Samarqand davlat universiteti fizika fakulteti qattiq jismlar fizikasi kafedrasi

1. Amorfli kremniyning tabiatda uchrashi va fotoelektrik xossalari

Amorf kremniy (a-Si) - bu LCD-lardagi quyosh xujayralari va yupqa plyonkali tranzistorlar uchun ishlatiladigan kremniyning kristall bo'lmagan shakli.

Si-Si quyosh xujayralari yoki yupqa plyonkali kremniyli quyosh xujayralari uchun yarimo'tkazgich material sifatida ishlatiladi, u ingichka plyonkalarda shisha, metall va plastmassa kabi har xil egiluvchan substratlarga yotqiziladi. Amorf kremniy hujayralari odatda past samaradorlikka ega, ammo kadmiy yoki qo'rg'oshin kabi zaharli og'ir metallardan foydalanmasliklari sababli eng yashil fotoelektrik texnologiyalardan biridir.

Ikkinchi avlod yupqa plyonkali quyosh xujayralari texnologiyasi sifatida amorf kremniy tez sur'atlar bilan o'sib borayotgan global fotovoltaik bozorining asosiy manbaiga aylanishi kutilgan edi, ammo keyinchalik an'anaviy kristalli silikon xujayralari va boshqa ingichka plyonkali silikon xujayralarining kuchli raqobati tufayli o'z ahamiyatini yo'qotdi. CdTe va CIGS sifatida.

Amorf kremniy boshqa allotropik o'zgarishlardan farq qiladi, masalan monokristalli kremniy - bitta kristalli va kristallitlar deb ham ataladigan mayda donalardan tashkil topgan polikristalli kremniy

Silikon - to'rtta muvofiqlashtirilgan atom, odatda to'rtta qo'shni silikon atomlari bilan tetraedral ravishda bog'lanadi. Kristalli kremniyda (c-Si) bu tetraedral struktura keng diapazonda davom etadi va shu bilan tartiblangan kristall panjarani hosil qiladi.

Amorf kremniyda bu uzoq buyurtma mavjud emas. Aksincha, atomlar uzluksiz, tasodifiy tarmoqni hosil qiladi. Bundan tashqari, amorf kremniydagi barcha atomlar to'rt baravar muvofiqlashtirilgan emas. Materialning tartibsizligi tufayli ba'zi atomlarda osilgan bog'lanish mavjud. Jismoniy jihatdan, bu osilgan ulanishlar uzluksiz tasodifiy tarmoqdagi nuqsonlarni anglatadi va g'ayritabiiy elektr harakatlarini keltirib chiqarishi mumkin.

Materialni vodorod passivlashtirishi mumkin, u osilgan bog'lanishlar bilan bog'lanadi va osilgan bog'lanishlarning zichligini bir necha darajaga kamaytirishi mumkin. Vodorodli amorf kremniy (a-Si: H) juda kam miqdordagi nuqsonlarga ega, ular quyosh fotoelektr elementlari kabi qurilmalarda, ayniqsa protokristalli o'sish rejimida ishlatilishi kerak. Biroq, gidrogenatsiya Stebeler-Vronskiy effekti deb ataladigan materialning yorug'lik degradatsiyasi bilan bog'liq.

Amorf kremniy va uglerod qotishmalari (amorf kremniy karbid, shuningdek gidrogenlangan, a-Si1-xCx: H) - bu qiziqarli variant. Uglerod atomlarining kiritilishi moddiy xususiyatlarni boshqarish uchun qo'shimcha erkinlik darajalarini qo'shadi. Film shuningdek ko'rinadigan yorug'lik uchun shaffof bo'lishi mumkin.

Qotishma tarkibidagi uglerod kontsentratsiyasini oshirish o'tkazuvchanlik va valentlik diapazonlari orasidagi elektron bo'shliqni kengaytiradi ("optik bo'shliq" va diapazon oralig'i deb ham ataladi). Bu amorf kremniy karbid qatlamlaridan hosil bo'lgan quyosh xujayralarining yorug'ligini oshirishi mumkin. Boshqa tomondan, yarimo'tkazgich sifatida elektron xususiyatlarga (asosan elektronlarning harakatchanligi) atom tarmog'idagi tartibsizlikning oshishi sababli qotishma tarkibidagi uglerod miqdorining ko'payishi salbiy ta'sir ko'rsatadi.

Ilmiy adabiyotlarda bir qator tadqiqotlar mavjud bo'lib, ular asosan cho'kindi parametrlarining elektron sifatiga ta'sirini o'rganadi, ammo tijorat qurilmalarida amorf kremniy karbidning amalda qo'llanilishi hali ham mavjud emas.

