Исследование физических свойств профилированного кремния для фотопреобразователя тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

те Од

!чУРДНСКИв| ГОСУДЛРСТБЕНмс.-й УЫпС'ГГ-О-г

г. > >■ |

' Специализированный совет г- 063.73,

по математическим нау:.'ам

На правах ручописи

УДК 546.28:621.382

МАГВЕЯКИН Михаил Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОФИЛИРОВАННОГО КРЕМНИЯ ДПЯ фОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕИ

01.04.07 — физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискан!»е ученой степени кандидата физи'го—математических наук

Краснодар 1994

Работа выполнена в Куьанском государственном университете

Научный руководитель доктор физико-математических

наук, профессор Хабаров 3.Н.

Официальные оппоненты: доктор физико—математических

наук, профессор Муравский Б.С., кандидат физмко-математинэски;' наук, доцент Гаврияов А.И.

Ведущая организация

Научно-производс.тренное -»редприятие АО "САТУРН" <г. Краснодар)

Защита диссер тац^и состоите я 1 имя*; 1994 г. в 14 часов на заседании специализированного Сооета К 063.72.0^ при г.убанском государственном университете по адресу: 350640, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149

С диссертацией можно ознакомиться в научной оиЬлиотеке университета.

Автореферат разослан 31 мая 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета канд. физ.—мат. наук, доцент

/id /. LL< \ А.А. Евдокимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РнБОТЫ Актуальность темы» Преобразование солнечной энергии в элокт ричесгую является одним из перспективных направлений современной энергетики, раогитие которого осуществляется в рамках национальных и международных программ. Исследования полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей <й#ЭП> в настоящее время -активно ве^ут— ся в двух направлениях: первое - разработка и создание высокоэффективных ФЭП сложных конструкций на основе совершенных монокристаллов; второе — разработка дешевых технологий ФЭП на основе аморфных и поликристаллических материалов. В связи с этим в последнее время получили развитие технологии выращивания поликристаллического кремния для ФЭП.

Одним из наиболее экономически перспективных путей получения подложек для ФЭП является выращивание по способу Степанова замкнутых тонкостенных кремниевых профилей, но высокая неоднородность физичеких свойств профилированных кристаллов, наличие границ зерен и других злектрически активных структурных дефектов снижает КПД С1ЭП на и.; основе. Поэтому необходимым условием повышения КПД ФЭП является изучение механизмов образования этих дефектов и возможных путей управления ими, что и определяет Актуальность работы.

Работа выполнена в рамках региональной научно-технической программы общегосударственного значения, утвержденной постановленном ГКНТ и Госплана СССР N0 41/32 от 19.02.S6

Цель работы. Провести комплексные исспедования физическ* я свойств профилированного кремния, выращиваемого в виде тонкостенных замкнутых профилей способом Степанова, и установить влияние этих свойств на параметры ФЭП, изготавливаемых на профилировании-подложках, выяснить причины, снижающие эффективность ФЭП. Конкретные задачи исследования.

1. Исследовать морфологмю макроструктуры кремниезых профилей.

2. Исследооа^ь неоднородность кремниевых профилей по толщин»» вдоль и поперек; направления роста и ее связь с макроструктурой.

Провести измерения температуры вблизи фронта кристаллизации £» процессе выращивания кремниевого профиля, оценить ее влияние на толщину.

4. Исследовать распределение электропроводности и времени жизкь неравновесных носителей заряда в профилированных кристаллах в з? висимости от макроструктуры кристалла. Установить влияние отжиг » на распределения этих параметров.

5. Провести исследования распределения КПЦ для ФЭП с различно"

гтруктурой псдложкм, выяснить связь структуры и КПД.

é». Разработать методику оптических измерений упруги*»: напряжений в к'ремниевых профилях- Исследовать распределения .напряжений по плошали и по толщине в кремниевых профилях. Сценить неоднородность по ширине запрещенной зоны в профилированных кристаллах«

Научная новизна cocí *эит з комп чексности проведен» »ых чсследп-ваний и статистическом подходе к оценке полученных реультатов:

1. Установлено распределение моноблочных, мозаичных и двойниковых областей в структуре многогранных тонкостэнных крэмниевых профилей, отклонение кристаллографической ориентации от традиционной-

2. Установлены корреляция колебаний толщины профиля и температуры Формообра^ователя, толщины и макроструктуры исследуемых кремниевых профилей.

3. Установлена связь распределения времени жизни неравновесных носителей заряда, электропроводности и макроструктуры профилированных кристаллов.

4. Установлена зависимость КПД фЭП пт структуры профилированнх подложек, обнаружена существенная неоднородность по КПД при делении

на фрагменты.

5. Разработана методика оптических исследований упругих напряжений г- профилированных кремниевых кристаллах, установлена неоднородность кремниевых профилей по толщине с помощью разработэнчой мота-дики, корреляция ширины запрещенной зоны и морфологии макроструктуры.

Практическая ценность. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы при разработке и оптимизации технологий по производству нподнородных,в частности, профилированных поликристаллов и различных типсв ФЭП на их основе. Измеряя собственые параметры материала и изделий на его основе,можно корректировать условия роста, предсказывая их влияние, на изменение собственных свойств на основе полученных корреляционных оценок. Полученные результаты могут также быть полезными для формирования общих физических представлений о кинетике процессов переноса энергия в неоднородных средах и могут быть исг.ользоеаны на предприятиях, разрабатывающих исследующих технологии фЭП: АО "Сатурн" (г.Краснодар), НПО "Квант" ('-. Москва), Гиредмэт (г. Москва), ФТИ им А.ф. Иоффе (Санкт-Петербург) и др. предприятиях электронной и электротехнической промышленности.

