RU2667689C2 - Method for producing nanocrystalline silicon/amorphous hydrogenated silicon heterojunction for solar elements and solar element with such heterojunction - Google Patents

Method for producing nanocrystalline silicon/amorphous hydrogenated silicon heterojunction for solar elements and solar element with such heterojunction Download PDF

Info

Publication number
RU2667689C2
RU2667689C2 RU2016152065A RU2016152065A RU2667689C2 RU 2667689 C2 RU2667689 C2 RU 2667689C2 RU 2016152065 A RU2016152065 A RU 2016152065A RU 2016152065 A RU2016152065 A RU 2016152065A RU 2667689 C2 RU2667689 C2 RU 2667689C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silicon
amorphous hydrogenated
heterojunction
film
hydrogenated silicon
Prior art date
Application number
RU2016152065A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2016152065A (en
RU2016152065A3 (en
Inventor
Павел Константинович Кашкаров
Андрей Георгиевич Казанский
Павел Анатольевич Форш
Денис Михайлович Жигунов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority to RU2016152065A priority Critical patent/RU2667689C2/en
Publication of RU2016152065A publication Critical patent/RU2016152065A/en
Publication of RU2016152065A3 publication Critical patent/RU2016152065A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2667689C2 publication Critical patent/RU2667689C2/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B1/00Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/0248Semiconductor 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 characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/036Semiconductor 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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • H01L31/0376Semiconductor 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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including amorphous semiconductors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/04Semiconductor 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 adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06Semiconductor 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 adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier
    • H01L31/075Semiconductor 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 adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PIN type
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/18Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/20Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof such devices or parts thereof comprising amorphous semiconductor materials
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/548Amorphous silicon PV cells

Abstract

FIELD: electronic equipment; optics.SUBSTANCE: invention relates to the field of optoelectronic technology and can be used to create cheap and effective solar cells based on layers of amorphous hydrogenated silicon. Method for producing a nanocrystalline silicon/amorphous hydrogenated silicon heterojunction in a sample consisting of a film of amorphous hydrogenated silicon, deposited on a quartz substrate, involves irradiating the sample with femtosecond laser pulses in a vacuum at a pressure of not more than 2⋅10–2 mbar, with a central emission wavelength of 257–680 nm, a pulse repetition rate of 20–500 kHz, a pulse duration of 30–500 fs, and an energy density of laser pulses of 4–500 mJ/cm. To obtain a solar cell, the nanocrystalline silicon/amorphous hydrogenated silicon heterojunction obtained by the method described above is made on a quartz substrate with a transparent conductive sublayer, and a metal electrode (aluminum, gold or magnesium) is thermally deposited on top. Achieved properties of solar cells will eventually result in higher values (in comparison with solar cells based on a-Si:H) of the photovoltaic parameters (the following values can be achieved: photoconversion efficiency – 14 %, the open circuit voltage – 0.68 V, short-circuit current – 36.5 mA/cm).EFFECT: technical result achieved by using the claimed group of inventions is to provide increased stability of electrical and photoelectric properties under illumination, increased mobility of charge carriers, increased efficiency and relative cheapness in its manufacture (in comparison with solar cells made of crystalline silicon).9 cl, 3 tbl, 4 ex, 9 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Группа изобретений относится к области фотовольтаики и может быть использована для создания эффективных тонкопленочных солнечных элементов на основе гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний. В частности, группа изобретений относится к способу получения гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний и солнечному элементу, содержащему слой с гетеропереходом, выполненным вышеуказанным способом.The group of inventions relates to the field of photovoltaics and can be used to create effective thin-film solar cells based on a nanocrystalline silicon / amorphous hydrogenated silicon heterojunction. In particular, the group of inventions relates to a method for producing a heterojunction of nanocrystalline silicon / amorphous hydrogenated silicon and to a solar cell containing a heterojunction layer made by the above method.

Уровень техникиState of the art

В последнее время внимание исследователей привлекают микро- и нанокристаллический кремний - перспективные материалы с точки зрения их использования в тонкопленочных электронных приборах. Эти материалы имеют структуру схожую со структурой аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H), однако, в отличие от последнего, они содержат гранулы кристаллического кремния, окруженные аморфной кремниевой матрицей. Размер и концентрация этих гранул определяет тип материала: при большой доле кристаллической фазы Si в аморфном кремнии говорят о нанокристаллическом (nc-Si) или микрокристаллическом кремнии (μc-Si), в противном случае материал называют полиморфным или протокристаллическим кремнием. К достоинствам этих материалов можно отнести повышенную по сравнению с a-Si:H стабильность их электрических и фотоэлектрических свойств при освещении (подавление эффекта Стеблера-Вронского), а также увеличение подвижности носителей заряда за счет наличия кристаллических включений. Поэтому использование микро- и нанокристаллического кремния вместо a-Si:H в тонкопленочных приборах может значительно улучшить их характеристики, в частности, увеличить КПД солнечных элементов. По сравнению с кристаллическим кремнием преимуществом материалов μс-Si и nc-Si является их относительная дешевизна изготовления, так как для этого могут применяться те же традиционные методы низкотемпературного осаждения, что и в случае a-Si:H.Recently, the attention of researchers has been attracted to micro- and nanocrystalline silicon - promising materials from the point of view of their use in thin-film electronic devices. These materials have a structure similar to that of amorphous hydrogenated silicon (a-Si: H), however, unlike the latter, they contain crystalline silicon granules surrounded by an amorphous silicon matrix. The size and concentration of these granules determines the type of material: with a large fraction of the crystalline phase of Si in amorphous silicon, one speaks of nanocrystalline (nc-Si) or microcrystalline silicon (μc-Si), otherwise the material is called polymorphic or protocrystalline silicon. The advantages of these materials include increased stability of their electrical and photoelectric properties compared to a-Si: H under illumination (suppression of the Stebler-Wronsky effect), as well as an increase in the mobility of charge carriers due to the presence of crystalline inclusions. Therefore, the use of micro- and nanocrystalline silicon instead of a-Si: H in thin-film devices can significantly improve their characteristics, in particular, increase the efficiency of solar cells. Compared to crystalline silicon, the advantage of μc-Si and nc-Si materials is their relatively low cost of manufacture, since the same traditional methods of low-temperature deposition can be used for this as in the case of a-Si: H.

Использование импульсного лазерного излучения с длительностью импульсов в фемтосекундном диапазоне для модификации структуры материалов имеет определенные преимущества перед нано- и пикосекундным режимами. В частности, сверхкороткие (фемтосекундные) лазерные импульсы приводят к сугубо локальной модификации области воздействия, при этом окружающие участки не затрагиваются [А.С. Елшин, Н.Ю. Фирсова, М.А. Марченкова, В.И. Емельянов, И.П. Пронин, С.В. Сенкевич, Е.Д. Мишина, А.С. Сигов // Письма в ЖТФ, 2015, том 41, вып. 9, с. 16-23]. Кроме того, в случае необходимости кристаллизации тонких пленок, нанесенных на подложку, минимизируется разогрев подложки за счет практически полного поглощения излучения пленкой и короткого времени ее остывания, что значительно снижает диффузию тепла из пленки [Т.Т. Корчагина, В.А. Володин, B.N. Chichkov // Физика и техника полупроводников, 2010, том 44, вып. 12, с. 1660-1665].The use of pulsed laser radiation with a pulse duration in the femtosecond range to modify the structure of materials has certain advantages over nano- and picosecond modes. In particular, ultrashort (femtosecond) laser pulses lead to a purely local modification of the area of influence, while the surrounding areas are not affected [A.S. Elshin, N.Yu. Firsova, M.A. Marchenkova, V.I. Emelyanov, I.P. Pronin, S.V. Senkevich, E.D. Mishina, A.S. Sigov // Letters in ZhTF, 2015, Volume 41, no. 9, p. 16-23]. In addition, if it is necessary to crystallize thin films deposited on a substrate, heating of the substrate is minimized due to the almost complete absorption of radiation by the film and its short cooling time, which significantly reduces heat diffusion from the film [T.T. Korchagina, V.A. Volodin, B.N. Chichkov // Physics and Technology of Semiconductors, 2010, Volume 44, Issue. 12, p. 1660-1665].