Xususiyatlari: Amorf Si zichligi 300 K da 4.90 × 1022 atom / sm3 (2.285 g / sm3) deb hisoblangan, bu amorf kremniyning ingichka (5 mm) chiziqlari yordamida amalga oshirilgan. Ushbu zichlik 300 K da kristalli Si ga nisbatan 1,8 ± 0,1% kamroq zichlikka ega. Kremniy sovutilganda kengayadigan va suyuqlikka qaraganda qattiqroq zichlikka ega bo'lgan oz sonli elementlardan biridir.
Gidrogenlanmagan a-Si nuqson zichligi juda yuqori, bu esa yomon o'tkazuvchanlik kabi nomaqbul yarimo'tkazgich xususiyatlariga olib keladi va yarimo'tkazgich muhandislik xususiyatlari uchun juda muhim bo'lgan dopingni oldini oladi. Amorf kremniyni ishlab chiqarish jarayonida vodorodni kiritish orqali fotokondüktivlik sezilarli darajada yaxshilanadi va doping paydo bo'lishi mumkin.Gidrogenlangan amorf kremniy, a-Si: H, 1969 yilda Chittick, Aleksandr va Sterling tomonidan silan gazining prekursori (SiH4) yordamida yotqizish orqali ishlab chiqarilgan. . Olingan material nuqson zichligi pastligini va aralashmalar tufayli o'tkazuvchanlikni oshirganligini ko'rsatdi. A-Si: H-ga qiziqish (1975 yilda) LeComber va Spear fosfin (n-turi) yoki diboran (p-turi) yordamida a-Si: H bilan doplash qobiliyatini kashf etganda paydo bo'ldi. Qusurlarni kamaytirishda vodorodning roli Garvarddagi Pol guruhi tomonidan sinovdan o'tkazildi, ular infraqizil tebranish orqali vodorod kontsentratsiyasining% 10 ni aniqladilar va Si-H bog'lanishlari uchun taxminan 2000 sm-1 chastotaga ega edilar. 1970-yillardan boshlab a-Si: H RCA yordamida quyosh xujayralarida ishlab chiqilgan va natijada u 2015 yilda doimiy ravishda 13,6% gacha o'sgan.

a-Si c-Si-dan pastroq elektron xususiyatlarga ega bo'lsa-da, u o'z dasturlarida ancha moslashuvchan. Masalan, a-Si qatlamlari c-Si-dan yupqaroq bo'lishi mumkin, bu esa kremniy materialida xarajatlarni tejashga olib kelishi mumkin.

Yana bir afzallik shundaki, a-Si ni juda past haroratlarda, masalan, Selsiy bo'yicha 75 darajagacha saqlash mumkin. Bu nafaqat shishani, balki plastmassani ham cho'ktirishga imkon beradi va bu uni rulonni qayta ishlash texnologiyasiga nomzod qiladi. Cho'kgandan so'ng, a-Si ni c-Si ga o'xshash tarzda qo'shib p-tipli yoki n-tipli qatlamlarni hosil qilish va natijada elektron qurilmalarni hosil qilish mumkin.

Yana bir afzallik shundaki, a-Si PECVD ning katta maydonlariga joylashtirilishi mumkin. PECVD tizimining dizayni bunday panel narxiga katta ta'sir ko'rsatadi, shuning uchun aksariyat uskunalarni etkazib beruvchilar yuqori ishlab chiqarish uchun PECVDlarni loyihalashga e'tibor berishadi, natijada ishlab chiqarish xarajatlari past bo'ladi, ayniqsa silanni qayta ishlashda.

Shisha ustidagi kichik (1 mm dan 1 mm gacha) a-Si fotodiodlarning massivlari floroskopiya va rentgenografiya uchun ba'zi tekis panelli detektorlarda ko'rinadigan yorug'lik tasviri sezgichlari sifatida ishlatiladi.

Fotovoltaik xujayralar: Amorf kremniy (a-Si) juda kam quvvat talab qiladigan qurilmalar, masalan, cho'ntak kalkulyatorlari uchun quyosh xujayralari uchun fotovoltaik material sifatida ishlatilgan, chunki ularning an'anaviy kristalli silikon (c-Si) quyosh xujayralari bilan solishtirganda past ko'rsatkichlari ko'proq ularning soddalashtirilgan va pastki qatlamga yotqizish narxi bilan qoplanishidan ko'ra. 

Birinchi quyosh kalkulyatorlari 1970-yillarning oxirida allaqachon mavjud edi, masalan, Royal Solar 1, Sharp EL-8026 va Teal Photon.