Основные научные положения,_иынисичые на защиту. 1. Результаты исследования морфологических типов макрострук-

туры кремниевых многогранны)? профилей, выращиваемы:: способом Степанова, связь макроструктуры г условиями роста.

2. Результаты исследований связи толщины, макроструктуры и температурь? вблизи фронта кристаллизации при выращивании профилей.

3. Корреляционные зависимости собственных параметров профилированного полик'ристйллического кремния — электропроводности и времени жизни неравновесных носителей заряда о— морфологии макроструктуры поликристэ ллоп.

4. Корреляция мор оологии структуры профилированных »грем! «иовых подложек и основных параметров изготовленных на пиу Ф>П, и как одно из следствий - снижение КТ1Д ФЭП за счет неоднородности подложек из профилированного материала.

б. г.ботанная ме т одика оптический спектралы ¡ых иге ледов л—

ний распределения уппугих напряжений в профилированных кремниевых кристаллам.

6. Результат'-» исследований распределения упруги- напряжений по площади и толщине кремниевых профилей.

Апробация, работы. Разработанные методики и сделанные н<? и ' основе корреляционные оценки использовались для совершенствование т ехнологическ'ого процесса по изготовлению наземного примене-

ния на одном из ведущие предприятии, выпускающем о промышленные объемах солнечные модули из полупроводниковых ФЭП — Краснодар ском НПП "Сатурн" 1после приватизации — Акционерное общество открытого типа "Сатурн").

Результаты работы докладывались также на шести всесоюзных совещаниях и конференциях: 2-й Всесоюзной конференции 'Структура и плектрониые свойстпа пяниц зерен в металлах и полупровод»»и--ках", Воронеж, 1937 г.; Всесоюзном совещании "Перспективы развитая и создания единой научно-технической, производственной и эксплуатационной ьазы Краснодарского края по использованию возобновляемых источников энергии и .чреблемм их использования в народном хозяйстве страны", Геленджик 1988 г.; Всесоюзном совещании пп по луче» 'и к. профилированных кригтоллоо и изделий способом Степанов.и и их применению в народном хозяйстве, Ленинград, 1983 г.; 7-и ..'Сти ко» »ференции гю росту »кристаллов , Москва , 1983 г . ; совещании-семинаре "Амсрфные полу» проводники и диэлектрики на ос-ягзо кремний в электропике", Одесса 1939, 3-м Всероссийском научном семинаре "Новые материалы длг? гелиознергетики" Геленджик, 19'-.' г.

Публикации. Основные результат ? исследовании опубликованы п

девяти научны« раьотл;:

Структура и объем работы. Диссертация состоит из взеден^я, четырех глав, заключения и списка литературы. Общиг* объем диссертации составляет страниц. Иллюстративный материал состоит из ^ рисунков и ti таьлиц, размещенные по главам. Список литературы содержит 4Z3 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Б: с» введении рассмотрены научно—технические и экономические аргументы в пользу развития производства и внедрения нетраопционных возобновляемых источи*ков энергии и, р частности, полупроводниковых солнечных элементов — ФЭП; определены задачи ра&эты, обосновывается новизна и перспективность выбранногс направления исследований.

Повышенный интерес к фотоэлектрическому способу преобразования энергии обусловлен реальной возможностью создания стабильных >'< •кгмлу7«ции, дешевых и высокоэффективных фзП. Приплскательными являются внешняя простота ФЭП, как источника энергии, отсутствии движущихся и трущихся частей", "бесшумное" пребразование солнечной р< лиации в электрическую энергию, благодаря достигнутым экономическим показателям (20—40 ц-?нт»/кВт-ч электроэнергии, полу-ч«»»4нои с помощью фЭП) сегодня сложилась ситуация, приведшая к образованию pui jk j в области иг пользования полупроводниковой фотг.-энерг*. гики, потребности которог о растут примерно на 257. в год. "■»то стало возможным в результате ра^вип я технологий томкоплрно-» чныи фЭГ , появление сравнительно дешевых технологии аморфных и поликригталличесиих материалов.

Наиболее распространенным полупроводникопым материалом для производства ФЭП является монокристаллическии кремний "солнечкого1 класса, получаемый в слитках способом Мохральского. Потери моно-кристалличггкого кремния при традиционно»"* технологии изготовления объемных фЭП достигнет 7IV.. Использование профилированного кремния , пплучг*г.»мсг о способом Степанова в виде полых тонкостенных многогранников, сырьем для которых могут служить отходы кремниевых монокристл ппов ргзличньг* полупроводниковых технологий, позволяв- существенно удешевить технологии» изготовления фЭП за счет исключения наиболее "затратны;:" тс'Х.'ю 'огичпских операций по разделке слитков и механической oóp«6oTicc? пластин-подложек.