Метод фемтосекундного лазерного отжига позволяет локально модифицировать структуру аморфного кремния за счет полной или частичной кристаллизации облучаемой области. В первом случае под действием лазерного излучения происходит фазовый переход с формированием слоя поликристаллического кремния. Этот метод описан, в частности, в патенте RU 2431215 С1 (опубликовано 10.10.2011, кл. H01L 21/268, В82В 3/00). Согласно изобретению слой аморфного кремния, расположенного на подложке стекла или кремния со слоем диоксида кремния, подвергают кристаллизации посредством лазерной обработки с использованием импульсного излучения фемтосекундного диапазона длительностью от 30 до 120 фс. Длина волны и плотность энергии подбираются такими, чтобы вызывать в аморфном кремнии фазовый переход кристаллизации, стимулированный электрон-дырочной плазмой и характеризуемый отсутствием передачи энергии подложке. Плотность энергии от 20 до 150 мДж/см2 и длина волны излучения, выбираемая от 390 до 810 нм, обуславливают при заданной толщине слоя аморфного кремния от 20 до 130 нм формирование сплошного нанокристаллического слоя на участке воздействия излучения.The femtosecond laser annealing method allows locally modifying the structure of amorphous silicon due to the complete or partial crystallization of the irradiated region. In the first case, under the action of laser radiation, a phase transition occurs with the formation of a layer of polycrystalline silicon. This method is described, in particular, in patent RU 2431215 C1 (published on 10/10/2011, CL H01L 21/268, B82B 3/00). According to the invention, an amorphous silicon layer located on a glass or silicon substrate with a silicon dioxide layer is subjected to crystallization by laser treatment using pulsed femtosecond radiation from 30 to 120 fs. The wavelength and energy density are selected so as to induce a crystallization phase transition in amorphous silicon, stimulated by an electron-hole plasma and characterized by the absence of energy transfer to the substrate. An energy density of 20 to 150 mJ / cm 2 and a radiation wavelength selected from 390 to 810 nm determine the formation of a continuous nanocrystalline layer in the radiation exposure section for a given amorphous silicon layer thickness of 20 to 130 nm.

При соответствующем выборе параметров фемтосекундного лазерного излучения возможна частичная кристаллизация аморфного кремния с формированием кристаллических гранул кремния в облучаемой области [Choi T.Y., Hwang D.J., Griporopoulos С.Р. // Optical Engineering. 2003. V. 42. P. 3383; 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; 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]. В зависимости от условий воздействия размер этих гранул может меняться в широких пределах от ~50 до ~800 нм. Отметим, что практически во всех работах использовался титан-сапфировый лазер длиной волны 800 нм. Известен также способ формирования 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). Авторы предлагают использовать для кристаллизации пленок аморфного кремния эффект интерференции двух лучей фемтосекундного лазера с длиной волны в диапазоне от 400 до 800 нм, длительностью импульса 5-150 фс, энергией в импульсе от 0,1 до 20 мкДж и частотой повторения импульсов от 2 до 100 Гц. Способ основан на последовательном послойном сканировании приготовленной методом плазмохимического осаждения из газовой фазы пленки аморфного кремния, в результате чего формируется массив упорядоченных кристаллических гранул с контролируемым размером от 30 до 50 нм. Полученный материал предлагается использовать в качестве элемента тонкопленочных солнечных батарей (как один из слоев в многослойной структуре) для повышения эффективности их работы. К недостаткам приведенного технического решения относится усложнение методики кристаллизации аморфного кремния за счет применения интерференционного эффекта. Кроме того, для создания на его основе солнечного элемента необходимо проработать вопрос о том, какие другие активные слои будут комбинироваться с предлагаемым материалам и каким образом они будут получаться.With the appropriate choice of the parameters of femtosecond laser radiation, partial crystallization of amorphous silicon is possible with the formation of crystalline silicon granules in the irradiated region [Choi T.Y., Hwang D.J., Griporopoulos S.R. // Optical Engineering. 2003. V. 42. P. 3383; 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; 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]. Depending on the exposure conditions, the size of these granules can vary over a wide range from ~ 50 to ~ 800 nm. Note that in almost all works, a titanium-sapphire laser with a wavelength of 800 nm was used. There is also known a method of forming silicon quantum dots in amorphous silicon, described in patent CN 101866836 B (published on October 20, 2010, CL H01L 21/205; H01L 21/268; H01L 31/20). The authors propose using for the crystallization of amorphous silicon films the interference effect of two beams of a femtosecond laser with a wavelength in the range from 400 to 800 nm, a pulse duration of 5-150 fs, an pulse energy of 0.1 to 20 μJ and a pulse repetition rate of 2 to 100 Hz The method is based on sequential layer-by-layer scanning of a film of amorphous silicon prepared by the method of plasma-chemical deposition from the gas phase, as a result of which an array of ordered crystalline granules with a controlled size of 30 to 50 nm is formed. The resulting material is proposed to be used as an element of thin-film solar cells (as one of the layers in a multilayer structure) to increase their efficiency. The disadvantages of the technical solution include the complication of the crystallization method of amorphous silicon due to the use of the interference effect. In addition, to create a solar cell based on it, it is necessary to study the question of what other active layers will be combined with the proposed materials and how they will be obtained.

Необходимым элементом солнечной батареи является фотопреобразователь, построенный на основе одного или нескольких p-n-переходов. Последние могут быть как гомогенными, т.е. представляющие собой части одного и того же полупроводника с различным уровнем донорных и акцепторных примесей, так и гетерогенными, т.е. состоящими из двух различных материалов. Использование гетерогенных переходов (гетеропереходов) представляет сейчас наибольший интерес в микро- и оптоэлектронике, так как позволяет создавать уникальные по своим свойствам элементы перспективных устройств.A necessary element of a solar battery is a photoconverter, based on one or more p-n junctions. The latter can be both homogeneous, i.e. which are parts of the same semiconductor with different levels of donor and acceptor impurities, and heterogeneous, i.e. consisting of two different materials. The use of heterogeneous transitions (heterojunctions) is now of greatest interest in micro- and optoelectronics, as it allows you to create unique in their properties elements of promising devices.

Использование композитной структуры из аморфной и нанокристаллической фаз различных материалов неоднократно предлагалось ранее для создания гетеропереходов солнечных элементов. В частности, в патенте RU 2568421 С1 (опубликовано 20.11.2015, кл. H01L 31/06, В82В 1/00,) описан солнечный элемент на основе гетероструктуры смешанный аморфный и нанокристаллический нитрид кремния/кремний р-типа. Однопереходной солнечный элемент включает подложку из кремния р-типа Si(100) предварительно обработанную плавиковой кислотой HF. На верхней стороне подложки расположен слой пленки n-типа толщиной 4-5 нм из аморфного нитрида кремния смешанного с нитридом кремния нанокристаллической структуры, нанесенный методом магнетронного напыления в аргоне из твердотельной мишени Si3N4. Электрические контакты из Ag либо Сu сформированы методом магнетронного напыления. Изобретение обеспечивает эффективность 7,41% без дополнительных просветляющих, защитных или каких-либо других слоев и без применения концентраторов солнечного излучения.The use of a composite structure of amorphous and nanocrystalline phases of various materials has been repeatedly proposed previously to create heterojunctions of solar cells. In particular, in patent RU 2568421 C1 (published on November 20, 2015, CL H01L 31/06, B82B 1/00,) a solar cell based on a heterostructure describes mixed amorphous and nanocrystalline silicon nitride / p-type silicon nitride. The single junction solar cell includes a p-type silicon substrate Si (100) pretreated with hydrofluoric acid HF. On the upper side of the substrate, there is a layer of an n-type film 4–5 nm thick made of amorphous silicon nitride mixed with silicon nitride of a nanocrystalline structure deposited by magnetron sputtering in argon from a solid state target Si 3 N 4 . Ag or Cu electrical contacts are formed by magnetron sputtering. The invention provides an efficiency of 7.41% without additional antireflective, protective or any other layers and without the use of solar radiation concentrators.

