
- •1. Конструкция солнечного элемента и принцип его работы
- •2. Спектр солнечного излучения, основные параметры излучения
- •3. Типы солнечных элементов, основные параметры определяющие характеристики сэ
- •4. Основы процесса преобразования света в сэ, Соотношения для тока и напряжения фотоэлемента
- •5. Основы процесса преобразования света в сэ. Соотношения для тока обратного смещения
- •6. Влияние дополнительных факторов в реальных сэ
- •7. Эквивалентная схема для солнечного элемента. Вах солнечного элемента
- •8. Влияние содержания примесей в кремнии на эффективность сэ
- •9. Солнечные элементы на основе кремния - технология. Очистка кремния. Siemens-процесс
- •Достоинства и недостатки Siemens-процесса
- •10. Солнечные элементы на основе кремния - технология. Изготовление фотоэлектрических преобразователей
- •11. Потери мощности в солнечном элементе
8. Влияние содержания примесей в кремнии на эффективность сэ
Электрически активные и неактивные примеси оказывают сильное влияние на электрофизические характеристики кремния и параметры солнечных элементов. Они приводят к изменению времени жизни, коэффициентов поглощения, увеличению скорости поверхностной и объёмной рекомбинации, изменению скорости диффузии элементов при легировании. Наличие примесей изменяет удельное сопротивление кремния и областей готового прибора. Однако изменение сопротивления не всегда однозначно связано с концентрацией примесей, так как возможна компенсация их действия.
Для особо чистого (ОСЧ-5) SiO2, применяемого для получения кремния высокой чистоты, лимитируется наличие десяти электрически активных примесей, общее содержание которых не должно превышать 10-5% (по массе). К таким примесям относят Al, B, Fe, Ca, Mg, Na, P, Ti, Sn, Pb. Технический кремний (после восстановления SiO2 в печи с углеродом) содержит 98-99 % Si. Быстро диффундирующие примеси тяжелых металлов (Fe, Cu, Au, Cr , Zn и др.) и Al при кристаллизации Si по методу Чохральского и при бестигельной зонной плавке оттесняются из твёрдой фазы растущего кристалла в жидкую зону и при многократной зонной переплавке их концентрация не превышает 5∙1011 см-3.
Так как давление насыщенных паров фосфора при фиксированной температуре выше, чем у кремния, то удаление фосфора можно осуществить при высокотемпературном рафинировании жидкого кремния в вакууме. Для удаления бора предлагается окисление его в расплаве кремния в плазме аргона с добавками паров воды. При диссоциации паров воды активный кислород окисляет бор с образованием летучего соединения. Норма содержания бора – не более 0,1 – 0,3 ppm.
Одна из наиболее вредных фоновых примесей в кремнии - углерод. Его содержание не должно превышать 5∙1016 – 5∙1017 см-3. Содержание кислорода не должно превышать 5∙1017 – 2∙1018 , азота – 1012 см-3.
В качестве ориентира можно использовать приводимую на рисунке 1.1 зависимость удельного сопротивления Si от концентрации донорной или акцепторной примесей.
Концентрация примесных атомов, см-3
Рисунок 1.1 – Зависимость удельного сопротивления Si от концентрации примеси.
9. Солнечные элементы на основе кремния - технология. Очистка кремния. Siemens-процесс
Производственная цепочка начинается с диоксида кремния (кремнезема). Кремнезем широко распространен в природе в виде песка, кварца и глины. Превращение исходного кремнезема в высокочистый кремний происходит через следующие основные этапы:
1) восстановление SiO2 до Si в электродуговой печи с графитовыми электродами;
2) получение промежуточного химического продукта, например трихлорсилана;
3) очистка дистилляцией или другими способами;
4) восстановление промежуточного химического продукта до чистого кремния в высокочистых условиях;
5) отливка в формы, удобные для последующего выращивания кристаллов;
6) выращивание кристалла, предусматривающее дополнительную очистку за счет сегрегации определенных примесей.
В результате карботермического восстановления диоксида кремния в дуговой печи при температуре 1800 C получается технический (металлургический) кремний, который затем проходит очистку химическими или физическими методами.
В настоящее время наиболее распространен метод производства поликремния с использованием процесса и реактора Сименс (Siemens). Сименс-процесс − это процесс химического осаждения поликремния из газовой фазы (chemical vapor deposition, CVD).