Профи пирсам» и.:и кр -»ммии яи п*пг?т с. sj по/., пф металлом, получаемым в существенно нестационарны.; условиях, что требует постановки зз-

дачи nf> мсслодосзиию СБОИСТО СЗМГ" D нооднгрсд) ¿oro материала и '4?"ч 1 изгото^л-гнны»; нэ поликристаллическ-иг подложках« Многофакторности, с г? ян«? И плрлмг^рм 'З.-.'П и млтгридла подложек, существенно усложняг?-мач неоднородностью объомньи' свойств самого материллт, потрслогз.э-лл исследосамии ьол.ших серии CL-.'p.rir цоп и примени» шя мртодоп ст;,-тистичсскои оьра5отки ?кспе?оим5нтллы 1ы>; результатов, что >i £ыяо сделано п \оде йыполириия patío? ь:.

tí первой г л л с с псиз t?дани iVpaTKH«? en елсни я о хамалы-юм этапп исследований полупрсс.сдни^от.гс ¿ЭП, изложены Физические принципы работы О? ", рассмотрены осиссные? паре/ с-ры м<зт?-риа та и ФЭП , определяющие эффектис?»¡ость преобразования zunpi ни, приведены теоретические оценки предельно достижимых знэчений КПД, сделан краткий обзор .литературные даннмх о рекордных достижениям о области материалов и конструкций полугроводниковых ФЭП,

Использование полупр^юедниковых ФЭП началось после 19ЬЗ г, дальнейший мощный импульс полупроводниковая фотоэнергетика получи л £. после 1958 г. с началом создания и запуска космических лппа-ратоз.

В основе работы фЭЛ лежит Фотов ольтзич ее кий эффект п р—п переходе. Фотовольтаическое преоьразззание энергии можно списат, количественноv если рассматривать ссоощгннмй р—п переход как генератор постоянного тока, соединенный -параллельно с идеальным р—п переходом. Реальный однородный ФЭП может быть описан с помощью уравнения, аналогичного уравнению * вольт- .мперной характеристик 1 (БАМ) идеального р-n перехода, включакщего три дополнительных параметра: диодный коэффициент А, последонательное сопротивл.ни& нп и шунтирующее сопротивление Иногда при расчетах параметроо

игпеяьзуннг более сложные модели.

Несколькими авторами разработан ряд достаточно точных методик, позволяющих по измеренным световым и темповым ВАХ ФЭП рас— с*'нтлть темное ой ток параметры Л, R^ , Я'«, и выяснить физичес-

кие? процессы4 приводящие к низкой эффективно ги ФЭП. Однакл практически пег методики пооволшот оцениоать спойс-.sa ФЭП с помощью усредненных па[_ лметр^в как не соого локального и однородного объекта. На са*<оь. деле, о большинстве фЭП р-n перевод, J4'«-», Ru» и другие г-араметры " распределены" по оч носительно большой площади, что приводит (особенно при сильно выраженной ниднородиости материала лод.южки, как, в частности, это имеет место з нашем случае, при использовании профилированного поликремния) к появлению градирн-потенциала, существенно снижающих \ как показано в глазе '3)

КПЦ Поэтому в оощем случае неог1:-{одимо описывать ф^П модс?-

лыо с распрепеленмымм параметрами. К сожалению, в общем виде расчет семеиств параметров такого фЭП сталкивается с практически иопрсоддлимыми матоматическ: 1ми трудностями.

На основе анализа литературных данных можно привести предельные теоретически достижимые значения КПД для раоличнах типов ФЭП. ¿ч также рекордные значения выходньг: праметров, достигнутые для. различных типов, что позволяет оценить возможна перспективы улучшения технологии промышленного производства фЭП на профилированных неоднородных поликристалах. Так, оценка зависимости идеальной э (рфективности ФЭП от ширины запрещенной зоны Е^ при 300 К и мсшно-сти падающего светового потока 844 Вт/мг (условие Ahí,5) дает максимум КПД 317. при Fe -1,2 эВ. В каскадных ФЭП с последовательно соединенными гомо- р—п переходами теоретически достижимый КПД при АИ 1,5 достигает 68*/.. Варизонные фЭП имеют максимальный теоретический КПД при AMI,5 Практически достигнуты следующие рекордные значения КПД (при AMI,5)г 27,5% - на ФЭП из моночремния; 277.— на фЭП с гетерс^структурой, полученной в едином эпитаксиальном процессе; 10,244 — на интегральном субмодуле ФЭП из аморфного крем— ния; ló,6—I6,97i — на ФЭП из междендридных кремниевых лент; 17,8%— на фЭП из поликристаллического кремния.

Вторая глава посвящена исследованию связи макроструктуры и физических свойств профилированного кремния z условиями роста.

Основные морфологические свойства поликристаллов, получаемых способом Степанова, обусловлены нестационарностью процесса крис— ^анлизации, который протекает при больших градиентах температуры с прикристаллизационном слое, поэтому вблизи фронта кристаллизации легко возникает флуктуации состава, плотности потоков массо-

переноса и связанные с этим релаксационные процессы, пооождающие

i

существенную неоднородность кремниевых лент и замкнутых профилей, получамых способом Степанова. Тем не менее технологические усилия по стабилизации ростового процесса делают возможным выращивание профилированных кристаллов с локально однородной морфологией макроструктуры , что позволяет ставить вопрос о выяснении связи технологических условий роста и макроструктуры кристаллов.

Б данной главе расг>«отрены услозия затравленна кремниевых профилей, проанализированы преимущественные направления роста и типичные формы морфологии макроструктуры поверхности, механические колебания и температурные флуктуации в расплаве, влияние тех-

мологичсских условий роста на дефектность кремниевых кристаллоо, сделан литературный о&зор, цкли>ча>- \-1Й около 60 научных публикаций по пыш&на&ванним вопросам.

