RU2619446C1 - Способ получения переизлучающих текстурированных тонких пленок на основе аморфного гидрогенизированного кремния с нанокристаллами кремния - Google Patents
Способ получения переизлучающих текстурированных тонких пленок на основе аморфного гидрогенизированного кремния с нанокристаллами кремния Download PDFInfo
- Publication number
- RU2619446C1 RU2619446C1 RU2015152271A RU2015152271A RU2619446C1 RU 2619446 C1 RU2619446 C1 RU 2619446C1 RU 2015152271 A RU2015152271 A RU 2015152271A RU 2015152271 A RU2015152271 A RU 2015152271A RU 2619446 C1 RU2619446 C1 RU 2619446C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- emitting
- films
- thin films
- film
- Prior art date
Links
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 23
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 20
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 19
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 19
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 title claims abstract description 16
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 6
- 150000003376 silicon Chemical class 0.000 title claims description 21
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 64
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 18
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 13
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 claims description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 2
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 claims description 2
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 45
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 14
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 10
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000004833 X-ray photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 4
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- 238000000026 X-ray photoelectron spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006356 dehydrogenation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 2
- 238000005224 laser annealing Methods 0.000 description 2
- 238000005499 laser crystallization Methods 0.000 description 2
- 238000013532 laser treatment Methods 0.000 description 2
- 229910021424 microcrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- SYHGEUNFJIGTRX-UHFFFAOYSA-N methylenedioxypyrovalerone Chemical compound C=1C=C2OCOC2=CC=1C(=O)C(CCC)N1CCCC1 SYHGEUNFJIGTRX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 229910021423 nanocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 1
- 238000000103 photoluminescence spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011856 silicon-based particle Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/1804—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic Table
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Silicon Compounds (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области оптоэлектронной техники и может быть использовано для создания переизлучающих текстурированных покрытий для использования в тонкопленочных солнечных элементах. Способ получения переизлучающих текстурированных тонких пленок на основе аморфного гидрогенизированного кремния с нанокристаллами кремния включает получение тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния, которые обрабатывают в атмосфере воздуха фемтосекундными лазерными импульсами с центральной длиной волны излучения 500-1100 нм, частотой повторения импульсов 50-500 кГц, длительностью импульсов 100-500 фс и плотностью энергии лазерных импульсов 260-500 мДж/см2. Изобретение обеспечивает возможность формирования переизлучающих текстурированных тонких пленок, эффективно поглощающих ультрафиолетовую часть солнечного спектра с последующим ее преобразованием в видимый свет. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.
Description
Область техники
Изобретение относится к области оптоэлектронной техники и может быть использовано для создания переизлучающих текстурированных покрытий (текстурированных тонких пленок) на основе аморфного гидрогенизированного кремния, подвергнутого обработке фемтосекундными лазерными импульсами с целью формирования локально расположенных кремниевых нанокристаллов для использования в тонкопленочных солнечных элементах в качестве слоя, эффективно поглощающего ультрафиолетовую часть солнечного спектра с последующим ее преобразованием в видимый свет.
Уровень техники
Основные работы в области тонкопленочной фотовольтаики ведутся в направлении поиска новых материалов и формирования новых структур, перспективных для создания дешевых и эффективных тонкопленочных солнечных элементов. В частности, помимо широко используемого при создании тонкопленочных солнечных элементов аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) внимание разработчиков солнечных элементов привлекает микрокристаллический гидрогенизированный кремний (mc-Si:H) и наномодифицированный аморфный кремний, состоящий из аморфной кремниевой матрицы с внедренными в нее нанокристаллами кремния. Высокая фоточувствительность данных пленок, характерная для аморфного гидрогенизированного кремния, сочетается в них с удовлетворительной стабильностью параметров при световых воздействиях [Guha S., Yang J., Williaamson D.L. // Appl. Phys. Lett. 1999. V. 74. P. 1860.;
Ahn J.Y., Jun K.H., Lim K.S., Konagai M. // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 82. P. 1718;
Казанский А.Г., Теруков Е.И., Форш П.А., Kleider J.P. // ФТП. 2010. Т. 44. С. 513;
Казанский А.Г., Мелл X., Теруков Е.И., Форш П.А. // ФТП. 2002. Т. 36. С. 41].