В качестве аналогов к заявляемому техническому решению выявлены солнечные элементы, техническая сущность которых раскрыта в публикациях US 20090071539 А1 (опубликовано 19.03.2009, кл. H01L 31/00) и US 20070272297 А1 (опубликовано 29.11.2007, кл. Н01L 31/00).As analogues to the claimed technical solution, solar cells have been identified whose technical essence is disclosed in publications US 20090071539 A1 (published March 19, 2009, class H01L 31/00) and US 20070272297 A1 (published on 11/29/2007, class H01L 31/00) .

В US 20090071539 А1 описан солнечный элемент, изготовленный с использованием композитной тонкой пленки из аморфного и нанокристаллического кремния и способ его изготовления. Композитные тонкие пленки из аморфного и нанокристаллического кремния получают диспергированием наночастиц кремния в прекурсоре из жидкого кремния. Полученную дисперсию используют для покрытия подложки стандартными способами, либо переносят на подложку методом печати. Последующий нагрев подложки с нанесенной пленкой из аморфного и нанокристаллического кремния применяется для преобразования прекурсора из жидкого кремния в аморфный кремний. Отличительной особенностью данного изобретения является отсутсвие необходимости использования дорогостоящего оборудования для получения композитных тонких пленок из аморфного и нанокристаллического кремния. Кроме того, описанный метод позволяет получать композитные пленки, состоящие из множественных материалов с различными энергиями запрещенных зон, что может заметно улучшить эффективность преобразования энергии солнечного элемента, полученного из раствора жидкого прекурсора и нанокристаллических частиц, характеризуемого низкой стоимостью изготовления. К недостаткам приведенного технического решения относятся сложность процесса переноса обладающей высокой температурой дисперсии из жидкого кремния с наночастицами кремния (температура плавления кремния свыше 1400°С) на подложку, а также необходимость последующего нагрева подложки.US20090071539 A1 describes a solar cell made using a composite thin film of amorphous and nanocrystalline silicon and a method for its manufacture. Composite thin films of amorphous and nanocrystalline silicon are obtained by dispersing silicon nanoparticles in a liquid silicon precursor. The resulting dispersion is used to coat the substrate by standard methods, or transferred to the substrate by printing. Subsequent heating of the substrate with a deposited film of amorphous and nanocrystalline silicon is used to convert the precursor from liquid silicon to amorphous silicon. A distinctive feature of this invention is the lack of the need for expensive equipment to obtain composite thin films of amorphous and nanocrystalline silicon. In addition, the described method allows one to obtain composite films consisting of multiple materials with different bandgap energies, which can significantly improve the energy conversion efficiency of a solar cell obtained from a solution of a liquid precursor and nanocrystalline particles, characterized by a low manufacturing cost. The disadvantages of the above technical solution include the complexity of the process of transferring a high-temperature dispersion of liquid silicon with silicon nanoparticles (silicon melting point above 1400 ° C) onto the substrate, as well as the need for subsequent heating of the substrate.

В US 20070272297 А1 описано сходное техническое решение, посвященное разупорядоченным нанокомпозитным структурам на основе кремния для фотовольтаики, солнечных элементов и светоизлучающих устройств. Описываются нанокомпозитные структуры, включая слоистые р-n и p-i-n гомо- и гетеропереходы, состоящие из полупроводниковых наночастиц, таких как коллоидные полупроводниковые нанокристаллы, наностержни, нанопроволоки, нанотрубки и т.д., в которых хотя бы один из слоев изготовлен из гидрогенизированного аморфного или микрокристаллического/нанокристаллического кремния или их сплавов, полученных низкотемпературными методами осаждения такими как плазменно-химическое осаждение из газовой фазы для предотвращения деградации физических свойств наночастиц. Собственный, а также р- или n-типа нанокомпозитный слой кремния, содержащий разупорядоченные внедренные наночастицы, находящиеся в прямом электрическом контакте с кремниевой матрицей, может быть изготовлен на основе гидрогенизированного аморфного кремния, микрокристаллического кремния или их сплавов, включая гидрогенизированные кремний-германий и карбид кремния. Предложеная технология, включающая низкотемпературный (75-250°С) процесс плазменно-химического осаждения из газовой фазы, позволяет внедрять наночастицы в полупроводниковую матрицу без деградации их физических свойств, неизбежной при высокотемпературных методах. Это решает проблему прямого электрического контакта между матрицей и наночастицами. Более того, энергетическая структура, включая ширину и положение запрещенной зоны расплава аморфного и микрокристаллического кремния, может контролироваться в широких пределах от примерно 1,2 до более чем 3 эВ за счет изменения состава расплава. Это, согласно мнению авторов патента, позволяет оптимизировать фотовольтаические свойства материала, а также варьировать параметры соответствующих светоизлучающих устройств в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. Данное техническое решение принято за прототип.US 20070272297 A1 describes a similar technical solution dedicated to disordered silicon-based nanocomposite structures for photovoltaics, solar cells, and light-emitting devices. Nanocomposite structures are described, including layered pn and pin homo- and heterojunctions consisting of semiconductor nanoparticles, such as colloidal semiconductor nanocrystals, nanorods, nanowires, nanotubes, etc., in which at least one of the layers is made of hydrogenated amorphous or microcrystalline / nanocrystalline silicon or their alloys obtained by low-temperature deposition methods such as plasma-chemical vapor deposition to prevent degradation of physical properties in nanoparticles. An intrinsic, as well as p- or n-type nanocomposite silicon layer containing disordered embedded nanoparticles in direct electrical contact with the silicon matrix can be made on the basis of hydrogenated amorphous silicon, microcrystalline silicon, or their alloys, including hydrogenated silicon-germanium and carbide silicon. The proposed technology, which includes a low-temperature (75-250 ° С) process of plasma-chemical deposition from the gas phase, allows nanoparticles to be embedded in a semiconductor matrix without degradation of their physical properties, which is inevitable with high-temperature methods. This solves the problem of direct electrical contact between the matrix and nanoparticles. Moreover, the energy structure, including the width and position of the forbidden zone of the melt of amorphous and microcrystalline silicon, can be controlled over a wide range from about 1.2 to more than 3 eV due to changes in the composition of the melt. This, according to the authors of the patent, allows to optimize the photovoltaic properties of the material, as well as to vary the parameters of the corresponding light-emitting devices in a wide spectral range from ultraviolet to near infrared. This technical solution is taken as a prototype.

Однако в данном техническом решении отсутствует прямое указание на конкретный способ включения полупроводниковых наночастиц в кремниевую матрицу, поскольку упомянутый метод плазменно-химического осаждения из газовой фазы характеризуется множеством параметров и позволяет получать широкий спектр веществ, однако формирование наночастиц возможно только при соблюдении строго определенной процедуры, не описанной тем не менее в самом патенте.However, in this technical solution there is no direct indication of a specific method for incorporating semiconductor nanoparticles into a silicon matrix, since the mentioned method of plasma-chemical deposition from the gas phase is characterized by many parameters and allows to obtain a wide range of substances, however, the formation of nanoparticles is possible only if a strictly defined procedure is observed, not described nevertheless in the patent itself.