На ростояой установке РЕ^ГГГ-ЮМ пропедо».ы измерения колеба— ний температуры на гэормооб'разспателс? вблизи фронта кристаллизации с помощью взльсрамренисзон термопары 0.° 5/20 п процессе ь-зтраоли— сания и вытягивания рссьмигранного тонкостенного кремниевого про— аиля длине;'} 180 см, со скоростью 1,5 см/м;,м. Дифференциальная схема измерения темпера", уры имп-^а чувствительность л,05-0,03" С пр*. средней температуре п измеряемой то'х^г? -141С. Установлено, что при включении вращения тигля с расплавом возникал» колебания температуры амплитудой 1—1,5° С с периодом 12 с, близким к периоду вращения тигля. После эатраоленил п процессг? роста кристалла спектр колебанмй температуры приобрел достаточно слоя'ньгй характер: о нем преобладали гармоники с периодом Ю—20 с и амплитудой 1—4° С, наблюдались также достаточно крупные флуктуации температуры, достигаопие 10-13° С и поьтспяЬшиеся через 4—о мин. Установлена принципиальная возможность испольасзанля температуры мл Формообразователе в качестве параметра обратной связи при автоматизации процесса затравления, так как при неудачных попытках пат-рявления температура на формообразооателе п момент отрыгзч"* (1417° С) с среднем в трех попытках была на 5° С выше, чем в момент примерзания (1412° С).

При измерении толщины профиля ь направлении роста установлена периодичность изменения толщины, а также тс, что кьлебакля толщины являются суперпозицией четырех основных гармоник с длинами волн <им> и амплитудами А* (мкм;:

1» = 22 + 6, А1 175 + 45; - Ь + 2, А^ - + 20;

1.<» - 0,4 + 0,1, А» ~ Ю; « 0,05 ♦ 0,01, А.» - 1;

при этом 7Ь7. проспиля имело толщину в пределах 200-500 мкм. доминирующим является колебание 12« которое наблюдается на 97 4 площади профиля. Наличие колебаний толщины также и в направлении, перпэн-дпкулярном росту с длиной золны и амплитудой С*' + Ю мкм, оег-' нарушенные на ¿8'/. профиля, указывает на то, что поверхность граней тонкостенного кремниевого профиля имеет сложный "холмистый" рельеф. Колебания толщины про ф*-: ля с длинам'1 волн и 1 и коррелируют с колебаниями температуры формообразователя, которые мсгут ьыть уменьшены за счет снижения вертикального градиента температуры расплава п тиглэ.

На основе анализа макроструктуры межкристаллитных границ,

ЬоЬ'.о.^иуих на псгеркность профилей, проведена систематизация структура поверхности кремниевых профилей по трем типам: области, -ос-тог.чир из параллельных полисинтетических двойников; области, со-стзпипс? из кр>пных ьоноблоков ~ межзеренными границами, близкими к направлению роста профиля; области, имеющие мозаичную структуру со сложными изломами границ.

Установлено, что области, имеющие мозаичную структур/ сс сложными изломами границ зерен, составляют 237С поверхности кр^с • ниевых профилей, границы зерен общего типа расположены хаотично на поверхности и в объеме профилированного кристалла- Моноблоки с межзеренными границами, близкими к направлению роста профилированного пристала, составляют 19средний размер моноблзков около 2,5 см2, на боковую повехность профиля моноблоки выходят криста-ллографичгскими плоскостями с больиими значениями индексов Миллера, в частности <531)9 (620), что свидетельствует о нестационар-нпсти режима роста. Области, состоящие из полисинтетических двойников, составляют 58%, плотность двойниковых границ 1-200 мм"1, среднее значение - 56 мм"1, средний угол с направленниом роста составляет 3°, максимальное значение — 20°, предельный угол между смежными двойниковыми областями — 35°.

Остановлена корреляция морфологического типа макроструктуры и толщины профиля. Максимальный удельный вес двойников наблюдается г.ри толщине о - 35С мкм, с уменьшением и ростом толщины число двойниковых структур уменьшается. С ростом толщины растет вероятность образования мозаичных структур и уменьшается доля мо~ ноьлочны;< и двойниковых.

На косом шлифе было проведено исследование неоднородности по толщине профиля. >становлено, что для образцов с преимущест-веннс мозаичной структурой наблюдается значительная неоднородность по толщине, включая наличие внутренних межкристаллических границ, параллельных поверхности профиля. Двойниковые области практически всегда выходят на обе стороны грани профиля, сохраняя собственную структуру по толщине образца, двойниковые границы пересекают боковые грани кремниевых профилей под углом к нормали от О до 20°, поэтому длинноволновые колебания толщины 1* существенно' влияют на морфологию структуры материала.

В третьей главе исследуется неоднородность собственных параметров профилированного кремния и их связь с морфологией макроструктуры, описанной в предыдущей главе, а также кор— рг'л^цмя основных параметров ф>П с макроструктурой.

В качестве исследуемы;' плрлмзтрогз псс.хилирпогичаго кремния 5сяты удельное объемнее с.опротислениа» и вре-мп жиз1 'и нгрги.нсвес-них носителей заряда, таи как они прямо соязгни с працссс.'зми переноса и эффективностью ФЭП, и могут быть измерены в лскальнмх точках ьез разрушений оЬраг,цоо.

Уд=^ъное сопротивление измерялось четырехссндсвы^* т^с-тодом и методом сспротиеления растекания н;л кремниевых п ласти»-»аг; площадью 30 .'с 60 мм^, пырезэнных из восьмигранных профилей. Поверхность образцов Псэред измерением подвергалась химическому травлению г растворе NN03 : НР - 1:3. Высокая локальность метода \порядка диаметра площади контакта в методе растекания и расстояния между крайними зондами в четырехзендовом методе) позволили с высоким разрешением исследовать изменение сопротивления пдпл». и поперек направлений роста профиля. Погрешность измерений находилась в пределах от 5 до 20—30% в зависимости от структурной гзднп— родности исследуемой области.