Это позволяет рассматривать пленки mc-Si:H и наномодифицированного аморфного кремния в качестве материала, перспективного для использования в солнечных элементах [Wronski C.R., Collins R.W. // Solar Energy. 2004. V. 77. P. 877.;
Adikaari A.A.D.T., Mudugamuwa N.K., Silva S.R.P. // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2008. V. 92. P. 634.
Работы, посвященные этим материалам, привели к созданию так называемых микроморфных тонкопленочных солнечных элементов, представляющих собой тандемную структуру, состоящую из последовательно сформированных на подложке солнечных элементов на основе a-Si:H и mc-Si:H. Использование подобных структур позволяет существенно расширить спектральную чувствительность солнечного элемента в УФ-диапазоне, которая в противном случае резко спадает в коротковолновой части спектра за счет малой глубины проникновения высокоэнергетичных фотонов света в структуру, высокой скорости поверхностной рекомбинации и потерь энергии в процессе термализации горячих носителей заряда. Основой микроморфных тонкопленочных солнечных элементов являются структуры, состоящие из слоев аморфного и слоев нанокристаллического кремния. Последовательное формирование слоев a-Si:H и mc-Si:H возможно в процессе последовательного плазмохимического осаждения указанных пленок гидрогенизированного кремния. В тоже время, в последние годы в качестве одного из наиболее перспективных методов формирования слоя нанокристаллического (наномодифицированного) кремния рассматривается лазерная кристаллизация пленок аморфного кремния. При этом показано, что при лазерном отжиге происходит не только кристаллизация материала, но также существенно изменяется морфология поверхности пленки, что приводит к существенному увеличению поглощения падающего на поверхность пленки солнечного света. Помимо этого технология лазерного отжига позволяет контролируемым образом формировать структуры на поверхности пленки, что также может приводить к увеличению поглощения падающего на пленку солнечного света.
В большинстве работ, посвященных лазерной кристаллизации a-Si:H, использовались пикосекундные и наносекундные лазерные импульсы, однако главной проблемой при таком способе кристаллизации является процесс дегидрогенизации, негативно влияющий на фотоэлектрические характеристики облученных пленок [Adikaari A.A.D.T., Silva S.R.P. // J. Appl. Phys. 2005. V. 97. P. 114305]. В то же время интерес к использованию фемтосекундных лазерных импульсов для кристаллизации a-Si:H связан с фундаментальным отличием процессов поглощения излучения и механизмов изменения структуры материала по сравнению с режимами облучения в нано- и пикосекундном диапазонах длительностей импульса. Данное отличие состоит в том, что многофотонное нелинейное оптическое поглощение в этом случае приводит к возникновению в полупроводнике чрезвычайно неравновесного состояния электронной подсистемы. Проведенные расчеты указывают на то, что возбуждение более 10% валентных электронов должно вызывать «нетермическое размягчение» структуры без изменения температуры решетки [Sundaram S.K., Mazur Е. // Nature Materials. 2002. V. 1. P. 217]. При этом возможна нетермическая модификация структуры материала, если время эмиссии фононов возбужденной электронной подсистемой больше длительности лазерного импульса, что справедливо для фемтосекундных импульсов. Соответственно можно ожидать, что при использовании определенного режима лазерной модификации пленок a-Si:H возможна их кристаллизация без существенного процесса дегидрогенизации.