Технической проблемой является создание солнечного элемента выполненного на основе гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний при формировании этого гетероперехода посредством облучения лазерными импульсами.The technical problem is the creation of a solar cell made on the basis of a heterojunction nanocrystalline silicon / amorphous hydrogenated silicon during the formation of this heterojunction through irradiation with laser pulses.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемой группы изобретений, является обеспечение повышенной стабильности электрических и фотоэлектрических свойств при освещении, увеличенной подвижности носителей заряда, повышенной эффективностью и относительной дешевизной при его изготовлении (в сравнении с солнечными элементами из кристаллического кремния). Данные свойства солнечных элементов позволят в итоге получать повышенные (по сравнению с солнечными элементами на основе a-Si:H) значения фотовольтаических параметров (могут быть достигнуты следующие значения: КПД фотопреобразования - 14%, напряжение холостого хода - 0,68 В, ток короткого замыкания - 36,5 мА/см2).The technical result achieved by using the claimed group of inventions is to provide increased stability of electrical and photoelectric properties under lighting, increased mobility of charge carriers, increased efficiency and relative cheapness in its manufacture (in comparison with solar cells made of crystalline silicon). These properties of solar cells will ultimately produce higher (compared to a-Si: H based solar cells) photovoltaic parameters (the following values can be achieved: photoconversion efficiency - 14%, open circuit voltage - 0.68 V, short-circuit current short circuit - 36.5 mA / cm 2 ).

Техническая проблема решается за счет способа получения гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний в образце, представляющем собой пленку аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенную на кварцевую подложку, включающего облучение образца фемтосекундными лазерными импульсами в вакууме при давлении не более 2⋅10-2 мбар, с центральной длиной волны излучения 257-680 нм, частотой повторения импульсов 20-500 кГц, длительностью импульсов 30-500 фс и плотностью энергии лазерных импульсов 4-500 мДж/см2.The technical problem is solved by the method of producing a heterojunction nanocrystalline silicon / amorphous hydrogenated silicon in a sample, which is a film of amorphous hydrogenated silicon, deposited on a quartz substrate, including irradiation of the sample with femtosecond laser pulses in vacuum at a pressure of no more than 2-10 -2 mbar, with a central a radiation wavelength of 257-680 nm, a pulse repetition rate of 20-500 kHz, a pulse duration of 30-500 fs, and a laser pulse energy density of 4-500 mJ / cm 2 .

Нанесение пленки на кварцевую подложку может быть выполнено посредством плазмохимического осаждения слоя аморфного гидрогенизированного кремния на кварцевую подложку.The film deposition on a quartz substrate can be performed by plasma-chemical deposition of a layer of amorphous hydrogenated silicon on a quartz substrate.

В качестве пленок возможно использовать пленки, полученные методом ионного распыления кремния.As films, it is possible to use films obtained by ion sputtering of silicon.

В качестве пленок возможно использовать пленки, полученные методом термического разложения моносилана.As films, it is possible to use films obtained by the thermal decomposition of monosilane.

Облучение образца лазерными импульсами возможно осуществить посредством сканирования сфокусированным пучком при скорости сканирования от 1 до 10 мм/с.It is possible to irradiate a sample with laser pulses by scanning with a focused beam at a scanning speed of 1 to 10 mm / s.

Расстояние между центрами сканированных полос составляет 40 мкм, а шаг сканирования выбирают таким образом, чтобы перекрытие лазерных пучков от соседних полос составляло не менее 80%.The distance between the centers of the scanned bands is 40 μm, and the scanning step is chosen so that the overlap of the laser beams from adjacent bands is at least 80%.

Диаметр пучка варьируют от 20 до 100 мкм.The diameter of the beam varies from 20 to 100 microns.

Техническая проблема также решается за счет солнечного элемента, содержащего:The technical problem is also solved by a solar cell containing:

- слой с гетеропереходом нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний, полученный в соответствии с вышеизложенным способом, выполненный на пленке аморфного гидрогенизированного кремния и нанесенный на кварцевую подложку;- heterojunction layer nanocrystalline silicon / amorphous hydrogenated silicon, obtained in accordance with the above method, made on a film of amorphous hydrogenated silicon and deposited on a quartz substrate;

- нанесенный на этот слой металлический электрод;- a metal electrode deposited on this layer;

- и проводящий прозрачный подслой, нанесенный на кварцевую подложку.- and a conductive transparent sublayer deposited on a quartz substrate.

Металлический электрод может быть выполнен из алюминия или золота или магния.The metal electrode may be made of aluminum or gold or magnesium.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг. 1 - схематичное изображение солнечного элемента, содержащего на кварцевой подложке с проводящим прозрачным подслоем (ITO) слой с гетеропереходом нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний, полученный в соответствии с заявляемым способом и нанесенным на этот слой металлическим электродом (А1).FIG. 1 is a schematic representation of a solar cell containing a nanocrystalline silicon / amorphous hydrogenated silicon heterojunction layer obtained on the silica substrate with a conductive transparent sublayer (ITO) obtained in accordance with the claimed method and a metal electrode deposited on this layer (A1).

Фиг. 2 - фотография пленки аморфного гидрогенизированного кремния из примера 1 на подложке кварца (1) до (2) и после (3) лазерной кристаллизации.FIG. 2 is a photograph of an amorphous hydrogenated silicon film from Example 1 on a quartz substrate (1) before (2) and after (3) laser crystallization.

Фиг. 3 - спектральные зависимости коэффициента поглощения для аморфного, нанокристаллического и монокристаллического кремния [A.V. Shah, Н. Schade, М. Vanecek, J. Meier, Е. Vallat-Sauvain, N. Wyrsch, U. Kroll, C. Droz and J. Bailat, Prog. Photovolt: Res. Appl., 2004, v. 12, p. 113].FIG. 3 - spectral dependences of the absorption coefficient for amorphous, nanocrystalline and single crystal silicon [A.V. Shah, N. Schade, M. Vanecek, J. Meier, E. Vallat-Sauvain, N. Wyrsch, U. Kroll, C. Droz and J. Bailat, Prog. Photovolt: Res. Appl., 2004, v. 12, p. 113].

Фиг. 4 - спектры комбинационного рассеяния света (КРС), снятые со стороны поверхности пленки и со стороны подложки, для пленки a-Si:H, облученной лазерными импульсами с длиной волны 515 нм.FIG. 4 - Raman spectra (Raman), taken from the side of the film surface and from the side of the substrate, for a-Si: H film irradiated with laser pulses with a wavelength of 515 nm.

Фиг. 5 - спектры КРС, снятые со стороны поверхности пленки и со стороны подложки для пленки a-Si:H, модифицированной (облученной) лазерными импульсами с длиной 1030 нм.FIG. 5 - Raman spectra taken from the side of the film surface and from the substrate side for a-Si: H film modified (irradiated) with laser pulses with a length of 1030 nm.

Фиг. 6 - распределение доли нанокристаллической фазы по толщине кремниевой пленки, модифицированной фемтосекундным лазерным излучением с длиной волны 515 нм и 1030 нм.FIG. 6 shows the distribution of the fraction of the nanocrystalline phase over the thickness of a silicon film modified by femtosecond laser radiation with a wavelength of 515 nm and 1030 nm.

Фиг. 7 - нагрузочные ВАХ для солнечных элементов, полученных при лазерном облучении с длинами волн: 300 нм (образец 1) и 600 нм (образец 2).FIG. 7 - load current-voltage characteristics for solar cells obtained by laser irradiation with wavelengths: 300 nm (sample 1) and 600 nm (sample 2).

Фиг. 8. - нагрузочные ВАХ для солнечных элементов, полученных при лазерном облучении с длительностью импульсов: 30 фс (образец 3) и 500 фс (образец 4).FIG. 8. - load current-voltage characteristics for solar cells obtained by laser irradiation with a pulse duration of 30 fs (sample 3) and 500 fs (sample 4).

Фиг. 9. - нагрузочные ВАХ для солнечных элементов, полученных при лазерном облучении с различной плотностью энергии: 5 мДж/см2 (образец 5) и 100 мДж/см2 (образец 6).FIG. 9. - load current-voltage characteristics for solar cells obtained by laser irradiation with different energy densities: 5 mJ / cm 2 (sample 5) and 100 mJ / cm 2 (sample 6).

