Фотоэлектрические параметры солнечных элементов на основе кремния легированного гольмием

УДК 621.315.592
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ ЛЕГИРОВАННОГО ГОЛЬМИЕМ
Б.Э. Эгамбердиев¹, С.А.Тачилин²,А.Р.Тошев²,
Н.М.Рахимова², М.И. Рахматов<sup>3


1</sup>НИИ физики полупроводников и микроэлектроники при НУУз,
Ташкент, Узбекистан E-mail: [e-mail]
²Ташкентский Государственный технический университет, Ташкент, Узбекистан
³Каршинский Государственный университет, Карши, Узбекистан


Аннотация
Разработана технология изготовления солнечных элементов на основе кремния, легированного примесными атомами Но. Установлено, что при концентрации N_Но≈10¹⁷ см^-3КПД солнечных элементов на 1,5÷1,6 % больше, чем у обычных. Показано увеличение радиационной стойкости солнечные элементы на основе Si<Но> при облучении гамма–квантами изотопа Со⁶⁰.
Ключевые слова: примесь, гольмий, диффузионная технология, высокотемпературный отжиг, глубина, редкоземельные элементы, доза облучения, температура активации, темновая и световая ВАХ СЭ.

PHOTOELECTRIC PARAMETERS OF SOLAR CELLS BASED ON SILICON DOPED WITH HOLMIUM
Abstract
The article deals with the developing of the technology for manufacturing solar cells based on silicon doped with impurity atoms Но. It has been found that at a concentration N_Но≈10¹⁷ sм^-3КПД solar cells are 1.5÷1.6% more than conventional ones. An increase in the radiation resistance of solar cells based on Si<Но> when irradiated with gamma quanta of the isotope Со⁶⁰.
Key words: impurity, holmium, diffusion technology, high-temperature annealing, depth, rare earth elements, radiation dose, activation temperature dark and light ВАХ SC.

ВВЕДЕНИЕ
В процессе изготовления солнечных элементов (СЭ) кристаллы подвергаются термообработке при различных температурах и длительностях, а в процессе эксплуатации подвергаются нагреву и воздействию радиации. Все это приводит к перестройке дефектной структуры материала, в результате чего существенно меняются электрофизические и рекомбинационные характеристики, которые и являются основной причиной деградации параметров СЭ. В настоящее время одной из основных проблем при изготовлении СЭ является стабилизация их параметров. Для решения этих проблем в настоящее время используется способ дополнительноголегирования кристалла различными примесями, создающими глубокие энергетические уровня в егозапрещённой зоне, или легирование примесями щелочных металлов, которыедиффундируя в глубь кристаллической структуры, нейтрализуют электрическиактивные дефекты. Увеличение радиационной стойкости может быть достигнуто за счет введения в объем СЭ различных примесей, способствующих “залечиванию” радиационных нарушений.