В последние годы появился ряд работ, посвященных изучению модификации структуры пленок аморфного кремния, подвергнутых фемтосекундному лазерному облучению. Так в работе [Choi T.Y., Hwang D.J., Griporopoulos С.Р. // Optical Engineering. 2003. V. 42. P. 3383] кристаллизация пленок аморфного кремния толщиной 100 нм наблюдалась при их облучении лазерными импульсами длительностью 90 фс (длина волны 800 нм, максимальная энергия 1 мДж). Были определены оптимальные условия для кристаллизации, а именно при плотности энергии в импульсах, равной 120 мДж/см2, образовывались кристаллические зерна с размерами около 50 нм. В работе [Nayak В.K., Gupta М.С. // Appl. Phys. А. 2007. V. 89. P. 663] в результате облучения пленок a-Si:H лазерными импульсами с длительностью 110 фс и энергией до 1,2 мДж наблюдалась одновременно их кристаллизация и формирование микроструктуры на поверхности пленки с характерной высотой 300 нм. Кроме того, было замечено формирование слоя оксида кремния толщиной около 50 нм, который обладал полупроводниковыми свойствами, что предлагалось использовать в качестве n-слоя в солнечных элементах pin типа. Аналогичная картина отмечается в работе [Wang Х.С., Zheng H.Y., Tan C.W., Wang F., Yu H.Y., Pey K.L. // Optics Express. 2010. V. 19. P. 19379], в которой поверхность пленки a-Si:H с исходной толщиной 80 нм приобрела шероховатость с характерной высотой неровностей 20 нм после облучения лазерными импульсами длительностью 150 фс на длине волны 775 нм с плотностью энергии 1-50 мДж/см2. Согласно оценкам, полученным путем анализа спектров комбинационного рассеяния света, доля кристаллической фазы кремния в облученных пленках составляет около 35%, однако никаких сведений о размерах получаемых кристаллитов не приводится. В работе [Shien J. - M., Chen Z. - H, Dai B. - T., Wang Y. - C., Zaitsev A., Pan C. - L. // Appl. Phys. Letters. 2004. V. 85. P. 1232] для кристаллизации слоев аморфного кремния толщиной 100 нм использовался ИК-лазер с длиной волны 800 нм, длительностью импульсов 50-125 фс и средней энергией в импульсе ~0,5 мДж. Шероховатость поверхности при этом не превышала 4,5 нм, в то время как максимальный размер образующихся кристаллических частиц кремния составлял около 800 нм. Основным результатом работы [Lee G.Y., Park J., Kim E.K., Lee Y.P., Kim K.M., Cheong H., Yoon C.S., Son Y. - D., Jang J. // Optics Express. 2005. V. 13. P. 6445] является формирование микрокристаллического кремния со средним размером гранул 170 нм при облучении пленок аморфного кремния двумя интерферирующими лазерными пучками на длине волны 800 нм с длительностью импульса 130 фс. Наконец, в работе [Володин В.А., Качко А.С. // ФТП. 2011. Т. 45. С. 268] разработан режим полной кристаллизации пленок аморфного гидрогенизированного кремния с толщинами до 100 нм при их облучении импульсами титан-сапфирового лазера (длина волны 800 нм) с длительностью <30 фс и плотностью энергии от 30 до 100 мДж/см2.
Из уровня техники известно решение по патенту RU 2501057 С1 (Опубликовано 10.12.2013, кл. G03F 7/075, H01L 21/268, H01L 31/18), в котором предложен способ, включающий обработку поверхности монокристаллического кремния ориентации (111) с помощью импульсного излучения лазера, сфокусированного перпендикулярно поверхности обработки с длительностью импульса 15 нс, при этом предварительно монокристаллический кремний ориентации (111) помещают в ультразвуковую ванну и обрабатывают в спирте в течение 30 минут, а обработку лазером ведут импульсами с длиной волны 266 нм и частотой 6 Гц, при этом число импульсов составляет 5500-7000 с плотностью энергии на обрабатываемой поверхности 0,3 Дж/см2. Изобретение относится к области микроэлектроники, фотовольтаики, к не литографическим технологиям структурирования кремниевых подложек, в частности к способам структурирования поверхности монокристаллического кремния с помощью лазера, и обеспечивает формирование периодических пирамидальных структур на поверхности монокристаллического кремния, имеющих монокристаллическую структуру и три кристаллографические грани ориентации (111).
В патентах US 5346850 А (опубликовано 13.09.1994, кл. С30В 1/02; H01L 21/20) и US 6964831 В2 (опубликовано 15.11.2005, кл. G03F 9/00, G03C 5/00) для кристаллизации пленок аморфного кремния использовались лазерные импульсы с длительностями в диапазоне 20-250 нс, в результате чего образовывались области микро- и поликристаллического кремния с размерами зерен 3-25 нм и более 50 нм соответственно. Основным преимуществом предложенных подходов является существенное понижение температуры, до которой разогревается подложка с пленкой (не более 180°С) при облучении короткими лазерными импульсами, по сравнению с другими методами кристаллизации пленок аморфного кремния.