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Для того, чтобы показать, каким образом длина волны кристаллизующего лазерного излучения влияет на структуру a-Si:H достаточно проанализировать спектры комбинационного рассеяния света (КРС) для двух длин волн: 515 и 1030 нм - см. Фиг. 3, на которой показаны спектральные зависимости коэффициента поглощения, гидрогенизированного аморфного, микрокристаллического и монокристаллического кремния. Фиг. 3 позволяет понять особенности использованных величин длин волн. Энергия кванта, соответствующая минимальной длине волны, (2,4 эВ) превышает ширину щели подвижности аморфного гидрогенизированного кремния (1.8 эВ). В то же время энергия кванта, соответствующая максимальной длине волны (1.2 эВ), практически совпадает с шириной запрещенной зоны кристаллического кремния (1.15 эВ). Соответственно, динамика процесса кристаллизации и формируемая в результате лазерной обработки структура зависят не только от использованной плотности лазерной энергии, но и от длины волны лазерных импульсов.In order to show how the wavelength of crystallizing laser radiation affects the a-Si: H structure, it is sufficient to analyze Raman spectra for two wavelengths: 515 and 1030 nm - see FIG. 3, which shows the spectral dependences of the absorption coefficient of hydrogenated amorphous, microcrystalline and single crystalline silicon. FIG. 3 allows you to understand the features of the used wavelengths. The quantum energy corresponding to the minimum wavelength (2.4 eV) exceeds the width of the mobility gap of amorphous hydrogenated silicon (1.8 eV). At the same time, the quantum energy corresponding to the maximum wavelength (1.2 eV) practically coincides with the band gap of crystalline silicon (1.15 eV). Accordingly, the dynamics of the crystallization process and the structure formed as a result of laser processing depend not only on the used laser energy density, but also on the wavelength of the laser pulses.

Отметим, что длина волны лазера, использованного для измерения спектров КРС, которые в свою очередь были использованы для оценки доли кристаллической фазы, составляла 488 нм. Согласно спектральным зависимостям коэффициента поглощения в аморфном гидрогенизированным кремнии, приведенным на Фиг. 3, такое излучение хорошо поглощается в аморфном кремнии. Использование значения коэффициента поглощения (а) для данной длины волны позволяет оценить глубину проникновения (d) зондирующего излучения в кремниевую пленку [I. de Wolf, Semicond. Sci. Technol., 1996, v. 11, p.139]:Note that the wavelength of the laser used to measure Raman spectra, which in turn were used to estimate the fraction of the crystalline phase, was 488 nm. According to the spectral dependences of the absorption coefficient in amorphous hydrogenated silicon, shown in FIG. 3, such radiation is well absorbed in amorphous silicon. Using the absorption coefficient (a) for a given wavelength allows us to estimate the penetration depth (d) of the probe radiation into the silicon film [I. de Wolf, Semicond. Sci. Technol., 1996, v. 11, p. 139]:

d=(2,3/2α),d = (2,3 / 2α),

которая составляет 50 нм. Целесообразно отметить, что согласно данным для коэффициента поглощения нанокристаллического кремния, представленным на Фиг. 1, кристаллизация поверхности пленки должна приводить к увеличению глубины зондирования структуры методом КРС до 200 нм. Тем не менее, использование при записи спектров КРС лазера с длиной волны 488 нм позволяет провести исследование распределения кристаллитов по толщине пленки для модифицированных пленок, полученных в результате их облучения фемтосекундным лазерным излучением с различной длиной волны. Для этого были проведены измерения КРС спектров, снятых на длине волны 488 нм как со стороны подложки, так и со стороны поверхности пленок. Измеренные спектры представлены на Фиг. 4 и Фиг. 5 для пленок, модифицированных фемтосекундным лазерным излучением с длиной волны λ=515 (Фиг. 4) и 1030 нм (Фиг. 5). Как отмечено выше анализ полученных спектров позволяет оценить структуру материала в слое толщиной ~50 нм, расположенном вблизи подложки или вблизи поверхности, соответственно. Как видно из Фиг. 4, для пленки, модифицированной фемтосекундным лазерным излучением с длиной волны 515 нм спектры КРС, снятые со стороны поверхности пленки и со стороны подложки существенно различаются. В спектре КРС, снятом со стороны поверхности пленки, наблюдается интенсивный пик около 520 см-1, который указывает на присутствие в приповерхностной структуре пленки значительной доли кристаллической фазы. В то же время спектр КРС, снятый со стороны кварцевой подложки соответствует спектру аморфного кремния. Таким образом, в случае лазерной модификации структуры излучением с длиной волны 515 нм происходит неравномерное по толщине пленки изменение ее структуры. Вблизи поверхности пленка кристаллизуется, в то время как структура пленки вблизи кварцевой подложки остается аморфной.which is 50 nm. It is worth noting that according to the data for the absorption coefficient of nanocrystalline silicon, presented in FIG. 1, crystallization of the film surface should lead to an increase in the depth of sounding of the structure by the Raman method to 200 nm. Nevertheless, the use of the Raman spectra of a laser with a wavelength of 488 nm allows us to study the distribution of crystallites over the film thickness for modified films obtained as a result of their irradiation with femtosecond laser radiation with different wavelengths. For this, we measured Raman spectra recorded at a wavelength of 488 nm both from the side of the substrate and from the side of the film surface. The measured spectra are shown in FIG. 4 and FIG. 5 for films modified by femtosecond laser radiation with a wavelength of λ = 515 (Fig. 4) and 1030 nm (Fig. 5). As noted above, the analysis of the obtained spectra allows one to evaluate the structure of the material in a layer ~ 50 nm thick located near the substrate or near the surface, respectively. As can be seen from FIG. 4, for a film modified by femtosecond laser radiation with a wavelength of 515 nm, the Raman spectra taken from the side of the film surface and from the side of the substrate are significantly different. In the Raman spectrum taken from the side of the film surface, an intense peak of about 520 cm −1 is observed, which indicates the presence of a significant fraction of the crystalline phase in the surface structure of the film. At the same time, the Raman spectrum taken from the side of the quartz substrate corresponds to the spectrum of amorphous silicon. Thus, in the case of laser modification of the structure by radiation with a wavelength of 515 nm, a change in its structure nonuniform in film thickness occurs. The film crystallizes near the surface, while the film structure near the quartz substrate remains amorphous.

Иные результаты получаются при модификации пленок фемтосекундным лазерным излучением с длиной волны 1030 нм. Как видно из Фиг. 5, спектры КРС, снятые как со стороны поверхности, так и со стороны кварцевой подложки совпадают друг с другом. Это свидетельствует о том, что образующиеся кристаллиты распределены равномерно по объему пленки. Различное распределения кристаллической фазы по толщине пленки при ее модификации излучением с длинной волны 515 и 1030 нм связано с различием в коэффициенте поглощения излучения с длиной волны 515 и 1030 нм. В последнем случае, поглощение, приводящее к кристаллизации пленок, определяется двухфотонными переходами, вероятность которых относительно невелика. Слабо поглощающееся ИК излучение проникает на всю глубину аморфной пленки, вызывая однородную по толщине пленки модификацию материала.Other results are obtained when films are modified by femtosecond laser radiation with a wavelength of 1030 nm. As can be seen from FIG. 5, Raman spectra taken both from the surface side and from the side of the quartz substrate coincide with each other. This indicates that the crystallites formed are distributed uniformly throughout the film. The different distribution of the crystalline phase over the film thickness when it is modified by radiation with a wavelength of 515 and 1030 nm is associated with a difference in the absorption coefficient of radiation with a wavelength of 515 and 1030 nm. In the latter case, the absorption leading to crystallization of the films is determined by two-photon transitions, the probability of which is relatively small. Weakly absorbed IR radiation penetrates the entire depth of the amorphous film, causing a material modification uniform in film thickness.

