Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0085

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0085
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова"
Название доклада
Разработка методики модификации структуры и свойств пленок аморфного гидрогенизированного кремния фемтосекундным лазерным облучением для фотовольтаических применений
Докладчик
Форш Павел Анатольевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью данного проекта является разработка методики использования фемтосекундного лазерного облучения для формирования пленок наномодифицированного аморфного кремния и гетероструктур на его основе, обладающих оптимальными электрофизическими свойствами для создания эффективных и дешевых тонкопленочных солнечных элементов.
Для достижения сформулированной цели проекта в процессе выполнения работы были поставлены следующие задачи:
1) Определение механизмов модификации структуры пленок аморфного гидрогенизированного кремния в результате их фемтосекундного лазерного облучения.
2) Установление электронных процессов, определяющих оптические, электрические и фотоэлектрические свойства пленок гидрогенизированного кремния с измененной фемтосекундным лазерным облучением структурой.
3) Получение гетероструктур аморфный гидрогенизированный кремний/наномодифицированный аморфный кремний посредством фемтосекундного лазерного облучения пленок аморфного кремния с оптимальными для создания солнечных элементов параметрами.
Актуальность и новизна исследования
В последние десятилетия бурное развитие получили исследования, направленные на использование альтернативных источников энергии, в том числе солнечных элементов и фотопреобразователей. Широкое использование солнечных элементов сдерживается сравнительно высокой стоимостью преобразования солнечной энергии с их помощью. Поэтому важной задачей является создание новых материалов и структур, позволяющих снизить стоимость преобразования солнечной энергии.
Для создания солнечных элементов чаще всего используются тонкие пленки на основе аморфного гидрогенизированного кремния. Однако у этого материала есть ряд существенных недостатков. В настоящее время внимание разработчиков солнечных элементов привлекает наномодифицированный аморфный кремний, а также гетероструктуры на его основе, представляющие собой чередующиеся слои аморфного гидрогенизированного и наномодифицированного аморфного кремния. Использование подобных структур позволяет существенно увеличить область спектральной чувствительности солнечного элемента. В последние годы в качестве одного из наиболее перспективных методов формирования слоя наномодифицированного кремния рассматривается модификация пленок аморфного кремния лазерным излучением. При лазерном воздействии происходит кристаллизация материала, а также изменяется морфология поверхности пленки, что приводит к увеличению поглощения солнечного света. Помимо этого технология лазерной модификации позволяет контролируемым образом формировать структуры на поверхности пленки, что также может приводить к увеличению поглощения падающего на пленку солнечного света.
Описание исследования

Методы и подходы, которые используются для решения поставленных в проекте задач, определяются, в основном, особенностями метода модификации пленок аморфного кремния. Известно, что при возбуждении интенсивным лазерным излучением более 10 % валентных электронов в материале может произойти разрушение межатомных связей без термического нагрева. При этом возможна нетермическая модификация структуры материала, если время эмиссии фононов возбужденной электронной подсистемой больше длительности лазерного импульса, что справедливо для фемтосекундных импульсов. Этим обусловлен выбор фемтосекундных лазерных импульсов. Естественно, что предлагаемый метод воздействия на структуру материала должен приводить к изменениям оптических и электрофизических свойств, определяемых генерацией, переносом и рекомбинацией носителей заряда.

Пленки аморфного гидрогенизированного кремния, используемые в проекте,  были  получены методом лазмохимического осаждения из газовой фазы смеси газов моносилана и водорода. Увеличение доли водорода в камере напыления позволяло 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 в данной работе проводились  исследования с использованием пленок гидрогенизированного кремния с различной исходной долей нанокристаллической фазы в их структуре. Модификация структуры пленок гидрогенизированного кремния проводилась 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).

Изучение структуры пленок до и после воздействия на них фемтосекундного лазерного облучения проводилось 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 позволило 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. Контроль за изменением концентрации водорода в исследованных пленках в результате их облучения проводился как по изменению спектров ИК поглощения, так и по изменению спектров комбинационного рассеяния.

Особое внимание было уделено изучению влияния 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.