Наиболее близким к заявляемому решению является способ получения кремниевых квантовых точек в аморфном кремнии, описанный в патенте CN 101866836 В (опубликовано 20.10.2010, кл. H01L 21/205; H01L 21/268; H01L 31/20). В патенте предлагают использовать для кристаллизации пленок аморфного кремния фемтосекундный лазер с длиной волны 400-800 нм, длительностью импульса 5-150 фс и энергией от 0,1 до 20 мкДж, в результате чего в пленках формируются кристаллические гранулы с контролируемым размером 30-50 нм, разделенные промежутками контролируемой ширины от 20 до 40 нм. Полученный материал предлагается использовать в качестве элемента тонкопленочных солнечных батарей (как один из слоев в многослойной структуре) для повышения эффективности их работы.
Однако в перечисленных выше работах отсутствуют данные, указывающие на возможность использования облученных пленок a-Si:H в качестве фотопреобразователя УФ-излучения в солнечных элементах. А именно не было реализовано формирование светоизлучающих кремниевых нанокристаллов в процессе облучения пленок аморфного кремния фемтосекундными лазерными импульсами. Это можно объяснить достаточно большим размером образующихся кристаллических зерен (десятки нанометров), что приводит к отсутствию их люминесценции при комнатной температуре [Fauchet P.M. // Materials Today. 2005. V. 8. P. 26].
Раскрытие изобретения
Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в разработке способа структурной модификации пленок аморфного гидрогенизированного кремния фемтосекундным лазерным облучением, при которой в облученных пленках формируются светоизлучающие кремниевые нанокристаллы, способные эффективно поглощать ультрафиолетовую составляющую солнечного света и переизлучать ее в видимой области спектра.
Задача решается за счет того, что способ получения переизлучающих текстурированных тонких пленок на основе аморфного гидрогенизированного кремния с нанокристаллами кремния включает получение тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния, которые обрабатывают в атмосфере воздуха фемтосекундными лазерными импульсами с центральной длиной волны излучения 500-1100 нм, частотой повторения импульсов 50-500 кГц, длительностью импульсов 100-500 фс и плотностью энергии лазерных импульсов 260-500 мДж/см2.
Пленки аморфного гидрогенизированного кремния возможно получить методом плазмохимического осаждения из газовой смеси моносилана и аргона.
Пленки аморфного гидрогенизированного кремния возможно получить методом ионного распыления кремния.
Пленки аморфного гидрогенизированного кремния возможно получить методом термического разложения моносилана.
Скорость сканирования может составлять от 1 до 10 мм/с.
Размер получаемых нанокристаллов кремния может составлять от 4 до 10 нм.
Техническим результатом является формирование светоизлучающих кремниевых нанокристаллов в процессе облучения пленок аморфного кремния фемтосекундными лазерными импульсами. Это, в свою очередь, позволит увеличить КПД тонкопленочного солнечного элемента на основе аморфного гидрогенизированного кремния со структурно модифицированным фемтосекундным лазерным облучением верхним слоем за счет расширения его спектральной чувствительности в УФ области солнечного спектра. Кроме того, рост КПД будет также обусловлен текстурированием поверхности пленки в процессе облучения, что увеличит эффективность поглощения падающего на поверхность пленки солнечного света за счет эффектов многократного отражения и локализации света. Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - спектры фотолюминесценции пленок аморфного кремния, облученных фемтосекундными лазерными импульсами с W=260, 360 и 460 мДж/см2.
Фиг. 2 - спектры комбинационного рассеяния света необлученной (нижняя кривая) и облученной при W=260 мДж/см2 (верхняя кривая) пленки a-Si:H.
Фиг. 3 - часть спектра рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), соответствующая Si 2р орбиталям необлученной пленки аморфного кремния (штриховая линия) и пленки, облученной с W=260 мДж/см2.
Фиг. 4 - зависимость процентного состава неокисленных атомов кремния в пленке от плотности энергии лазерных импульсов.
Фиг. 5 - изображения растровой электронной микроскопии (РЭМ) исходной пленки а-Si:H (слева вверху) и облученных пленок при двух различных плотностях энергии лазерных импульсов 110 мДж/см2 (слева внизу) и 360 мДж/см2 (справа внизу).