Для получения информации о распределении по толщине модифицированных пленок фазового состава и влиянии на это распределение используемой длины волны фемтосекундного лазерного излучения были проведены измерения спектров КРС при послойном стравливании слоя модифицированного кремния. Жидкостное химическое травление проводилось в смеси HNO3, Н3РО4, HF и Н2О в соотношении (9:3:0,3:4,5). Толщина пленок после послойного травления определялась с помощью профилометра. Из анализа спектров КРС оценивалась объемная доля кристаллической фазы в пленках ƒc. Заметим, что полученное значение ƒc отражает долю кристаллической фазы в области зондирования лазерного луча, используемого при КРС. При этом глубина зондирования может уменьшаться по мере стравливания пленки и перехода от области с большой долей нанокристаллов к области с малой долей кристаллической фазы. Это связано, как сказано выше, с большей величиной коэффициента поглощения в аморфном кремнии для лазерного излучения, использованного нами в КРС.To obtain information on the distribution over the thickness of modified films of phase composition and the effect of the used wavelength of femtosecond laser radiation on this distribution, Raman spectra were measured by layer-by-layer etching of a layer of modified silicon. Liquid chemical etching was carried out in a mixture of HNO 3 , H 3 PO 4 , HF and H 2 O in the ratio (9: 3: 0.3: 4.5). The film thickness after layer-by-layer etching was determined using a profilometer. From an analysis of the Raman spectra, the volume fraction of the crystalline phase in the ƒ c films was estimated. Note that the obtained value of ƒ c reflects the fraction of the crystalline phase in the sensing region of the laser beam used in Raman scattering. In this case, the sounding depth may decrease as the film is etched and the transition from the region with a large fraction of nanocrystals to the region with a small fraction of the crystalline phase. This is due, as mentioned above, to a larger absorption coefficient in amorphous silicon for the laser radiation that we used in Raman scattering.

Полученные результаты для пленок, модифицированных фемтосекундным лазерным излучением с длиной волны 515 и 1030 нм, представлены на Фиг. 6. В случае использования длины волны 515 нм измерения проводились для пленки, облученной излучением с плотностью энергии 8 мДж/см2. В случае же использования длины волны 1030 нм измерения проводились для пленки облученной излучением с плотностью энергии 100 мДж/см2. На Фиг. 6 величина Δd соответствует толщине «стравленной» части пленки, которая изначально имела толщину d=300 нм.The results obtained for films modified by femtosecond laser radiation with a wavelength of 515 and 1030 nm are presented in FIG. 6. In the case of using a wavelength of 515 nm, measurements were carried out for a film irradiated with radiation with an energy density of 8 mJ / cm 2 . In the case of using a wavelength of 1030 nm, the measurements were carried out for a film with irradiated radiation with an energy density of 100 mJ / cm 2 . In FIG. 6, the Δd value corresponds to the thickness of the “etched” part of the film, which initially had a thickness d = 300 nm.

Как видно из Фиг. 6 полученные результаты подтверждают данные, полученные при измерении спектров КРС со стороны поверхности пленки и со стороны кварцевой подложки. А именно, в случае использования фемтосекундного лазерного излучения с энергией кванта, превышающей ширину щели подвижности аморфного гидрогенизированного кремния, кристаллизация происходит вблизи поверхности пленки на глубине в десятки (и менее) нанометров. В случае использования фемтосекундного лазерного излучения с энергией квантов, существенно меньших ширины щели подвижности, происходит более равномерная по толщине пленки кристаллизация. В последнем случае создание гетероперехода не представляется возможным.As can be seen from FIG. 6, the obtained results confirm the data obtained by measuring Raman spectra from the side of the film surface and from the side of the quartz substrate. Namely, in the case of using femtosecond laser radiation with a quantum energy exceeding the width of the mobility gap of amorphous hydrogenated silicon, crystallization occurs near the surface of the film at a depth of tens (or less) nanometers. In the case of using femtosecond laser radiation with quantum energies substantially smaller than the width of the mobility gap, crystallization more uniform across the film thickness occurs. In the latter case, the creation of a heterojunction is not possible.

Таким образом, техническая проблема решается за счет облучения исходной пленки аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) фемтосекундными лазерными импульсами с энергиями кванта, превышающими ширину щели подвижности аморфного гидрогенизированного кремния (~1,8 эВ). В результате верхняя часть пленки частично кристаллизуется с образованием тонкого (менее 1 мкм) слоя нанокристаллического кремния (nc-Si), в то время как нижняя часть пленки остается в исходном состоянии. В результате этого образуется гетеропереход nc-Si/a-Si:H, который может служить основой солнечного элемента. Для исключения окисления пленок a-Si:H в процессе их обработки облучение производят в вакууме при давлении Р≤2⋅10-2 мбар фемтосекундными лазерными импульсами с центральной длиной волны излучения 257-680 нм, частотой повторения импульсов 20-500 кГц, длительностью импульсов 30-500 фс и плотностью энергии лазерных импульсов 4-500 мДж/см2. Размер получаемых нанокристаллов кремния может варьироваться в пределах от 4 до 10 нм.Thus, the technical problem is solved by irradiating the initial film of amorphous hydrogenated silicon (a-Si: H) with femtosecond laser pulses with quantum energies exceeding the width of the mobility gap of amorphous hydrogenated silicon (~ 1.8 eV). As a result, the upper part of the film partially crystallizes to form a thin (less than 1 μm) layer of nanocrystalline silicon (nc-Si), while the lower part of the film remains in its original state. As a result of this, an nc-Si / a-Si: H heterojunction forms, which can serve as the basis of the solar cell. To exclude oxidation of a-Si: H films during their processing, irradiation is carried out in vacuum at a pressure of P≤2⋅10 -2 mbar by femtosecond laser pulses with a central radiation wavelength of 257-680 nm, a pulse repetition rate of 20-500 kHz, and pulse duration 30-500 fs and a laser pulse energy density of 4-500 mJ / cm 2 . The size of the obtained silicon nanocrystals can vary from 4 to 10 nm.

Примеры осуществления изобретенияExamples of carrying out the invention

Пример 1. Реализация солнечных элементов на основе гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний с помощью фемтосекундных лазерных импульсов с различной длиной волныExample 1. The implementation of solar cells based on a heterojunction nanocrystalline silicon / amorphous hydrogenated silicon using femtosecond laser pulses with different wavelengths

Исходная пленка a-Si:H, легированная бором, толщиной 0,5 мкм осаждается на кварцевую подложку с проводящим слоем из смеси оксидов индия и цинка (ITO) методом плазмохимического осаждения из газовой смеси моносилана SiH4, аргона Аr и диборана В2Н6 при соотношении потоков [В2Н6]/SiH4] равном 10-5. Пленка сканируется сфокусированным пучком импульсного лазера на кристалле хром-форстерита, при этом диаметр лазерного пучка составляет 20 мкм, длительность импульсов - 300 фс, частота повторения импульсов - 100 кГц, плотность энергии лазерных импульсов - 85 мДж/см2. Для обработки пленок аморфного гидрогенизированного кремния используется сканирующий метод, т.е. лазерный луч движется вдоль поверхности образца. Скорость сканирования составляет 5 мм/с. Расстояние между центрами сканированых полос составляет 40 мкм. Шаг сканирования (расстояние между «полосами» сканирования) выбирается таким образом, чтобы перекрытие лазерного пучков от соседних полос составляло не менее 80%.The initial a-Si: H film doped with boron, 0.5 μm thick, is deposited on a quartz substrate with a conducting layer of a mixture of indium and zinc oxides (ITO) by plasma-chemical deposition from a gas mixture of monosilane SiH 4 , argon Ar and diborane В 2 Н 6 when the ratio of flows [In 2 H 6 ] / SiH 4 ] equal to 10 -5 . The film is scanned by a focused beam of a pulsed laser on a chromium forsterite crystal, while the laser beam diameter is 20 μm, the pulse duration is 300 fs, the pulse repetition rate is 100 kHz, and the laser pulse energy density is 85 mJ / cm 2 . To process amorphous hydrogenated silicon films, the scanning method is used, i.e. the laser beam moves along the surface of the sample. Scanning speed is 5 mm / s. The distance between the centers of the scanned bands is 40 microns. The scanning step (the distance between the scanning “bands”) is selected so that the overlap of the laser beams from adjacent bands is at least 80%.