На основании полученных данных были разработаны лабораторные методики исследования структурных, оптических, электрических и фотоэлектрических параметров пленок аморфного кремния, подвергнутых фемтосекундному лазерному воздействию. Также были разработаны методики определения электрических, фотоэлетрических и фотовольтаических параметров гетероструктур аморфный гидрогенизированный кремний/наномодифицированный аморфный кремний.

Результаты исследования

При выполнении проекта были получены следующие основные результаты:

1) Изучены основные закономерности влияния параметров фемтосекундного лазерного облучения на изменение структуры пленок аморфного гидрогенизированного кремния и определены возможные механизмы структурной модификации аморфного гидрогенизированного кремния фемтосекундным лазерным излучением. Изучено влияния дозы фемтосекундного лазерного облучения и толщины пленок аморфного гидрогенизированного кремния на процессы модификации их структуры при фемтосекундном лазерном облучении.

2) Проведены экспериментальные исследования процессов модификации структуры и физических свойств пленок нелегированного аморфного гидрогенизированного кремния при фемтосекундном лазерном облучении. В результате проведенных исследований показана существенная роль газовой среды, в которой происходит модификация пленок аморфного гидрогенизированного кремния фемтосекундным лазерным излучением, на изменение структуры, оптических, электрических и оптических свойств. Установлено, что наличие нанокристаллических включений в структуре пленки аморфного гидрогенизированного кремния ускоряет динамику кристаллизации при лазерном облучении. Обнаружено, что процесс увеличения доли кристаллической фазы в облученной пленке сопровождается уменьшением концентрации водорода в ней. Доказано, что использование различных длин волн лазерных импульсов позволяет контролировать глубину проникновения модификации структуры.

3) Определены оптимальные технологические условия получения пленок аморфного гидрогенизированного кремния, легированного донорными и акцепторными примесями. Изготовлены пленки аморфного гидрогенизированного кремния, содержащие донорные и акцепторные примеси.  Обнаружено, что лазерная модификация пленок влияет на эффективность легирования введенной в исходный материал примеси.

4) Разработан лабораторный технологический регламент получения пленок наномодифицированного аморфного кремния путем фемтосекундного лазерного облучения аморфного гидрогенизированного кремния. Изготовлены экспериментальные образцы пленок наномодифицированного аморфного кремния с различной объемной долей кристаллической фазы.

5) Разработаны лабораторные методики исследования структурных, оптических, электрических и фотоэлектрических свойств пленок и исследованы указанные свойства экспериментальных образцов. Показано, что распределение нанокристаллов по толщине пленки сильно зависит от использованной при лазерном облучении длины волны. Обнаружено, что тип используемой подложки практически не влияет на распределение по толщине пленки кремниевых нанокристаллов при фемтосекундном лазерном воздействии.  

6) Разработан лабораторный технологический регламент получения гетероструктур аморфный гидрогенизированный кремний/наномодифицированный аморфный кремний с помощью фемтосекундного лазерного облучения. Изготовлены экспериментальные образцы гетероструктур аморфный гидрогенизированный кремний/наномодифицированный аморфный кремний.

7) Разработана методика и измерены значения фотовольтаических параметров (коэффициента полезного действия, напряжения холостого хода, тока короткого замыкания и фактора заполнения) гетероструктур аморфный гидрогенизированный кремний/наномодифицированный аморфный кремний.  

Практическая значимость исследования
Результаты, полученные при выполнении проекта являются востребованными как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. С фундаментальной точки зрения, наибольший интерес представляют 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.
Полученные в ходе работы структуры на основе наномодифицированного аморфного кремния и разработанный метод их получения с помощью фемтосекундного лазерного облучения могут найти широкое практическое применение в научно-исследовательских организациях, в фирмах производителях наукоемкой продукции. Потенциальными потребителями разработанного материала являются предприятия электронной промышленности, ориентированные на создание тонкопленочных оптоэлектронных устройств, совместимых с кремниевой технологией. Внедрение в производство разрабатываемого в проекте метода создания тонкопленочного наномодифицированного материала должно обеспечить повышение коэффициента полезного действия и стабильности солнечных элементов. В Российской Федерации разработанный метод получения нанокомпозитных пленок на основе аморфного кремния может быть использован для улучшения параметров тонкопленочных солнечных модулей, производимых на заводе ООО «Хевел» в г. Новочебоксарске.
Постер

14.604.21.0085.ppt