Среднее значение удельного сопротиления одной из граней и"»— отожженного профиля, полученное усреднением 600 локальных с шагом 2 мм в направлении роста, составило 7,7 0м* см с дисперсией (Ом-см)2. /дельное сопротивление в направлении, перпендикулярном росту, имеет большую неоднородность. Это изъясняется неизотрспностью* морфологии структуры профилей: на них элементы моноблоков и двойников преимущественно вытянуты о направлении рсст-1 профилей.

Для учета влияния дефектов локального типа измерения удельного сопротивления проводились также песле отжига образцов, а для получения большей информации с механизмах переноса исследовались, темпер-лтурные зависимости уде льного сопротивления. Установлено, что удельное сопротивление областей с мозаичной структурой уменьшается с увеличением температуры, что ебъ ясияется темперлтурной -эвисимостью дифференциального сопротивления границ сере»-; общего типа, .пересекаемых линиями тока. Температурные зависимости удельного сопротивления в моноблоках и ползетях полисинтетических ,4г»ойкикои совгадают, что свидетельствует об отсутствии электрической активности деойннковых границ.

Важная информации о свойствах неоднородных 'фемнигвых поликристаллов может быт»г получена при измерении времени жизни неравновесных носителей заряда. Поскольку вре^я- жизни при ¿еезыолучате-льнпй рекомбинации эсратно по величине концентрации рекембинечци— сл ¡чу;; центров, с пядоо?л ель но, оно н£гпосрздств'?кнп1 связано с дефЕ»-

ктами материала: оборванными связями нг». границах зерен поликрпс-тал :оа, искажениями внутренних лотенциалор решетки за счет термических напряжений, примесными дефектами и др.

Измерен;г« срсмени жизни неравнойе~ных носителей заряда г?ы— полнены методом модуляции сопротивления растекания точечного контакта. Погрешность измерений не превышала 207..

Для оценки влияния поогрхностиой рекомбинации на величину времени жизни гроосдена серия измерений на монокристаллических кремниевых дисках с поверхностно нарушенным слоем, полученным при различных способа;: обработки пооерхнсстм. Наибольшее время жизни (слсдопатольно, наименьший вклад поверхностной рекомбинации) наблюдалось при обработке пооерхнссти дисков кислотным полирующим траоителем (НЫОз г НР —1:3).

Время жизни неосновных носителей измерено на образцах с рле -ным типом морфоло.-ии структуры до и после отжига. Отжиг проводился в кварцевом контейнере в воздушной а-.'осфере при температуре 1100° С в течение 3,5 часов. Установлена корреляция времени жизни и макроструктуры образцов. До отжига время жизни неосновных носителей заряда в двойниковых мке) , моноблочных <1,0 мке) и мс •• заччных (1,1 ккс> структурах примерно на порядок меньше,чем после отжига — 12,5, 16,н, 12,2 мке соответственно. Причем вместе с увеличением времени жизни после отжига существенно возросла дисперсия ого распределения.

Наблюдаемые результаты могут быть объяснены, если принять со внимание,что пергоначальное состояние образцов до отжига характеризовалась большими внутренними напряжениями, которые, естественно, возникают 8 образцах при неравновесных условиях роста крек.ни-езого профиля, фиксируемое» увеличение? дисперсии времени :иони .после отжига в десятки раз указывает на формирование неоднородное-тей в пиде дислокаций, окруженных обликами примеси, и относительно чи.тых областей кристалла, расположенных между ними. При отжиге происходит рост как плотности дислокаций, так и проводимости отдельных областей кристалла, что весьма существенно для анализа работы ФЭП на таких подложках

Основные параметры ФЭП: КПД, фактор саполмения тек ко-

роткого замыкания напряжение холостого хода и,,*, темновой

ток диодный коэффициент Л, последовательное и шунтирующее со•

противления К«» ¡^ш определялись с помощью известных методик п.^ экспериментально измеренным темновым и световым ВАХ. Световые ЬАл измерялись под имитатором г.^луче?ния С—1 (условия АЬО.

Поскольку ОЭП изготагливались подложке из профилированного кремния размером оО и ¿0 см= (стандарт производства) , то npt4K-тически не представлялось возможным отобрать достаточное количество образцов с однотипной структурой по всей площади <в f м-ках упрощенной классификации) л.ля надежных статистических оценок связи типа структуры с параметрами ФЭП, поэтому стандартные ФЭП разрезались на фрагменты 15 х 16 мм3 с одинаковым рисунком лице— гой гребенки и неизменным типом макрос» руктуры поверхности по осей площади. Измерения КПД в рабочей точке 8А)( (U — 400 мС) под осветителем с цветовой температурой 28С0 К и плотностью потока излучения Р = 550 Вт/'м= проведены на серии из 325 образцов (размером 15 х 16 мм2),из них 112 съразцов имели двойниковую структуру, 213 — смешанную, то есть состояли из мозаичных и моноблочных областей.

