Применение лазерной обработки в технологии изготовления солнечных элементов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ



Херсонский индустриальный институт

рукописи

ПОТЕХА Сергей Васильевич

ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ В ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Марончук И. Е.

Херсон

1992

ОГЛАВЛЕНИЕ:

Введение,

о о

Гл. 1 .Лазерная обработка в технологии изготовления еовре.....

менных солнечных элементов (обзор литературы):

§1 Современные - кремниевые СЭ ...................... г.... 8

§2 методы лазерно-стимулированного изменения структуры эмиттерной и базовой областей,............................... 22

§3 Локальная лазерная обработка в технологии ФИ ........ 39

Гл. 2 Методика обработки образцов, изготовления солнечных элементов и исследования их свойств:

§1 Экспериментальные образцы ........................... 56

§2 Экспериментальные установки, использовавшиеся в работе. ......,................................................... 61

§3 Исследование свойств СЗ и обрабатываемых структур,.

t'yO

Гл. 3 Лазерографичеекие методы в технологии солнечных зле.....

мент об.

§1 Лазерографичеекое формирование структур в системе полупроводник--диэлектрик..................................... 79

§2 3{арактеристгси С3} изготовленных с использованием лазерографйй................................................101

§3 Влияние лазерной обработки на качество эмиттерной и базовой областей............................................. 125

Гл. 4 Лазерные методы разделения и коммутации при изготовлении солнечных батарей.

§1 Лазерная резка и окрайбнрованне элементов из моно- и поликристаллического кремния,............................... 139

52 Лазерная коммутации солнечных элементов в батарею., . 150

§3 .Лазерная коммутация элементов батареи на основе аморфного гидрогенизированкого кремния................................................172

Заключение,.-183

Список литературы,..............................•.......185

I S t-i

vi jíJIS] OiJöVcilllAYi Jicio'ipHüi'ü ü'ttei a ' i)0üJí6

ли i йи]i lu другим 0Пс:рац.йм.м информация jIMüo ПроДСТсШЛбНа. 6ДМНИЧНЫМЙ РаООТаМИ, í ció DaüuTn.a й .ïii-:0Jit'хЮЬешйУ Jíció Ci ÜOCi. ИМ У ЛЙрО"

Jí. í i 1 1 1 л

íiv

i чпыл. Jaiciu'.;»! i V.D.' ,

достижения поставленной цели решались следумние зада

ji В W i» 1Я j i i ^ ' ^ ]i I m l| V - i»'

) ' X , ' L k- i íi i ir L j f 4>f 1 I

i r t » 1 . lï t < , 1 ч VjiVl 1 1J , ] J J Í' 1 t ',>

i I i И i I 1 ! Ч ) î'i il ) i1 1 i jl

' t I ' t < t- ■ J? I 1 1 1 л I I

S it » r! I ' i- V I < i J L H < I

i I S 'i, /i! Ub ' » Hi/ '.•'<,„■' DZ-ÍX1 í/í MC l 1.Ш .№.,■>.,. Л',- iiUüarJtid.

í. ' i r / 1 I / l * i £ i >\ 'J : I

1 I /< I , 1 í V S rt ii 1 П 4

i i j ! nüj]víí>/pwü'i'-a,rbíiH'--i00-s"íuJ'o, профилированного в виде уяог

1 I I! I 1 I ' ' * J* ' 1 il J

До .oíüt/o Л с íUUifj ¡y. L>ciö sjn ДО, ¿:> оаьП^А^ю

l.ïi 4ri;i¡

t t i i

I :.J и. i

h Ï L 1

1 i /

•âu.ij. i лпапп ■'v

.'Vö £

Cl

L

* j

> , >> L -fl 1 Vj J I

J> 'ill

■"Г-. ; ; i. J !.. . . , .. . V ■■■■ .i i j. Ч • I ! t

i [ ! il

i/1

I /

«.tí. J I

I 1 I I J. 1

Л1>о, jbNÂVAL. ЗЛ^ЧСТРОНН

() 1 Г К .

шке о локт роно тиму лири.вш4ни

-X íL-tJ Hl Ii V

Л6KT p И 46 G KMX

'If '

TI • !i

I (

1 J. i 1 1 J í JI

n

i ni

>IJtO (.»С1Ж

r 1 I Ml J

i К!

jUt'l'li

J

ЛШ

ib ног о Haï

уотолличажого рж

i i ¡ fi y l\ !

