Разработка источников диффузионного легирования для производства кремниевых солнечных элементов

Источники для диффузии бора и фосфора, разработанные в результате выполнения дипломного проекта могут быть применены в технологии изготовления кремниевых солнечных элементов. Так как были созданы источники как для диффузии бора, так и для диффузии фосфора, то это позволяет создавать кремниевые СЭ на основе исходных пластин кремния n- и p-типов. Кроме того данные источники можно применять для создания кремниевых солнечных элементов на основе кремния p-типа с текстурированной поверхностью.

4.1. Изготовление кремниевого СЭ на основе кремния p-типа

В качестве исходных пластин кремния были взяты пластины p-типа (100) с удельным сопротивлением 10 Ом•см. Особенностью создания солнечного элемента на таких пластинах является возможность проведения процесса диффузии на пластинах с текстурированной поверхностью. Были созданы как n+-p, так и n+-p-p+ СЭ. В качестве поверхностного источника для диффузии фосфора использовался спиртовый раствор ортофосфорной кислоты, в качестве поверхностного источника для диффузии бора - спиртовый раствор борной кислоты. Технология диффузии из этих источников описана в 3 разделе.

При создании СЭ с тыльным подлегированием диффузия проводилась в один процесс. Необходимо заметить, что при таком способе создания диффузионной структуры на фронтальной поверхности пластины образуются затеки после нанесения диффузанта для тыльной стороны пластины кремния.

Режимы проведения процесса диффузии были выбраны таким образом, что глубина эмиттерного перехода в n+-p СЭ составила 1 мкм, а в n+-p-p+ - 0,5 мкм.

4.2. Создание омических контактов на структурах солнечных элементов электрохимическим осаждением никеля

Для создания токосъемных контактов к структуре кремниевого солнечного элемента использовался метод электрохимического осаждения никеля. Фронтальный контакт выполнялся в виде сетки, а тыльный контакт - сплошным слоем.

Для создания маски для последующего осаждения никеля использовался химически стойкий лак ХСЛ. До нанесения ХСЛ пластины кремния обезжиривались кипячением в изопропиловом спирте в течение 10 - 25 сек с последующей сушкой в парах изопропилового спирта.

Осаждение контактного слоя никеля на свободные от ХСЛ участки структуры осуществляли электрохимическим способом с использованием электролита следующего состава (в пересчете на 1 л дистилированной воды):

NiSO47H2O - 45,4 г/л;

Na2SO410H2O - 60 г/л;

Н3ВО4 - 30 г/л.

Схема установки для электрохимического осаждения никеля приведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема установки для электрохимического осаждения никеля: 1 - ванна; 2 - электролит; 3 - пластина кремния; 4 - пластинка никеля; 5 - амперметр; 6 - электронагреватель; 7 - блок питания.

В качестве анода электролитической ванны использовалась никелевая фольга толщиной порядка 200 мкм. Катодом служила сама кремниевая структура. В качестве источника постоянного тока использовался блок питания Б5-47/1, работающий в режиме стабилизации тока. Осаждение производилось при плотности тока 2 - 5 мА/см2 и температуре электролита 35°С в течение 2 - 3 мин.

После нанесения слоя никеля структуры промывались в дистиллированной воде и производилось механическое удаление защитного слоя лака ХСЛ. Для удаления остатков лака применялось кипячение пластин в толуоле.

4.3. Измерение основных параметров на структурах солнечных элементов

Наиболее важными характеристиками солнечных элементов являются световая и прямая темновая вольт-амперные характеристики (ВАХ) и спектральная чувствительность.

Основной параметр СЭ - световая нагрузочная ВАХ - позволяет определить генерируемую электрическую мощность по произведению Im•Um (максимальные рабочие ток и напряжение), оценить полноту использования потенциала запрещенной зоны по напряжению холостого хода, получить представление об уровне оптических и фотоэлектрических потерь по току короткого замыкания и коэффициенту заполнения ВАХ; рассчитать коэффициент полезного действия преобразования солнечной энергии в электрическую по отношению мощности, генерируемой СЭ, к мощности падающего солнечного излучения, которую можно измерить с помощью отградуированного эталонного солнечного элемента.

ВАХ идеальных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) может быть описана выражением:

(4.1)

где I и V - ток во внешней цепи и напряжение на сопротивлении нагрузки; Iф - фототок, генерируемый в полупроводнике солнечным излучением; Io - ток насыщения ФЭП, определяющийся механизмами генерационно-рекомбинационных явлений; А ? 1 - фактор качества выпрямляющего перехода; е - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

В выражении (4.1) не учитываются некоторые важные характеристики реальных ФЭП, которые могут в значительной степени влиять на эффективность фотоэлектрического преобразования. К числу таких характеристик можно отнести последовательное сопротивление ФЭП Rп, определяющееся сопротивлением объема полупроводниковой базы, контактными сопротивлениями верхнего и нижнего токосъемных электродов и распределенным сопротивлением верхней (освещаемой) области перехода, а также шунтирующее коллекторный переход сопротивление Rш, на величину которого существенно влияют как технологические факторы, так и параметры используемого полупроводникового материала. Эквивалентная схема реального полупроводникового ФЭП с учетом названных паразитных сопротивлений и сопротивления нагрузки показана на рис. 4.2. Нетрудно показать, что в последнем случае ВАХ может быть описана соотношением [18]:

(4.2)

Рис. 4.2. Эквивалентная схема фотопреобразователя.

