Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
аморфный гидрогенизированный кремний, микрокристаллический гидрогенизированный кремний, лазерная кристаллизация, тонкопленочный солнечный элемент.

Цель проекта:
Цель проекта: Разработка методики использования фемтосекундного лазерного облучения для формирования пленок наномодифицированного аморфного кремния, обладающих оптимальными электрофизическими свойствами для создания на их основе эффективных тонкопленочных солнечных элементов. Научные задачи: выявление механизмов структурной модификации аморфного кремния при облучении фемтосекундными лазерными импульсами; установление корреляций между фотоиндуцированным изменением структуры и электронными свойствами модифицированного аморфного кремния; определение условий фемтосекундной лазерной кристаллизации, приводящих к формированию материала с оптимальными для фотовольтаики параметрами;

Основные планируемые результаты проекта:
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.
В ходе проведенной работы ожидаются следующие результаты:
- для пленок аморфного гидрогенизированного кремния 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 аморфного гидрогенизированного кремния (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 аморфного гидрогенизированного кремния 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 и гетероструктур аморфный гидрогенизированный кремний/наномодифицированный аморфный кремний посредством фемтосекундной лазерной кристаллизации аморфного кремния.
- будут получены экспериментальные образцы наномодифицированного аморфного кремния и гетероструктур аморфный гидрогенизированный кремний/наномодифицированный аморфный кремний с оптимальными для использования в тонкопленочной солнечной энергетике параметрами.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В результате выполнения проекта будут созданы экспериментальные образцы гетероструктур аморфный гидрогенизированный кремний/наномодифицированный аморфный кремний, получаемые фемтосекундной лазерной кристаллизацией аморфного гидрогенизированного кремния, со следующими параметрами:
площадь перехода - не менее 4 мм2;
напряжение холостого хода при освещении белым светом с интенсивностью 100 мВт/см2 – не менее 600 мВ;
- плотность тока короткого замыкания при освещении белым светом с интенсивностью 100 мВт/см2 – не менее 70 мА/см2;
- фактор заполнения – не менее 0,3.
Кроме того, будет разработан метод получения пленок наномодифицированного аморфного кремния и гетероструктур аморфный гидрогенизированный кремний/наномодифицированный аморфный кремний, обладающий следующими параметрами:
- область длин волн фемтосекундного лазера - (257-1030) нм;
- длительность импульсов - 30фс- 8пс;
- частота повторения импульсов (20-500) кГц;
- энергия в импульсе не более 200 мкДж;
- диаметр лазерного пучка при сканировании (ширина «полосы» кристаллизации) не более 100 мкм;
- расстояние между центрами сканированных полос (30-50) мкм;
- скорость сканирования – не менее 5 мм/c.
Разрабатываемый метод получения наномодифицированного аморфного кремния и гетероструктур аморфный гидрогенизированный кремний/наномодифицированный аморфный кремний позволит обеспечить возможность создания эффективных тонкопленочных солнечных элементов.
Предлагаемые методы будут реализованы впервые и по своим технологическим возможностям соответствуют (а по некоторым параметрам даже превосходят) мировому уровню разработок в данной области.
Методы и подходы, которые предполагается использовать для решения поставленной задачи, определяются, в основном, особенностями используемого в предлагаемом проекте метода модификации исследуемых объектов. Известно, что при возбуждении интенсивным лазерным излучением более 10 % валентных электронов в материале может произойти разрушение межатомных связей без термического нагрева. Этим обусловлен выбор фемтосекундных лазерных импульсов, обладающих большими значениями интенсивности, для осуществления предлагаемого проекта. Стоит отметить, что проведенные ранее исследования показали, что при облучении фемтосекундными лазерными импульсами пленок аморфного кремния также имеют место и другие механизмы модификации структуры. Естественно, что предлагаемый метод воздействия на структуру материала должен приводить к особенностям изменений оптических и электрофизических свойств, определяемых генерацией, переносом и рекомбинацией носителей заряда. В частности, можно ожидать, что специфика механизма нетермической структурной модификации может позволить при определенных условиях проводить структурные изменения полупроводниковых гидрогенизированных материалов без существенного процесса их дегидрогенизации. Это, в свою очередь, должно существенно улучшить фотоэлектрические параметры модифицированного материала.
Таким образом, выполнение предлагаемого проекта предполагает решение двух взаимосвязанных задач, а именно: 1) определение механизмов модификации структуры пленок аморфного гидрогенизированного кремния в результате их фемтосекундного лазерного облучения и 2) установление электронных процессов, определяющих оптические, электрические и фотоэлектрические свойства пленок гидрогенизированного кремния с измененной фемтосекундным лазерным облучением структурой.

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.

Текущие результаты проекта:
В результате выполнения работ в 2015 году определены оптимальные условия гидрогенизации в водородной плазме пленок аморфного гидрогенизированного кремния, модифицированных фемтосекундным лазерным облучением; проведены исследования электрических свойств пленок аморфного гидрогенизированного кремния после их фемтосекундного лазерного облучения и последующей пост-гидрогенизации; разработана модель изменения эффективности легирования пленок гидрогенизированного кремния при их структурной модификации в результате фемтосекундного лазерного облучения; разработан лабораторный технологический регламент получения пленок наномодифицированного аморфного кремния путем фемтосекундного лазерного облучения аморфного гидрогенизированного кремния; определен оптимальный исходный уровень легирования пленок аморфного гидрогенизированного кремния и установлены условия фемтосекундного лазерного облучения для формирования легированных пленок наномодифицированного аморфного кремния с заданными параметрами; изготовлены экспериментальные образцы пленок наномодифицированного аморфного кремния с различной объемной долей кристаллической фазы.