Осуществление изобретения
Тонкие пленки a-Si:H, изготовленные методом плазмохимического осаждения из газовой фазы при разложении смеси моносилана (SiH4) и аргона (Ar) в плазме высокочастотного тлеющего разряда, облучаются фемтосекундными лазерными импульсами, генерируемыми лазерной системой на основе кристалла Yb:KGW с частотой повторения импульсов 200 кГц, центральной длиной волны излучения 1030 нм, длительностью импульса 500 фс и плотностью энергии W в диапазоне от 40 до 500 мДж/см2. Под тонкой пленкой понимаются слои материала толщиной до 10 мкм.
Скорость сканирования фемтосекундными лазерными импульсами составляла от 1 до 10 мм/с. Время сканирования зависело от того, какая площадь обрабатывалась.
При превышении порогового значения плотности энергии в импульсе, равного 260 мДж/см2, пленки демонстрируют фотолюминесценцию в видимой области спектра (с максимумом вблизи 1,8 эВ, совпадающей с шириной щели по подвижности a-Si:H) при возбуждении излучением с длиной волны λ=360 нм. То есть такие пленки могут быть использованы для переизлучения ультрафиолетовой части солнечного спектра в эффективно преобразуемый солнечным элементом на основе a-Si:H видимый свет. Интенсивность люминесценции возрастает с увеличением плотности энергии в лазерном импульсе, использованной при облучении пленок. При превышении значения W=500 мДж/см2 наблюдается разрушение пленки (частичное отслаивание пленки от подложки).
Наблюдаемая люминесценция связана с образованием нанокристаллов в матрице SiO2 при воздействии на пленку a-Si:H на воздухе фемтосекундным лазерным излучением с плотностью энергии, превышающей 260 мДж/см2. Образование нанокристаллов кремния после облучения фемтосекундными лазерными импульсами подтверждается данными комбинационного рассеяния света (Фиг. 2). Узкий пик с максимумом на 519,5 см-1 свидетельствует об образовании нанокристаллов кремния размером 8 нм. Исследования показали, что в зависимости от длины волны и плотности энергии лазерных импульсов средний размер нанокристаллов может составлять от 4 до 10 нм.
Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) был исследован химический состав пленок гидрогенизированного аморфного кремния, модифицированного фемтосекундными лазерными импульсами с W более 260 мДж/см2. Часть спектра РФЭС, соответствующая Si 2р орбиталям необлученной пленки a-Si:H и пленки, облученной с W=260 мДж/см2, представлена на Фиг. 3. Из литературных данных известно, что энергия связи Si 2р электронов в объемном кристаллическом кремнии равна 99.5 эВ, а энергия связи Si 2р электронов в матрице SiO2 приблизительно составляет 104 эВ [Grunthaner F.J., Grunthaner P.J., Vasquez R.P., Lewis B.F., Maserjian J., Madhukar A. // Phys. Rev. Lett. 1979. V. 43. P. 1683]. Чтобы избежать в исследованиях учета естественного оксидного слоя, с поверхности необлученной пленки a-Si:H ионами Ar был стравлен слой толщиной в 4 нм. После этого анализ спектра РФЭС необлученной пленки показал (Фиг. 3, штриховая линия), что она состоит только из атомов кремния. В то же время содержание SiO2 в пленке резко возрастает при ее облучении с W≥260 мДж/см2 (Фиг. 3, сплошная линия).
Анализ спектров РФЭС для пленок a-Si:H, облученных фемтосекундными лазерными импульсами W≥260 мДж/см2, показал, что более 90% атомов кремния окисляются при воздействии на них лазерными импульсами на воздухе. На Фиг. 4 представлена зависимость процентного состава неокисленных атомов кремния в пленках от плотности энергии лазерных импульсов.
Исследования показали, что обнаруженная люминесценция связана с дефектными состояниями на границе раздела между образующимися в процессе облучения нанокристаллами кремния и окружающим оксидом SiO2.
Следует отметить, что при облучении пленок a-Si:H фемтосекундным лазерным излучением с плотностью энергии, превышающей 260 мДж/см2, происходит также существенное изменение морфологии поверхности пленок, а именно резкий рост ее шероховатости (Фиг. 5). Высота образующихся неровностей изменяется в пределах от 200 до 400 нм. Это приводит к уменьшению отражения пленок a-Si:H, при их облучении с W≥260 мДж/см2. Данный факт также полезен для использования в солнечной энергетике, поскольку подвергнутый фемтосекундной лазерной обработке слой a-Si:H позволяет «собрать» больше падающего солнечного света за счет уменьшения отражения.