Для реализации солнечного элемента, на слой (который содержится на кварцевой подложке с проводящим прозрачным подслоем - слоем ITO, который играет роль нижнего электрического контакта) с гетеропереходом нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний, наносится, например, путей вакуумного напыления, металлический электрод. Металлический электрод может быть выполнен в частности из алюминия (см. Фиг. 1), но возможны варианты из золота или магния. Роль нижнего электрического контакта играет часть пленки ITO, которая не занята пленкой a-Si:H, для чего кварцевая подложка с проводящим слоем ITO не полностью запылена пленкой a-Si:H (см. Фиг. 2).To realize a solar cell, a nanocrystalline silicon / amorphous hydrogenated silicon heterojunction, for example, by vacuum deposition paths, is applied to a layer (which is contained on a quartz substrate with a conductive transparent sublayer - an ITO layer that plays the role of a lower electrical contact), for example, by vacuum deposition paths, and a metal electrode. The metal electrode can be made in particular of aluminum (see Fig. 1), but options are possible in gold or magnesium. The role of the lower electrical contact is played by the part of the ITO film that is not occupied by the a-Si: H film, for which a quartz substrate with an ITO conductive layer is not completely dusted by the a-Si: H film (see Fig. 2).

Данным способом были получены два солнечных элемента. Один солнечный элемент (образец 1) при длине волны лазерного облучения 300 нм, второй солнечный элемент (образец 2) при длине волны 600 нм. Нагрузочные вольтамперные характеристики для двух данных режимов при освещении в условиях AM1.5 показаны на Фиг. 7. Получившиеся фотовольтаические параметры приведены в таблице 1.In this way, two solar cells were obtained. One solar cell (sample 1) at a laser wavelength of 300 nm, a second solar cell (sample 2) at a wavelength of 600 nm. The current-voltage characteristics for these two modes under illumination under AM1.5 are shown in FIG. 7. The resulting photovoltaic parameters are shown in table 1.

Figure 00000001
Figure 00000001

Пример 2. Реализация солнечных элементов на основе гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний с помощью фемтосекундных лазерных импульсов с различной длительностьюExample 2. The implementation of solar cells based on a heterojunction nanocrystalline silicon / amorphous hydrogenated silicon using femtosecond laser pulses with different durations

Солнечные элементы получались аналогичным описанному в примере 1 способом. Единственное, в данном случае длина волны лазерных импульсов была фиксированной и составляла 515 нм, а длительность варьировалась и равнялась 30 фс (образец 3) и 500 фс (образец 4).Solar cells were obtained in a manner similar to that described in example 1. The only one, in this case, the wavelength of the laser pulses was fixed and amounted to 515 nm, and the duration varied and was equal to 30 fs (sample 3) and 500 fs (sample 4).

Нагрузочные вольтамперные характеристики для двух данных режимов при освещении в условиях AM1.5 показаны на Фиг. 8. Получившиеся фотовольтаические параметры приведены в таблице 2.The current-voltage characteristics for these two modes under illumination under AM1.5 are shown in FIG. 8. The resulting photovoltaic parameters are shown in table 2.

Figure 00000002
Figure 00000002

Пример 3. Реализация солнечных элементов на основе гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний с помощью фемтосекундных лазерных импульсов с различной плотностью энергииExample 3. The implementation of solar cells based on a heterojunction nanocrystalline silicon / amorphous hydrogenated silicon using femtosecond laser pulses with different energy densities

Солнечные элементы получались полностью аналогично описанному в примере 1 методу, за исключением того, что длина волны была фиксированной и составляла 515 нм, а плотность энергии лазерных импульсов варьировалась и равнялась 5 мДж/см2 (образец 5) и 100 мДж/см2 (образец 6).Solar cells were obtained completely similar to the method described in example 1, except that the wavelength was fixed and amounted to 515 nm, and the laser pulse energy density varied and was 5 mJ / cm 2 (sample 5) and 100 mJ / cm 2 (sample 6).

Нагрузочные вольтамперные характеристики для двух данных режимов при освещении в условиях AM1.5 показаны на Фиг. 9. Получившиеся фотовольтаические параметры приведены в таблице 3.The current-voltage characteristics for these two modes under illumination under AM1.5 are shown in FIG. 9. The resulting photovoltaic parameters are shown in table 3.

Figure 00000003
Figure 00000003

Пример 4. Реализация солнечных элементов на основе гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний с помощью фемтосекундных лазерных импульсов с различной частотой повторенияExample 4. The implementation of solar cells based on a heterojunction nanocrystalline silicon / amorphous hydrogenated silicon using femtosecond laser pulses with different repetition rates

Солнечные элементы получались способом, полностью аналогичным описанному в примере 1, за исключением того, что длина волны была фиксированной и составляла 515 нм, а частота повторений лазерных импульсов варьировалась и составляла либо 20, либо 500 кГц.Solar cells were obtained by a method completely similar to that described in example 1, except that the wavelength was fixed and amounted to 515 nm, and the repetition rate of laser pulses varied and was either 20 or 500 kHz.

Полученные нагрузочные характеристики, а, соответственно, и фотовольтаические параметры не отличались в пределах погрешности измерений от полученных для образца 4.The obtained load characteristics, and, accordingly, the photovoltaic parameters did not differ within the measurement error from those obtained for sample 4.

Как видно из приведенных выше примеров посредством заявляемого способа возможно сформировать гетеропереход нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний и выполнить на основе заявляемого способа - солнечный элемент, обладающий повышенными (по сравнению с солнечными элементами на основе аморфного гидрогенизированного кремния) значениями фотовольтаических параметров (в частности КПД фотопреобразования - 14%, напряжение холостого хода - 0,68 В и ток ороткого замыкания - 36,5 мА/см2).As can be seen from the above examples, by means of the proposed method, it is possible to form a nanocrystalline silicon / amorphous hydrogenated silicon heterojunction and, based on the proposed method, a solar cell having increased photovoltaic parameters (in particular, photoconversion efficiency) compared to solar cells based on amorphous hydrogenated silicon - 14%, open circuit voltage - 0.68 V and short circuit current - 36.5 mA / cm 2 ).

Claims (9)

1. Способ получения гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний в образце, представляющем собой пленку аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенную на кварцевую подложку, включающий облучение образца фемтосекундными лазерными импульсами в вакууме при давлении не более 2⋅10-2 мбар, с центральной длиной волны излучения 257-680 нм, частотой повторения импульсов 20-500 кГц, длительностью импульсов 30-500 фс и плотностью энергии лазерных импульсов 4-500 мДж/см2.1. A method of producing a heterojunction nanocrystalline silicon / amorphous hydrogenated silicon in a sample representing an amorphous hydrogenated silicon film deposited on a quartz substrate, comprising irradiating the sample with femtosecond laser pulses in vacuum at a pressure of not more than 2⋅10 -2 mbar, with a central radiation wavelength 257-680 nm, a pulse repetition rate of 20-500 kHz, a pulse duration of 30-500 fs and a laser pulse energy density of 4-500 mJ / cm 2 . 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нанесение пленки на кварцевую подложку выполнено посредством плазмохимического осаждения слоя аморфного гидрогенизированного кремния на кварцевую подложку.2. The method according to p. 1, characterized in that the deposition of the film on a quartz substrate is performed by plasma-chemical deposition of a layer of amorphous hydrogenated silicon on a quartz substrate. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пленок используют пленки, полученные методом ионного распыления кремния.3. The method according to p. 1, characterized in that as the films use films obtained by ion sputtering of silicon. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пленок используют пленки, полученные методом термического разложения моносилана.4. The method according to p. 1, characterized in that the films used are films obtained by the thermal decomposition of monosilane. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что облучение образца лазерными импульсами осуществляют посредством сканирования сфокусированным пучком при скорости сканирования от 1 до 10 мм/с.5. The method according to p. 1, characterized in that the irradiation of the sample with laser pulses is carried out by scanning with a focused beam at a scanning speed of from 1 to 10 mm / s. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что расстояние между центрами сканированных полос составляет 40 мкм, а шаг сканирования выбирают таким образом, чтобы перекрытие лазерных пучков от соседних полос составляло не менее 80%.6. The method according to p. 5, characterized in that the distance between the centers of the scanned strips is 40 microns, and the scanning step is chosen so that the overlap of the laser beams from adjacent strips is at least 80%. 7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что диаметр пучка варьируют от 20 до 100 мкм.7. The method according to p. 5, characterized in that the diameter of the beam varies from 20 to 100 microns. 8. Солнечный элемент, содержащий слой с гетеропереходом нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний, полученный в соответствии с пп. 1-7, выполненный на пленке аморфного гидрогенизированного кремния и нанесенный на кварцевую подложку, нанесенный на этот слой металлический электрод и проводящий прозрачный подслой, нанесенный на кварцевую подложку.8. A solar cell containing a layer with a heterojunction nanocrystalline silicon / amorphous hydrogenated silicon, obtained in accordance with paragraphs. 1-7, made on a film of amorphous hydrogenated silicon and deposited on a quartz substrate, a metal electrode deposited on this layer and a conductive transparent sublayer deposited on a quartz substrate. 9. Солнечный элемент по п. 8, отличающийся тем, что металлический электрод выполнен из алюминия, или золота, или магния.9. The solar cell according to claim 8, characterized in that the metal electrode is made of aluminum, or gold, or magnesium.
RU2016152065A 2016-12-28 2016-12-28 Method for producing nanocrystalline silicon/amorphous hydrogenated silicon heterojunction for solar elements and solar element with such heterojunction RU2667689C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016152065A RU2667689C2 (en) 2016-12-28 2016-12-28 Method for producing nanocrystalline silicon/amorphous hydrogenated silicon heterojunction for solar elements and solar element with such heterojunction