Вышеуказанные примеси создают в кремнии энергетические уровни и могут заметно влиять на электрофизические и особенно рекомбинационные свойства материала. Из-за того, что дефекты подвижны, могут происходить различные реакции в твердом теле и, следовательно, наблюдаемые экспериментально характеристики могут изменяться. Примесные атомы, не только взаимодействуют друг с другом, но и активно взаимодействуют с другими дефектами кристаллической решетки. Как известно, скорость, вид и характер взаимодействия в основном определяются условиями диффузионного отжига, параметрами исходного материала и внешними воздействиями. Изменение температуры и времени диффузии, параметров исходного материала или характера и интенсивности внешних воздействий, приводит не только к изменению состояния примесных атомов в решетке, но также изменяет характер и концентрацию существующих дефектов в кристаллической решетке. Поэтому для получения достоверных и воспроизводимых результатов, очень важно исследовать влияние условий введения примесей, степени компенсации материала и характера внешних воздействий на состояние примесных атомов в кристаллической решетке полупроводникового материала.
Наиболее часто встречающимся методом в технологии полупроводников является термообработка. Полупроводниковые материалы всегда подвергаются термообработке на различных этапах в технологии изготовления СЭ (создание p-n-перехода, контактов, окисление и т.д.), а также в процессе работы (высокотемпературные режимы). При этом в решетке кристалла происходят различные процессы, стимулированные нагревом: диффузия и перераспределение примесей, перезарядка активных центров (изменяется ), активация нейтральных примесей, образование и распад различных комплексов и ассоциатов (изменяется  и n), возникновение локальных флуктуацией механических напряжений (изменяется ), различные взаимодействия обусловленные химическими реакциями и т.д. [1,2].
Все эти явления, как правило, протекают в неравновесных условиях и приводят к тому, что рельеф потенциальных барьеров кристаллической решетки полупроводника становится сложным, состоящим из множества метастабильных состояний, чувствительных к внешним факторам: температуре, электрическим и магнитным полям, механическим напряжением и др. Этим обусловлена деградация свойств полупровод-никовых материалов и соответственно СЭ.
К настоящему времени известно [3-6], что редкоземельные элементы (РЗЭ), введенные в кремний при выращивании, присутствуют в нем в виде различных примесных преципитатов и комплексов. Эти дефекты, являясь электрически неактивным, активно взаимодействуют с вакансиями и остаточными примесями, уменьшают концентрацию оптически активного кислорода и углерода, повышают термическую и радиационную стабильность параметров кремния. Поэтому представляет большой интерес, исследование влияниягольмия на эффективность и стабильность солнечных элементов.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Для исследования влияния гольмияна параметры СЭ, использовались образцы монокристаллического кремния марки КЭФ, легированного гольмием в процессе выращивания по методу Чохральского с концентрацией N_Но=10¹⁷см^-3, с удельным сопротивлением 16 Омсм. СЭ изготавливались в виде четырехугольников 1,0 см х 0,5 см и толщиной 0,5 мм. р-n переход формировался легированием бором, диффузионным методом при температуре Т=1150⁰С и времени 60 мин. В качестве источника диффузии бора были использованы твердотельные источники - пластины нитрида бора. Глубина p-n перехода задавалась в основном продолжительностью диффузионного отжига, при определенной температуре. Контакты создавались термическим напылением никеля в вакууме и залуживались в горячем припое ПОС-61. В качестве просветляющего покрытия применяли слой SiO₂ толщиной 1100-1200 Å созданный термическим выращиванием при Т=1075^°С в парах воды.
Для выявления влияния технологических процессов изготовления, а также радиации и температуры на параметры были в одинаковых условиях изготовлены контрольные СЭ на основе монокристаллического кремния марки КЭФ, с удельным сопротивлением 16 Омсм безгольмия.
Электрические параметры СЭ исследовались в одинаковых условиях на разработанном имитаторе Солнца с принудительным водяным охлаждением образцов. Измерение ВАХ СЭ проводилось на разработанной установке, которая позволяла измерять темновые и световые ВАХ СЭ в ручном и автоматическом режимах.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В таблице 1 приведены в условиях АМ 1,5параметры СЭ изготовленных на основе кремния с гольмиеми без него. Как видно из таблицы 1 наличие гольмияв кристаллическойрешетке кремния практически не влияет на Ux.x. СЭ изготовленных на основе Si. Однако при этом наблюдается заметное повышение тока короткого замыкания. Наличие атомов гольмия в кристаллической решетке увеличивает I_к.з на 1,1÷1,4 %, что в целом приводит к увеличению КПД СЭ на основе Si в среднем на 1,5 ÷1,6 %.
Было установлено, что при термообработке в образцахSi, загрязняющие примесные атомычетко осаждаются вокруг полей напряжения кластеров. Поэтому стабильность параметров Si(ρ и τ) легированном гольмиемпри термообработке объясняется активным захватом дефектов и вредных загрязняющих примесных атомов кластерами гольмия.
Таблица 1. Параметры солнечных элементов с примесными атомами гольмия и исходного материала

СЭ на основе Si				СЭ на основе Si
Uxx мВ	Ik мА/см^2	FF %	ȵ %	Uxx мВ	Ik мА/см^2	FF %	ȵ %
530.3	22.6	0.64	10.9	531.2	20.8	0.63	9.8
527.4	22.9	0.66	11.3	530.4	21.4	0.60	9.6
528.2	23.2	0.65	11.4	529.6	21.3	0.62	9.9
526.3	23.2	0.66	11.5	528.7	21.2	0.61	9.7
529.2	23.1	0.65	11.4	529.4	21.3	0.62	9.8
531.4	23.5	0.65	11.6	532.3	21.4	0.61	9.9
532.3	23.4	0.65	11.6	533.4	20.7	0.64	9.9
533.6	23.6	0.65	11.7	534.5	20.6	0.64	10.0
534.2	22.7	0.64	11.1	535.2	20.7	0.64	10.1
535.3	22.9	0.64	11.2	534.1	20.8	0.64	10.1
530.7	23.1	0.64	11.2	533.3	20.9	0.64	10.1
531.8	23.3	0.65	11.5	532.4	21.3	0.64	10.2
532.6	23.8	0.65	11.7	531.7	21.5	0.64	10.3
533.4	22.8	0.65	11.3	530.8	21.7	0.64	10.4
534.6	22.4	0.65	11.1	533.6	20.6	0.64	9.9