличения доли возобновляемых источников в производстве электрической энергии связано, в частности, с проблемами повышения эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию (КПД) и стабильности основных параметров СЭ. Поиск путей решения этих проблем приводит к необходимости создания полупроводниковых солнечных элементов каскадного типа (2 и более барьерных переходов), использования комбинации мульти (микро-) кристаллического и аморфного (нанокристаллического) кремния для создания гетероструктур типа HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer). Последнее направление является в настоящее время мировым трендом. Использование комплексного подхода в исследовании электрофизических и электрооптических характеристик материалов и структур на этапе отработки конструкции и технологии СЭ, являющегося результатом проведенных ПНИ, позволит осуществлять поиск оптимальных конструкторско-технологических решений с учетом специфики производства, выявлять причины отказов, деградации параметров и т.п., тем самым, ускорить процесс создания эффективных отечественных HIT-структур для солнечных модулей. Ожидаемый социально-экономический эффект от внедрения результатов ПНИ связан со снижением затрат на этапе отработки технологии и увеличением процента выхода годных изделий в процессе производства солнечных модулей, а также уменьшением отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду за счет сокращения времени отладки технологического процесса изготовления солнечных элементов.
4. Результаты работы докладывались на 3-х Международных научно-технических конференциях: «International Siberian Conference on Control and Communications» (SIBCON-2015, State Technical University. Russia, Omsk, May 21−23, 2015); «International Conference on Industrial Technology» (ICIT-2015, Seville, Spain, March 17-19, 2015) и 5-th International Conference «Telecommunications, Electronics and Informatics» (ICTEI-2015, Kishinev, Moldova, May 20-23, 2015) и были опубликованы в 5-ти статьях, индексируемых в базах Scopus и WoS:
1) N. V. Vishnyakov, S. P. Vikhrov, V. G. Mishustin, D. V. Almazov, V. G. Litvinov, and V. V. Gudzev. The Measurement of Electric Field Distribution in the Barrier Structures Based on Disordered Semiconductors// J. of Nanoelectronics and Optoelectronics, 2014. Vol.9, 773–777;
2) S. P. Vikhrov, V. G. Litvinov, A.V. Ermachikhin, N.B. Rybin, N. V. Vishnyakov. Complex method diagnostics of diode-like quantum well heterostructures with use of low frequency noise// J. of Nanoelectronics and Optoelectronics, 2014. Vol.9, 756–761;
3) A.V. Ermachikhin, V.G. Litvinov, A.D. Maslov The Measuring Systems of Semiconductor Structures and Its Software// 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. Omsk: Omsk State Technical University. Russia, Omsk, May 21−23, 2015. IEEE Catalog Number: CFP15794-CDR. ISBN: 978-1-4799-7102-2;
4) V.G. Litvinov, N.V. Vishnyakov, V.V. Gudzev, V.G. Mishustin, S.P. Vikhrov, S.M. Karabanov and A.S. Karabanov Measuring complex for analysis of recombination deep traps in semiconductor solar cells// USB Proceedings, 2015 IEEE ICIT, Seville. Spain. 17 – 19 March 2015, 1071 – 1074;
5) A.V. Alpatov, S.P. Vikhrov, N.V. Rybina Study of the Correlation Parameters of the Surface Structure of Disordered Semiconductors by the Two-Dimensional DFA and Average Mutual Information Methods// Semiconductors, 2015, Vol. 49, No. 4, pp. 456–460, что несомненно скажется на возможности развития данного направления исследований в рамках международного сотрудничества.
Кроме того, результаты ПНИ докладывались на 9-ой Международной научно-технической конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» и Международной молодежной научно-практической школе по солнечной энергетике (Россия, Санкт-Петербург, 7-10 июля 2014 г.), 7-ой Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых и демонстрировались на выставке «Нанодиагностика - 2014», проходившей в рамках школы-семинара (Россия, Рязань, 15-19 сентября 2014 г.), III Международной научно-практической конференции «Инновации в науке, производстве и образовании» (Россия, Рязань, 13-14 октября 2014 г.), что послужило развитию системы демонстрации и популяризации науки.
По результатам выполненных ПНИ созданы РИД и получены свидетельства об их государственной регистрации:
1) Программа управления измерительно-аналитическим комплексом для исследования тока нестационарной фотопроводимости (Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2015616811 от 24.06.2015);
2) Программа управления измерительной установкой для комплексной диагностики полупроводниковых материалов, микро- и наноструктур (Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2015617884 от 23.07.2015);
3) Программа для исследования электрически и оптически активных дефектов в диодных структурах (Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2015б17376 от 08.07.2015), что способствовало обеспечению развития материально-технической и информационной инфраструктуры научных исследований.

Текущие результаты проекта:
В настоящее время заканчивается апробация разработанных методов комплексной диагностики материалов и структур СЭ на изготовленных для этого тестовых образцах. Разработана методика комплексной диагностики полупроводниковых материалов, микро- и наноструктур для элементов солнечной энергетики Выработаны рекомендации по возможности использования результатов проведенных ПНИ. Разработвается Проект ТЗ на ОКР по теме «Разработка измерительного комплекса для исследования полупроводниковых микро- и наноструктур для солнечных элементов».