Рассмотрим более подробно физические процессы, определяющие эффективность преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию. На рис. 4.3 показана типичная ВАХ полупроводникового ФЭП, описываемая выражением 4.2.

Рис.4.3. Вольт-амперная характеристика солнечного фотопреобразователя.

Можно видеть, что по мере увеличения сопротивления нагрузки напряжение V фотопреобразователя монотонно увеличивается и при Rн > ? достигает определенного значения Vхх, величина которого зависит как от интенсивности солнечного излучения, так и от характеристик самого ФЭП. С другой стороны, ток I во внешней цепи при увеличении Rн вначале изменяется слабо, оставаясь примерно равным току короткого замыкания Iкз, а затем достаточно резко уменьшается при дальнейшем увеличении Rн . На ВАХ существует единственная точка M, в которой мощность Pm, отдаваемая ФЭП во внешнюю цепь, оказывается максимальной и равной площади следующего прямоугольника:

. (4.3)

Для характеристики внутренних потерь ФЭП обычно используют так называемый коэффициент заполнения ВАХ F, равный отношению Pm к произведению тока короткого замыкания ФЭП на напряжение холостого хода:

(4.4)

С учетом (4.4) КПД з полупроводникового фотопреобразователя может быть определен как отношение максимальной мощности, отдаваемой ФЭП во внешнюю нагрузку, к суммарной мощности солнечного излучения Pи, падающей на фотоприемную поверхность:

(4.5)

Определим коэффициент полезного действия n+-p СЭ с текстурированной поверхностью (см. 4.1). Для измерения мощности падающего на СЭ солнечного излучения использовался измеритель мощность ИМО 3. В момент измерений мощность падающего излучения составляла P0 ~ 70 мВт/см2.

При измерении световой нагрузочной ВАХ солнечного элемента были получены следующие значения напряжения и тока (табл. 4.1):

Таблица 4.1.

Результаты измерения световой нагрузочной ВАХ

По этим данным строится ВАХ фотопреобразователя (рис. 4.4):

Рис. 4.4. ВАХ n+-p СЭ с текстурированной поверхностью.

Из графика на рис. 4.2 определяем, что Vm=0,028 B, Im=0,3 mA. Площадь поверхности СЭ составила S=16 мм2, соответственно Pист=P0·S= 70 мВт/см2· 0,16 см2 = 11,2 мВт.

Фактор заполнения F считаем по формуле (4.4):

Коэффициент полезного действия солнечного элемента определяем по формуле (4.5):

Такой низкий КПД полученного солнечного элемента в большой степени определяется тем, что не удалось создать хорошего омического контакта. Кроме того, при диффузии с применением поверхностного источника на основе спиртового раствора ортофосфорной кислоты при нанесении раствора на пластину на тыльной стороне пластины образуются затеки. При проведении процесса диффузии на тыльной стороне пластины образуется p - n переход. Для снятия с тыльной стороны подложек слоя кремния с находящимся в нем в результате диффузии фосфором, приводящим к увеличению последовательного сопротивления СЭ на тыльном контакте необходимо применять, например, плазмохимическую обработку. Так как такой операции не было проведено, то можно сделать заключение, что образование на тыльной стороне p - n перехода существенно ухудшает электрофизические параметры СЭ.

ВЫВОДЫ

Одним из наиболее перспективных методов диффузионного легирования кремния для производства кремниевых солнечных элементов является диффузия из поверхностного источника. Особенностью этого метода является то, что создание слоя примесносиликатного стекла, из которого будет идти диффузия примеси в кремний, осуществляется до проведения процесса диффузии. Метод прост, не требует сложного оборудования, возможно проведение диффузионного отжига в атмосфере воздуха. Всвязи с этим, применение метода диффузии из поверхностного источника может удешевить технологию производства кремниевых СЭ.

В данном дипломном проекте рассматривалось несколько поверхностных источников диффузии, также был рассмотрен твердый планарный источник. Из поверхностных источников для диффузии бора и фосфора были достаточно полно изучены источники на основе спиртовых растворов борной и ортофосфорной кислот. Предложена технология проведения диффузии с использованием таких источников, которая позволяет надежно получать p - n переход в полупроводниковой пластине кремния.

Также были проведены опыты по наиболее перспективному из поверхностных источников - легированному окислу. Именно метод диффузии из легированного окисла представляет повышенный интерес в связи с промышленным применением в технологии производства кремниевых солнечных элементов. Большое внимание необходимо уделять технологии приготовления пленкообразующего раствора, соотношение компонентов смеси.