Установлено, что экспериментальное распределение по КПД образцов с преимущественна двойниковой структурой мажет бьп^ представлено суммой двух нормальных распределений с наиболее вероятными значениями КПД 6,8 и Ю,0".. Распределение по КПД образцов со смешанной структурой может быть аппроксимировано тремя нормальными' распределениями с центрами тяжести в точках 3,3, 6,2 и 9,9*/.. Характер распределения КПД ФЭП со смешанной структурой объясняется с помощью трех сановных каналов рекомбинации: рекомбинацией в ct-ъеме зэрен; через межкристаллитные границы, расположенные вдоль линии тока; через межкристаллитные границы, расположенные вдоль о-п перехода. ~:тсхтствие рекомбинации третьего типа на двойниковых структурах (нет максимума вблизи точки 3,dV.) объясняет более высокую эффектинасть ФЭП на подложках с преимущественно двой— пиковым*; гракчцами,. КПД фЭП с двойниковой структурой больше КПД

со структурой межкристаллитных границ общего типа в среднем на 152.. Характер распределение основных параметров ФЭП указывает на более высокую однородность ФЭП с двойниковой структурой по параметрам КПД, t-f5 I»««» К«-», ft«..

При сопоставлении КПД стандарт фЭП с КПД их фрагментов (КПД измерялись э рабочей точке BAiO с тан озлено, что средний КПД фрагментов ФЭП практически всегда больше КПД исходного фЭП до его разделения на части. В среднем эта разница составляет 10"i, а на отдельных образцах со см-эшанной структурой прееышает ЗОХ. Этот факт подтверждает предположение о том, что в неоднородных подложках существенны потери энергии, обусловленные "шунтирующими токами" которые, естественно, плюсуются с потеря* и, обусловленными

г.> /идс? ¡^¿емт 2.гь»-!8.:ми ссонстсами однородного кристалл«:!»

¡лз полуи2нну?: результатов мокнс сделать вывод, что, несмотря 1ггр лс!нитг1"ьнэ ьольшие размерь; орагм*?нтов, они соизмеримы с неоднородностью сссйстг. .материала СОП по площади, а сопоставление КПД ;то~ ФЭП их взаимного расположения указывает на плат

периодические изменения собственных параметров профилированной по л ложки, »»©посредственно влияющие на изменение • эффективности Л, такие измзнониа могут быть оызсаны "замороженными" после быстрого ахл.пгдг:.*;ия полями упругих »«"ряжений в поликристалле,

Ь четвертой главе отражены результаты исследовании упругих чапргжг-нии п профилированных кремниевых кристаллах, влияющих на КПД <ЬЭП.

,Члг; проведения исследований зыла раораьотана специальная мете дика, позволяющая путом оптических измерений оценивать в л ока— ль»<ых точках образца изменение ширину запрещенной зоны и плотности состояний. Эта методика язлгется оригинальной, и,.сак свидетельствуют полученные* результаты 1 пригодна для измерения неоднородности полупроводниковых материалов, выражающейся в упругом нэп-ряжении кристаллической решетки, создаваемом внутренними деформа-цигми. Методика основана на сравнении дисперсионых зависимостей собственного поглощения полученных экспериментально дли исследуемого профилированного и эталонного монокристаллического кремниевый сьр!зцсп (информативно также и относительное изменение поглощения для исследуемого образиа) вблизи края полосы поглощения с диапазоне длин волн 980—1200 нм при последовательных позировках кристаллов. По иэдереным спектральным зависимостям коэффициентов отражения и пропускания рассчитызался коэффициент поглощения и строились спектральные зависимости, линейно описывающие собстсен— »-юе поглощение (для имеющих место непрямых переходов > л области края полос» поглощения в координатах Ьу:

(аЬ' •) 1 — В1. - +• с.^,/ — с поглощением фо» юна,

\ixhv) - — - Ер, > - с испусканием фонола,

где а — коэффициент поглощения, пу - энергия фотонг, — энергия фонона, — ширина запрещенной зо», &к и В г коффиционти, связанные с плотностью состояний. При сопоставлении дислерсмонны:: кривых, изморенных на образцах с идоальнои и деформированной »кристаллической решеткой, в »»ервом приближении их мгжно совместить друг с другом, скещая послед» по»э по осям координат ма сгличииы и б (ahv> 1 =, которь'е нс?ь /т инфор* ацп»с о нап,., яж.-енп^х г. профилированном кремниевом кристалле (следует определить независимо сьа

смещения, так как коэффициенты В4 и Ва зависят от величины деформации решетки). Прямая связь параметра бКаЬу)*'* и величины упругих напряжений кристаллической решетки подтверждается измерениями микротвердости.

Исследования однородности кремниевых пластин по величине остаточных напряжений с помощью разработанной методики позволили установить, что распределение напряжений по площади пластин, на которых иг?готавлиьаются ФЭП, адекватно действию теплового поля в процессе вытягивания профиля способгм Степанова. Это устгновлоно при сопоставлении полученных экспериментальных данных с данными, описанными в литературе для модельных кристаллов.

Возможности используемой методики позволили провести локальные измерения распределения напряжений по толщине профилированных пластин, что имеет важное значение, так как именно в этом направлении происходит перенос и разделение неравновесных носителем полем р -п перехода при фотоэлектрическом преобразовании энергии.

В результате этих измерений установлено, что распредглеьие напряжений по толщине профилированных кремниевых пластин имеет симметричный вид относительно обеим поверхностей пластины и обусловлено действием теплового поля вблизи ростового узла, следовательно, геометрия формообразователя и выращиваемого профиля ягля-ются решающими факторами появления напряжений в поликриста -глах, л сайо наличие этих напряжений формирует неоднородность раслределг-!'иг собственных параметров полупроводникового материала.