Yaqinda a-Si qurilish texnologiyasining yaxshilanishi ularni katta hajmdagi quyosh batareyalarini qo'llash uchun yanada jozibador qildi. Bu erda ularning pastki o'ziga xos samaradorligi, hech bo'lmaganda, ularning nozikligi bilan hisobga olinadi - yuqori samaradorlikka bir nechta yupqa plyonka elementlarini bir-birining ustiga qo'yish orqali erishish mumkin, ularning har biri ma'lum bir yorug'lik chastotasida yaxshi ishlash uchun sozlangan. Ushbu yondashuv bilvosita tasma oralig'i natijasida qalin bo'lgan va shuning uchun asosan xira bo'lmagan, stakdagi boshqa qatlamlarga yorug'likni to'sadigan c-Si hujayralariga taalluqli emas.

Yaqinda a-Si qurilish texnologiyasining yaxshilanishi ularni katta hajmdagi quyosh batareyalarini qo'llash uchun yanada jozibador qildi. Bu erda ularning pastki o'ziga xos samaradorligi, hech bo'lmaganda, ularning nozikligi bilan hisobga olinadi - yuqori samaradorlikka bir nechta yupqa plyonka elementlarini bir-birining ustiga qo'yish orqali erishish mumkin, ularning har biri ma'lum bir yorug'lik chastotasida yaxshi ishlash uchun sozlangan. Ushbu yondashuv bilvosita tasma oralig'i natijasida qalin bo'lgan va shuning uchun asosan shaffof bo'lmagan stakdagi boshqa qatlamlarga yorug'likni to'sadigan c-Si hujayralariga taalluqli emas.

Amorf kremniy fotovoltaikasining past samaradorligi manbai asosan materialning past harakatchanligidir. Ushbu past teshik harakatchanligi materialning ko'plab fizik jihatlariga, shu jumladan osilgan bog'lanishlar (3-bog 'kremniy), suzuvchi bog'lanishlar (5-bog' kremniy) va bog'lanishni qayta konfiguratsiyaga bog'liq. Ushbu past harakatchanlik manbalarini boshqarish bo'yicha ko'p ishlar qilingan bo'lsa-da, dalillar shuni ko'rsatadiki, o'zaro ta'sir qiladigan ko'plab nuqsonlar harakatchanlikni cheklashiga olib kelishi mumkin, chunki nuqsonlarning bir turini kamaytirish boshqalarning shakllanishiga olib keladi.

A-Si ning yirik ishlab chiqarishdagi asosiy ustunligi samaradorlik emas, balki xarajatdir. a-Si xujayralari odatda c-Si xujayralari uchun zarur bo'lgan kremniyning faqat bir qismidan foydalanadi va kremniy narxi xujayralar narxiga tarixan sezilarli ta'sir ko'rsatgan. Shu bilan birga, ko'p qatlamli qurilish tufayli ishlab chiqarish xarajatlarining yuqoriligi hozirgi kunga qadar a-Si ni yoqimsiz holga keltirdi, ularning nozikligi yoki egiluvchanligi ustun bo'lgan rollardan tashqari.

Odatda, ingichka plyonkali amorf kremniy xujayralari pim konstruksiyasidan foydalanadi, p-tipli qavatning tepada joylashishi, shuningdek, pastki teshikning harakatchanligi bilan bog'liq bo'lib, teshiklarni yuqori kontakta yig'ish uchun o'rtacha o'rtacha masofani bosib o'tishga imkon beradi. tuzilishga oldingi yon shisha, TCO, ingichka plyonkali kremniy, teskari aloqa, polivinil butiral (PVB) va yon oynalar kiradi. Uni-Solar, uning energiya konversiyasi bo'limi, rulonli rulonli tom yopish mahsulotlarini moslashuvchan qo'llab-quvvatlash variantini ishlab chiqdi. Biroq dunyodagi eng yirik amorf kremniy fotoelektrik ishlab chiqaruvchisi 2012 yilda bankrotlik to'g'risida ariza topshirishi kerak edi, chunki u odatdagi quyosh batareyalari narxining tez pasayib ketishi bilan raqobatlasha olmadi.

Mikrokristalli va mikromorfik kremniy: Mikrokristalli kremniy (nanokristalli kremniy deb ham ataladi) amorf kremniy, ammo tarkibida mayda kristallar ham mavjud. U yorug'likning keng spektrini yutadi va egiluvchan bo'ladi.

 Mikromorfik kremniy moduli texnologiyasi ikki xil silikon turini, amorf va mikrokristalli kremniyni yuqori va pastki fotovoltaik kameralarda birlashtiradi. Sharp ushbu tizim yordamida ko'k nurni samaraliroq ushlash uchun hujayralarni ishlab chiqaradi va to'g'ridan-to'g'ri quyosh nurlari ta'sirida hujayralarni yanada samarali qiladi. 

Prokristalli kremniy ko'pincha a-Si fotoelektrik xujayralarining ochiq kuchlanish kuchlanishini optimallashtirish uchun ishlatiladi.