При использовании разработанного источника на основе ортофосфорной кислоты создан СЭ на кремнии с текстурированной поверхностью, измерены его электрофизические характеристики.

5. ОХРАНА ТРУДА

Закон Украины "Об охране труда" (новая редакция 2002 г.) определяет основные положения по реализации конституционного права граждан на охрану их жизни и здоровья в процессе трудовой деятельности, регулированием отношений между работником и владельцем предприятия и устанавливает единый порядок организации охраны труда Украины.

Охрана труда - это система правовых, социально-экономических, организационно-технических, санитарно-гигиенических и лечебно-профилактических мер и средств, направленных на сохранение здоровья и трудоспособности человека в процессе труда.

5.1. Анализ условий труда

Во время выполнения экспериментальной части дипломного проекта требуется присутствие в лаборатории технологии полупроводниковых приборов. В лаборатории, где происходит изготовление солнечных элементов согласно определенному технологическому процессу, существует несколько опасных и вредных групп факторов, которые согласно ГОСТ 12.0.003-74, можно разделить на:

- физические;

- химические;

- биологические;

- психологические;

В рабочем помещении имеют место следующие факторы:

1. Группа физических факторов: а) недостаток естественного света; б) электроопасность; в) пожароопасность.

2. Группа химически опасных факторов: а) химические жидкости, например, кислоты (HCI, HNO3, HF), щелочи (KOH, NaOH) и другие вещества; б) горючие и легковоспламеняющиеся вещества (спирты, ацетон, бензин); в) наличие оловянно-свинцовых припоев в разогретом состоянии.

3. Психологические факторы: а) нервно-психологические перегрузки; б) монотонная работа; в) работа, требующая повышенного внимания.

Недостаток освещения приводит к перенапряжению и быстрому утомлению органов зрения, что влечет за собой производственные травмы, снижает общую работоспособность организма, снижается производительность труда, увеличивается количество брака, способствует потере зрения.

Воздействие электрического тока может вызвать тяжелые последствия для организма человека, вплоть до смертельных случаев.

Химические вещества, используемые в технологических процессах, представляют опасность для здоровья, вызывают ожоги, головную боль, тошноту, различного рода отравления, сердцебиения. Например, специфика дипломного проекта предусматривает частое использование плавиковой и азотной кислот. Плавиковая кислота сильно ядовита, пары вызывают раздражение кожи, глаз и дыхательных путей. Азотная кислота при непосредственном контакте с кожей вызывает кислотный ожог, при вдыхании паров слабое отравление выражается в головной боли, головокружении, шума в ушах, сонливости.

Не правильное применение легковоспламеняющихся веществ может привести к пожару. Пожар опасен как вследствие возможности получения термического ожога, так и вдыхание вредных продуктов горения.

Нервно-психологические перегрузки, монотонная работа могут привести к депрессии, перевозбуждения мозга и как следствие - к снижению производительности труда.

Выявленные опасные и вредные факторы вызывают необходимость технических, технологических, организационных и противопожарных мероприятий.

Технические мероприятия: оснащение технического и вспомогательного оборудования ограждениями, предупредительными приспособлениями, сигнальными приборами, постоянный контроль за состоянием узлов и механизмов, органов управления, своевременный ремонт и испытания, применение спецодежды.

Организационные мероприятия: улучшение работы по обучению и инструктажу персонала, усиление надзора по охране труда, правил и норм безопасности.

Противопожарные мероприятия: блокировки, сигнализация, герметизация электроустановок.

5.2. Электробезопасность

Согласно ПУЭ и ГОСТ 12.1.013-78 помещение лаборатории технологии полупроводниковых приборов относится к первому классу - без повышенной опасности. Основным оборудованием, используемым в экспериментальной части дипломного проекта является электропечь СУОЛ-044 12-М2-У42. Технические характеристики электропечи: напряжение 220 В, мощность 2,5 кВт. Согласно ГОСТ 12.2.007.0-75.ССБТ. данная электропечь относится к I классу.

Согласно ГОСТ 12.1.019-79 электробезопасность в рабочем помещении обеспечивается: конструкцией установок и технически-организационными мероприятиями.

Должны применяться следующие технические способы и средства: защитное заземление, малое напряжение, выравнивание потенциалов.

5.3. Расчет защитного заземления

Согласно ГОСТ 12.1.030-81 защитное заземление должно обеспечить защиту людей от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением.

Заземлением называется преднамеренное соединение электроустановок с заземляющим устройством.

Заземлителем называется проводник, находящийся в соприкосновении с землей или ее эквивалентом.

Заземляющим проводником называется проводник, соединяющий заземленные части с заземлителем.

Совокупность соединяющих проводников и заземлителей называется заземляющим устройством. Для установок мощностью не более 100 кВт сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 10 Ом, для установок мощностью более 100 кВт - 4 Ом.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10