Ширина запрещенной зоны, измеренная в рамках данной методика, (при усреднении по областям растяжения ежлтия решотки кристаллл) коррелирует с типом макроструктуры и составляет для областей профиля с двойниковыми границами 1,131 + 0,0<**39 эВ, для мозаичных областей - 1,137 * 0,0058 эВ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработав комплексный подход в исследовании физических свойств профилированных к^емниеямх кристаллов, установлена корреляция между структурой кристалла и распределениями электропроводности, времени жизни, коэффициента оптичес:со "о поглощения, ширины запрещенной зоны, влияющими на параметры ФЭП ич профилированного кремния.

2. Установлено, чте области, имеющие мозаичную структуру со г ложными изломами грл! шц .з«:р£?? } гогт^л лтгп г 2. поверх! гости крпп -

. их г.рофилеи, границы зоы; евшего типа расположены хаотично

на поверхности и в объеме профилированного кристалла; моноблоки с межзере: иными границами, близкими к направлению роста профилированного кристалла - 19%, на боковую поверхность профиля моноблоки выходят кристаллографическими плоскостями с большими значениями индексов Миллера, в частности (531), (62<*>) , что свидетельствует о нестационарности режима роста; области, состоящие из полисинтетических двойников, — 534, плотность двойниковых границ 1—200 мм""1, среднее значение — 56 мм"1, средний угол с направленнием роста составляет 3°, максимальное значение — 20°, предельный угол между смежными двойниковыми областями — 35°, двойниковые границы пересекают {Токовые грани кремниевых профилей под у. лом к нормали от О до 20°.

3. Колебания толщины граней профилированных кремниевых кристаллов (при скорости роста 1,5 см/мин) являются суперпозицией четырех основных гармоник с длинами волн (мм) и амплитудами А* (мкм):

1» « 22 + 6, А» » 175 ± 45; = 6 + 2, А* = 69 + 20;

1з « 0,4 +■ 0,1, Аз - 10} = 0,05 + 0,01, А-» - 1;

колебание с длиной волны 1* явлгетс я доминирующим и наблюдаете я на 97/С площади профиля. Колебания толщины в направлении,перпендикулярном рзсту,с длиной волны 1 я и амплитудой Зи + 10 мкм обнаружены на 68% профиля. Для всех образцов характерно уменьшение толщины от центра к ребрам много, раннего профиля, составляющее в среднем 110 ± 40 мкм.

4. Колебания температуры вблизи фронта кристаллизации в процессе рос га профиля имеют сложный спектр, в котором преобладают гармоники с периодом 10—20 с и амплитудой 1—4 °С, присутствуют и более высокочастотные составляющие, а также значительные флуктуации температуры 10—15 вС, повторяющиеся через 4-6 мин. Колебания толщины профиля с длинами волн 1ж и 1а коррелируют с колебаниями темпер а тур ы формообразователя, которые могут быть уменьшены за счет снижения вертикального градиента температуры расплава в тигле.

5. Распределение границ зерен по поверхности граней профиля практически не меняемся при толщинах с) < 350 мкм, при толщинах й > 350 мкм площадь, занятая параллельными двойниками и моноблоками, уменьшается, а мозаикой — растет, поэтому длинноволновые колебания толщины 11 существенно рлияют на морфологию стоуктуры материала. ^

6. Распределение удельного сопротивления вдоль направления

роста характеризуется средним значением 7,7 Ом-см и дисперсией 9,42 (Он*см/г. Резкие скачки изменения удельного сопротивления соответствуют переходам от двойниковой к мозаичной структуре профиля , в силу этого неоднородность удельного сопротивления профиля выше в направлении,перпендикулярном росту. Удельное сопротивление областей с мозаичной структурой уменьшается с увеличением температуры, что объясняется температурной зависимостью дифференциального сопротивления границ зерен общего типа, пересекаемых линиями тока. Температурные зависимости удельного сопротивления в моноблоках и областях полисинтетических двойников совпадают, что свидетельствует об отсутствии электрической актисности двойниковых границ.

7. До отжига наиболее вероятное время жизни в образцах с двойниковой структурой составляет 1,3, с мозаичной — 1,1, с крупными моноблоками — 1,0 мкс. После отжига для указанных областей соответствующие значения времени жизни возрастают до 12,5, 12,2, ч 16 мкс, при этом существенно'увеличивается дисперсия этого параметра для каждого типа структуры. Этот факт объясняется стоком рекомбинационных центров к межкристаллитным границам в процессе гтжига.

5. Характер^ распределения КПД ФЭП с различной структурой (наличие трех экстремумов) объясняется с помощью трех основных

каналов рекомбинации: рекомбинацией в объеме зерен; через межкри—

/

т т ч лпитные границы, расположенные вдоль линии тока; через межкри— ст*ллитные границы, расположенные вдоль р-п перехода. Отсутствие рекомбинации третьего типа на двойниковых структурах объясняет болер яысскую эффектиность ФЭП на подложках с преимущественно двойниковыми границами. КПД ФЭП с двойниковой структурой больше КПД ФЭП со структурой межкристаллитных границ общего типа в среднем на

9. Средний КПД фрагментов ФЭП, измеренных в рабочей точке 8АХ <и = 400 мВ),больше КПД исходного ФЭП до разделения, измеренного в той же точке, в среднем на на 1ОХ, что являете я следствием неднородности профилироваиного кремния и приводит к дополнительным потерям при преобразовании энергии. Таким образом, максимальное значение КПД батареи ФЭП может быть реализовано за счет уменьшения площади ФЭП и их коммутацией на оптимально согласованную лля элементов батареи нагрузку. Распределение основных параметров указывает на более высокую однородность фЭП с двойниковой стоуктурпй по параметрам КПД, !•««», К«,

10. Угол Брэгга, межплоскостное расстояние, параметр решетки изменяются после отжига как в большую, так и п меньшую сторону, что указывает на неполную релаксацию упругих напряжений после отжига — области сжатия кристаллической решетки чередуются с областями растяжения. Среднее значение параметра решетки после отжига возрастает на 0,019Х), что свидетельствует о преимущественной деформации сжатия до отжига.