Следует также отметить, что данный способ облучения пленок аморфного кремния с использованием фемтосекундных лазерных импульсов можно использовать для формирования локально расположенных люминесцентных слоев на поверхности солнечных элементов на основе a-Si:H, поскольку диаметр лазерного пучка в сечении пленки составляет порядка 15 мкм.
Известно, что при уменьшении длины волны падающего излучения его проникающая способность уменьшается. Для a-Si:H межзонное поглощение падающего излучения начинается на длине волны λ=600-700 нм и при λ=500 нм составляет несколько сотен нанометров [см., например, М. Бродски. Аморфные полупроводники. Изд-во «Мир», М., 1982]. Поэтому при уменьшении длины волны падающего фемтосекундного излучения можно уменьшать толщину переизлучающего слоя. Нами регистрировалось заметное переизлучение ультрафиолета в видимый диапазон на пленках a-Si:H, подвергнутых фемтосекундному лазерному облучению с длиной волны вплоть до 500 нм.
Таким образом, слои аморфного гидрогенизированного кремния, подвергнутые облучению фемтосекундными лазерными импульсами с большой плотностью энергии, можно использовать для переизлучения ультрафиолетовой части солнечного спектра в эффективно преобразуемый солнечным элементом на основе a-Si:H видимый свет. Кроме того, поверхность переизлучаемого слоя при таком методе создания получается текстурированной и приводит к увеличению поглощения падающего излучения. Тем самым при использовании заявляемого материала в качестве переизлучающего слоя тонкопленочных солнечных преобразователей можно добиться повышения их КПД.
Claims (6)
1. Способ получения переизлучающих текстурированных тонких пленок на основе аморфного гидрогенизированного кремния с нанокристаллами кремния, включающий получение тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния, которые обрабатывают в атмосфере воздуха фемтосекундными лазерными импульсами с центральной длиной волны излучения 500-1100 нм, частотой повторения импульсов 50-500 кГц, длительностью импульсов 100-500 фс и плотностью энергии лазерных импульсов 260-500 мДж/см2.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пленки аморфного гидрогенизированного кремния получают методом плазмохимического осаждения из газовой смеси моносилана и аргона.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пленки аморфного гидрогенизированного кремния получают методом ионного распыления кремния.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пленки аморфного гидрогенизированного кремния получают методом термического разложения моносилана.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость сканирования составляет от 1 до 10 мм/с.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что размер получаемых нанокристаллов кремния от 4 до 10 нм.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015152271A RU2619446C1 (ru) | 2015-12-07 | 2015-12-07 | Способ получения переизлучающих текстурированных тонких пленок на основе аморфного гидрогенизированного кремния с нанокристаллами кремния |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015152271A RU2619446C1 (ru) | 2015-12-07 | 2015-12-07 | Способ получения переизлучающих текстурированных тонких пленок на основе аморфного гидрогенизированного кремния с нанокристаллами кремния |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2619446C1 true RU2619446C1 (ru) | 2017-05-15 |
Family
ID=58715953
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015152271A RU2619446C1 (ru) | 2015-12-07 | 2015-12-07 | Способ получения переизлучающих текстурированных тонких пленок на основе аморфного гидрогенизированного кремния с нанокристаллами кремния |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2619446C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114678431A (zh) * | 2022-03-21 | 2022-06-28 | 上海集成电路制造创新中心有限公司 | 一种光电探测器的制备方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2431215C1 (ru) * | 2010-06-02 | 2011-10-10 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) | Способ получения слоя поликристаллического кремния |
| CN101866836B (zh) * | 2010-05-28 | 2012-03-28 | 常州大学 | 一种纳米硅量子点的制备方法及在薄膜太阳电池中的应用 |
| UA72667U (ru) * | 2012-02-15 | 2012-08-27 | Государственное Предприятие "Государственный Научно-Исследовательский Центр "Фонон" | СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ наноструктурированных пленок аморфного кремния для солнечных элементов |