Исходные материалы (сырье):
Металлургический кремний (MG-Si),
Хлороводород (HCl),
Кремниевые стержни для осаждения,
Высокочистый водород (H2).
Хлористый водород обычно получают прямым синтезом газообразного хлора и водорода, сжигаемых в печах в соотношении, близком к стехиометрическому.
Технологическая цепочка:
1. Синтез трихлорсилана. Первой стадией технологического процесса очистки кремния является синтез трихлорсилана методом гидрохлорирования металлургического кремния при температуре 563-623 K. При этом протекают две основные реакции:
Si (т.) +3 HCl (г.) → SiHCl3 (г.) + H2 (г.)
Si (т.) +4 HCl (г.) → SiCl4 (г.) + 2H2 (г.)
Кроме трихлорсилана (SiHCl3) и тетрахлорсилана (SiCl4) в ходе гидрохлорирования также образуются дихлорсилан (SiH2Cl2) и монохлорсилан (SiH3Cl), но их концентрации на один-два порядка меньше.
Синтез трихлорсилана осуществляют в аппаратах горизонтального и вертикального типов, в которых происходит реакция размельченного кремния с газообразным хлороводородом. Наибольшее распространение получили аппараты с псевдоожиженным слоем.
2. Предварительная очистка и конденсация. Выходящая из реактора паро-газовая смесь содержащая водород, хлороводород, пары трихлорсилана, тетрахлорсилана, примеси дихлорсилана, монохлорсилана, полисиланхлоридов и кремниевую пыль проходит «сухую» и «мокрую» очистку. «Сухая» очистка смеси от частиц кремния осуществляется в циклонах и специальных фильтрах. Сущность «мокрой» очистки заключается в том, что паро-газовая смесь проходит (барботирует) через слой трихлорсилана и тетрахлорсилана. При этом из паровой фазы в жидкую переходят высококипящие примеси (хлориды металлов, полисиланхлориды). Далее очищенная смесь охлаждается и конденсируется в нескольких последовательно соединенных теплообменниках.
Несконденсировавшаяся часть паро-газовой смеси, содержащая 80-90 % водорода, 9-11 % хлороводорода, около 4-8 % трихлорсилана и порядка 2 % тетрахлорсилана поступает в блок финишного улавливания. Сконденсированные хлорсиланы (трихлорсилан-конденсат) поступают в сборники жидкого продукта, откуда перекачиваются насосами для разделения и очистки.
3. Ректификационное разделение. Разделение смеси хлорсиланов проводят в ректификационных колоннах.
4. Водородное восстановление. Выделенный трихлорсилсан подвергается водородному восстановлению. Суть процесса заключается в высокотемпературном восстановлении водородом кремния из трихлорсилана SiHCl3, что описывается следующей реакцией [2]:
SiHCl3 (г.)+H2 (г.)→Si (т.)+3 HCl (г.) (t = 1350 K)
Согласно данным [2,3,4], эта реакция является ключевой особенностью Siemens-процесса. Для осаждения используется реактора стержневого типа. Осаждение кремния из трихлорсилана происходит на затравочных кремниевых U-образных стержнях, нагретых до температуры порядка 1350 К. Вследствие высокого градиента температуры в реакторе, помимо указанной, протекают еще несколько реакций, основным побочным продуктом которых является тетрахлорсилан (SiCl4):
SiHCl3 (г.)+ HCl (г.) →SiCl4 (г.)+ H2 (г.)
В результате, в случае повторного использования оставшегося трихлорсилана, до 2/3 его объема преобразуется в тетрахлорсилан, что можно отобразить результирующей реакцией:
SiHCl3 (г.) → Si (т.) + HCl (г.) + 2SiCl4 (г.)+ H2 (г.)
Образующийся тетрахлорсилан не используется в Siemens-процессе, для компенсации экономических потерь тетрахлорсилан продают, так как он используется не только в производстве «солнечного» кремния, но и в других областях промышленности. Кроме того, для повышения процента повторного использования продуктов, применяют реакцию гидрирования в реакторе с псеводоожиженным слоем катализатора (fluidized bed reactor, FBR), называемом также реактором с кипящим слоем:
SiCl4 (г.) + 2H2 (г.)+ Si (т.) → SiHCl3 (г.) (катализатор – Сu).