11. Разработана оригинальная методика исследования упруг их напряжений в профилированных кремниевых кристаллах, основанная на локальных оптических спектральных измерениях коэффициента поглощения в области '•хвостов" плотности состояний. Остаточные напряжения периодически изменяются по площади и толи|ине кристалла. На поверхности наблюдаются области растяжения и сжатия решетки, в объем? кристалла (по толщине грани профиля) области растяжения решетки чередуются с областями сжатия, имея симметричный характер относительно боковых поверхностей профиля.

Ширина запресюнмой зоны (при усреднении по обласям растяжения и сжатия решетки кристалла) коррелирует с типом макроструктуры: для областей профиля с двойниковыми границами составляет 1,131 + 0,0039 эВ, для мозаичных областей - 1,137 + 0,0058 эВ.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. -Особенности оптического поглоо|ения, обусловленного меягзе-ренными границами и объемными дефектами/ H.H. Богатое, B.C. Касаткин, В.Е. Крицкий, Б. П. Масенко, Ii.П. Матвеякин, Э.Н. Хабаров // Тезисы докл. 2-й Всесоюзной ко»*ф«ленции "Структура и электронные свойства границ зерен в металлах и полупроводниках". — Воронеж, 1987.- С. 43.

2. Морфологические особенности поликристалличтских многогранных труб кремния/ Н.М. Богатое, В.Е. Крицкий, Б.П. Масенко, М.П. Матвеякин, Э.Н. Хабаров//Кубан. гос. ун-т.- Краснодар, 1987.

- 12 е.- Деп. в ВИНИТИ 09.09.87, No 7190-В87-

3. Особенности оптического поглощения кремниевых лент/ Н.М. Богатое, В.В. Касаткин, В.Е. крицкий, Б.П. Масенко, М.П. Матвеякин, Э.Н. Хабаров// Кубан. гос. ун-т.- Краснодар, 1987.- 8 с.

- Деп. в ВИНИТИ 09.09.87, Ng 7191-В37.

4. физические особенности замкнутых кремниевых профилей, снижающие КПД и экономическую эффективность изготовления солнечных элементов / В.Е. Крицкий, М.П. Матвеякин, А.Н. Трофименюэ,

">.Н. Хабаров// Тезисы докл. Всесоюзного совещания 11 Перспектив н pcsf-пития и гозвзния ел иной научни-техничрскг.^, производственной и эксплуатационной базы Краснодарског о крля го использованию позоб-• тплчг,ми:,' »источников энергии и про tint 'i.-: их использования n * snpo-дном хозяйстве страны".- Геленджик, С. £7-88.

Ь. <icrледопяние сзмзччегких свонсто кремния, выращенного п виде многогранных груб метолом Степанова/ В.Е. Крицкий, М.П. Мзт-ггякии, Н.М. БjraToo, Э.Н. Хабаров, В.В. Касвткин, К.П. Масенко// ft лтес. Всесоюзного совещания по получению профилированных крис— плог, и изделий способом Степанова и их применение о и*» под ном хозяйстве.- Ленинград, 1939,- С. 182-1S7.

¿з. Проявление геометрических и морфологических неоднородное-тг»и при выращивании многогранных кремниевых труб методом Стелано— г./</ И.П. Матпе«1кии, Т.Д. Овчинникова, В.В- Касаткин., Э.Н. Хабаров . Н.И. Богатое, Б. П. Масенко// Там же - С. 188-192.

7. Иатпгякин Ь.П. , Криц»««"» ft-E., Хабаров Э.Н. Влияние* условии роста на физические характеристики профилированного кремния, иг ПОЛЬ" VPMOrn ,7 ля проигзоодстпз фотоэлектрических по еобр л ЗОВ Л; тс лей // Расширенные тезисы докл. 7—й Всесоюзной конференции пэ росту чгисталлов и Симпозиума мо молеку лирно— лу* ten ой чпитдксии. — Москпа , - Т.?.- С. "344- 3>!5

3. Кпия: нш Формоо*-»п дог-пания н-ч лиг локационну.э структур»/ замкнутого профилированного коемния / Н М. Боглтов, M.S. Закс, - . f г ♦■•'пицкпй. I*.. J. !"!лтr?cCTifti, й. И. Грофимпнко, Э.Н. ХаЬлрсп // Смерник матс?р. Совещания-семинара "АмооФныне полупроводники и ди-f)t,ii"i пики »г .л c>r* I *пп кремния п э лектронике". — Одесса , i 989. — С. 7 !

Млтчгякин f4.il. Хабаров Э.Н. Оценка влияния иеодмпроднгсти ^собственных плрамс?трзс профилированного кремния на эффективность ~ "то;лс;.: грим» ч. ;;огп преобразователя // Тезисы докл. ".-го Гсгрос — r:vmc>cnro научного семинара "Новые материалы для гелпоэнергетики" >ггмд«и\', С. 35.

Подписано о печать 30.05.94 г. фоомат бумаги ¿г.0х?/! ! / ic. Усл.печ. л. У, . Уч. -изд. л. ^ У. ира100 -экз. Иг.гг.г> N ¿^У -Подразделение оперативной полиграфии Кубинского госуни -перситета. 3500*3, г. Краснодар, у .г» Октябрь г кл-:,