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016152065A RU2667689C2 (en) 2016-12-28 2016-12-28 Method for producing nanocrystalline silicon/amorphous hydrogenated silicon heterojunction for solar elements and solar element with such heterojunction

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2016152065A RU2016152065A (en) 2018-07-02
RU2016152065A3 RU2016152065A3 (en) 2018-07-02
RU2667689C2 true RU2667689C2 (en) 2018-09-24

Family

ID=62813875

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016152065A RU2667689C2 (en) 2016-12-28 2016-12-28 Method for producing nanocrystalline silicon/amorphous hydrogenated silicon heterojunction for solar elements and solar element with such heterojunction

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2667689C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU196426U1 (en) * 2019-12-27 2020-02-28 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) Oxide transparent heterojunction

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114678431A (en) * 2022-03-21 2022-06-28 上海集成电路制造创新中心有限公司 Preparation method of photoelectric detector

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070272297A1 (en) * 2006-05-24 2007-11-29 Sergei Krivoshlykov Disordered silicon nanocomposites for photovoltaics, solar cells and light emitting devices
US20090071539A1 (en) * 2007-09-18 2009-03-19 Yong Woo Choi Solar cell manufactured using amorphous and nanocrystalline silicon composite thin film, and process for manufacturing the same
CN102569478A (en) * 2012-02-23 2012-07-11 常州天合光能有限公司 Thin-film amorphous silicon N-type crystalline silicon heterojunction tandem solar cell
CN103280496A (en) * 2013-05-31 2013-09-04 浙江正泰太阳能科技有限公司 Method for preparing crystalline silicon heterojunction/microcrystalline silicon thin film laminated photovoltaic cell
RU2568421C1 (en) * 2014-07-25 2015-11-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет", (НИУ "БелГУ") SOLAR CELL BUILT AROUND p-TYPE HETEROSTRUCTURE OF AMORPHOUS AND NANOCRYSTALLINE SILICON NITRIDE - SILICON
RU2599769C2 (en) * 2013-06-13 2016-10-10 Общество с ограниченной ответственностью специальное конструкторско-технологическое бюро "ИНВЕРСИЯ" Method for preparing photoactive multilayer heterostructure of microcrystalline silicone

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070272297A1 (en) * 2006-05-24 2007-11-29 Sergei Krivoshlykov Disordered silicon nanocomposites for photovoltaics, solar cells and light emitting devices
US20090071539A1 (en) * 2007-09-18 2009-03-19 Yong Woo Choi Solar cell manufactured using amorphous and nanocrystalline silicon composite thin film, and process for manufacturing the same
CN102569478A (en) * 2012-02-23 2012-07-11 常州天合光能有限公司 Thin-film amorphous silicon N-type crystalline silicon heterojunction tandem solar cell
CN103280496A (en) * 2013-05-31 2013-09-04 浙江正泰太阳能科技有限公司 Method for preparing crystalline silicon heterojunction/microcrystalline silicon thin film laminated photovoltaic cell
RU2599769C2 (en) * 2013-06-13 2016-10-10 Общество с ограниченной ответственностью специальное конструкторско-технологическое бюро "ИНВЕРСИЯ" Method for preparing photoactive multilayer heterostructure of microcrystalline silicone
RU2568421C1 (en) * 2014-07-25 2015-11-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет", (НИУ "БелГУ") SOLAR CELL BUILT AROUND p-TYPE HETEROSTRUCTURE OF AMORPHOUS AND NANOCRYSTALLINE SILICON NITRIDE - SILICON

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU196426U1 (en) * 2019-12-27 2020-02-28 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) Oxide transparent heterojunction

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016152065A (en) 2018-07-02
RU2016152065A3 (en) 2018-07-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8895839B2 (en) Multijunction photovoltaic device
Inamdar et al. ZnO based visible–blind UV photodetector by spray pyrolysis
Becker et al. Polycrystalline silicon thin-film solar cells: Status and perspectives
Jiang et al. Photoresponse properties of CdSe single‐nanoribbon photodetectors
Zhao et al. Ultrafast laser-induced black silicon, from micro-nanostructuring, infrared absorption mechanism, to high performance detecting devices
Adikaari et al. Thickness dependence of properties of excimer laser crystallized nano-polycrystalline silicon
Franta et al. Simultaneous high crystallinity and sub-bandgap optical absorptance in hyperdoped black silicon using nanosecond laser annealing
JPH04302136A (en) Method for forming laser crystallized clad layer for improved amorphous silicon light emitting diode and radiation sensor
Medvid et al. Formation mechanisms of nano and microcones by laser radiation on surfaces of Si, Ge, and SiGe crystals
Yedji et al. Method for fabricating third generation photovoltaic cells based on Si quantum dots using ion implantation into SiO2
RU2667689C2 (en) Method for producing nanocrystalline silicon/amorphous hydrogenated silicon heterojunction for solar elements and solar element with such heterojunction
Sharifi et al. Role of graphene on the optoelectrical stability of photodetectors based on porous silicon
Dawood et al. Some of Electrical and Detection properties of nano silver oxide
Korkut et al. Laser crystallization of amorphous Ge thin films via a nanosecond pulsed infrared laser
Abo Ghazala et al. Fabrication of nanocrystalline silicon thin films utilized for optoelectronic devices prepared by thermal vacuum evaporation
Plentz et al. Polycrystalline silicon thin-film solar cells prepared by layered laser crystallization with 540 mV open circuit voltage
US20140290737A1 (en) Thin film vls semiconductor growth process
Kiani et al. Enhancement of the optical absorption of thin-film of amorphorized silicon for photovoltaic energy conversion
Thahe et al. Laser annealing enhanced the photophysical performance of Pt/n-PSi/ZnO/Pt-based photodetectors
Daghestani et al. THz generation from a nanocrystalline silicon-based photoconductive device
Yu et al. Polymorphous nano-si and radial junction solar cells
Cui High-efficiency nanowire solar cells
RU2660220C2 (en) Method for increasing efficiency of doping and changing conductivity type of amorphous hydrogenated silicon slightly doped with acceptor impurities
KR101013432B1 (en) Method for manufacturing thin film solar cell
Ismail et al. Effect of Nd: YAG laser irradiation on the characteristics of porous silicon photodetector