| US20130020297A1 (en) * | 2005-12-21 | 2013-01-24 | University of Virginia Patent Foundation, d/b/a University of Virginia Licensing & Ventures Group | Systems and methods of laser texturing of material surfaces and their applications |
| US20130168826A1 (en) * | 2011-09-30 | 2013-07-04 | Sionyx, Inc. | Laser system with polarized oblique incidence angle and associated methods |
-
2015
- 2015-12-07 RU RU2015152271A patent/RU2619446C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130020297A1 (en) * | 2005-12-21 | 2013-01-24 | University of Virginia Patent Foundation, d/b/a University of Virginia Licensing & Ventures Group | Systems and methods of laser texturing of material surfaces and their applications |
| CN101866836B (zh) * | 2010-05-28 | 2012-03-28 | 常州大学 | 一种纳米硅量子点的制备方法及在薄膜太阳电池中的应用 |
| RU2431215C1 (ru) * | 2010-06-02 | 2011-10-10 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) | Способ получения слоя поликристаллического кремния |
| US20130168826A1 (en) * | 2011-09-30 | 2013-07-04 | Sionyx, Inc. | Laser system with polarized oblique incidence angle and associated methods |
| UA72667U (ru) * | 2012-02-15 | 2012-08-27 | Государственное Предприятие "Государственный Научно-Исследовательский Центр "Фонон" | СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ наноструктурированных пленок аморфного кремния для солнечных элементов |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114678431A (zh) * | 2022-03-21 | 2022-06-28 | 上海集成电路制造创新中心有限公司 | 一种光电探测器的制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6238373B2 (ja) | 半導体用途のための結晶化処理 | |
| KR101649165B1 (ko) | 광전 변환 장치 모듈 및 광전 변환 장치 모듈의 제작 방법 | |
| CN101877368B (zh) | 光电转换装置及其制造方法 | |
| US8557040B2 (en) | Systems and methods for preparation of epitaxially textured thick films | |
| WO2009100015A2 (en) | Engineering flat surfaces on materials doped via pulsed laser irradiation | |
| Zuev et al. | Fabrication of black multicrystalline silicon surface by nanosecond laser ablation | |
| Bellucci et al. | Optimization of black diamond films for solar energy conversion | |
| RU2619446C1 (ru) | Способ получения переизлучающих текстурированных тонких пленок на основе аморфного гидрогенизированного кремния с нанокристаллами кремния | |
| Amasev et al. | Anisotropy of optical, electrical, and photoelectrical properties of amorphous hydrogenated silicon films modified by femtosecond laser irradiation | |
| RU2667689C2 (ru) | Способ получения гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний для солнечных элементов и солнечный элемент с таким гетеропереходом | |
| Ma et al. | The light-emitting properties of Ge nanocrystals grown by pulsed laser deposition | |
| RU2815653C1 (ru) | Способ формирования ячейки солнечной батареи | |
| Vidhya et al. | Influence of Laser Beam Profile on Nd^ sup 3+^: YAG Laser Assisted Formation of Polycrystalline-Si Films in Underwater Conditions | |
| KR101075149B1 (ko) | 태양전지 및 그 제조방법 | |
| Palani | Investigation on production of highly textured Sb doped polycrystalline silicon using solid state Nd: YAG laser for photovoltaic application | |
| Abed et al. | Study the effect of CO2 laser annealing on silicon nanostructures | |
| Slaoui et al. | Laser processing for thin film crystalline silicon solar cells | |
| Cherkova et al. | Phase separation as a basis for the formation of light-emitting silicon nanoclusters in SiO x films irradiated with swift heavy ions | |
| Volodin et al. | Laser pulse crystallization and optical properties of Si/SiO2 and Si/Si3N4 multilayer nano-heterostructures | |
| Sarnet et al. | Black silicon recent improvements for photovoltaic cells | |
| RU2649223C1 (ru) | Способ получения наномодифицированной структуры на поверхности кремния | |
| Lozynsky et al. | Pulsed Laser Growth of ZnO-Carbon Nanocomposite Thin Films | |
| Haider et al. | Effect of laser energy density on ZnO/α-Al2O3 of films grown by pulsed laser deposition | |
| Rani et al. | Impact of fabrication of pyramidal structure on silicon wafer surface in ZnO/Si heterojunction | |
| Koshevoi et al. | Investigation of the Phase Composition and Morphology of Silicon Structures by Using the Raman Spectroscopy to Determine the Parameter of Crystallinity |