1 i л

Üv-:i.>ct.urt0 ?й .як

::и.ш.н ¿ i'" ис л

111 kl 1 î i '

„ífcíuíiOM ¥ Дс1

.1 • ) i

-Г .O I

■ "Ri ï ii i/ÏV.'

1 J J !

àiViiî

( t L

jiii '.J.K.:U

l I ( ' и

I I J tt

I -) J Í

ÍJ J'ïiJ

f

л

i

KL i. У/t

I i iiC »

y

M .-.•.

( : .

. : V !

N

¡.i

í i

L t.- íííl i

ческие процессы, что повышает производительность и экологическую чистоту,

2. Локальное лазерное удаление тонкой диэлектрической пленки с поверхности пластины с последующим заполнением удаленных участков металлом может использоваться для получения контактной системы ФП различных конструкций, металлического рисунка при формировании вертикальных зон высоковольтных фотопреобразователей ,

3. Термоетимулмрованное удаление приповерхностных областей 03 с помощью лазерного луча используется в техпроцессе N 4668016.01201,00012 для разделения планарного р-п-перехода.

4. Дазерноотимулированное разложение тетразтоксисйлана и тетразтоксититана до окислов За)£ и Тсоответственно может использоваться для локального формирования защитных и легирующих пленок,

ь, Лазерное сверление кремниевой пластины с последующим заполнением отверстия металлом позволяет в одном процессе с операцией формирования контакта получить вывод лицевого кок • такта на тыльную сторону без применения масок, фотолитографии и высокотемпературных обработок,

У. Результаты исследования лазерного скрайбирования и резки используются при обработке пластин с неплоским рельефом, многослойных, с ориентацией (100) в техпроцессах N 4668016, 01201, 00007, N 4668016.01201.00010, Основные результаты и положения, вшосшые на защиту.

1. Удаление с полупроводниковой подложи пленок на основе 310^ , ТЮ^> толщиной до 1 мкм с помощью лазеров спектрального диапазона от 0,19 до 10,6 мкм с длительностью импульса более 10 не происходит при превышении плотности мощности излучения порогового значения 1п, при котором приповерхностная область полупроводника испаряется и давление паров превышает адгезию пленки,

2, Пространственная и временная локальность тепловыделения и селективность поглощения излучения на границе двух сред при лазерографии приводит к высокой скорости процессов перекристаллизации, наращивания и удаления слоев.

3. Замена традиционных ик,.ч г.'-»;"- лазером приводит к росту эффективности обработки, j с повышает экологическую чистоту в операциях:

- изготовления контактов для планерных ; "решетчатых", высоковольтных ФИ;

- разделения планарного р-п- перехода;

■ локального наращивания диэлектрических слоев;

- решделения структур с неплоской поверхностью, мно.....

послойных3 произвольной ориентации;

■ пайки 00 ив моно и тюлш-фксталличесрюго кристаллического кремния:

вывода лицевого контакта на тыльную сторону пластины;

- коммутации элементов иг сшорфного гидрогонизированного кремния,

-Р, -'

ГЛ. 1 ПРЙШНЕКЙЕ ЛДОЕРШЙ ОБРАБОТКИ В ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

КРЕМНИЕВЫХ 00, §1. Современные 00 на основе кремния

1 1 К Ц 1 4.1 Д. !1Ч1Ц.Г /

) I Я 1 1- л. ! II J П Г „ 1 } 1

мости и высокой эффективности для крупноыасштсюн()го применен»-Фотозлектрических систем, несмотря на то, что максималвпая еу лектявность преооеазованил оо достигнута вон иинольсинсшии ж.

С ^ 1 -¡г ± Г* I i 2.

ймость этих материалов не позволяет в настоящее время расоч.к

ТЫВа'Г!) ка ШЖ. ПлЛйМсг р ЧСи Ьис? ИиПчЛ.Л1>ои£>С1ГШЬ, ¡1СШОилиСС рсМ,;х!ии1, х рс

не иным мате риалом полупроводниковом. Фотозневгстики до наито^ шево времени остается кремнии, сотому 0;Ях.изоот,ьу1ит такие фуя'Лч.

1 <1 < 11 I I I I г

ЛгШСЧСША О

всего ггоакти

шгиг

I

I I (

^щися! '->№ и лет. 1 г> И л % I , у

<Г)

чПий .он,у т ¿.'С пт*?! 1 Я Л К1КТ И В Н О С 'Г В фОТ о .в

цнк-ва яараметров юлз Фотоиопизадии л

Ю, 1 '-'»К 1 [.'ухчг. 1..1 (¿<сУЧ1 л.ч.ч/ц О ХС'ЛСИй ' У1 МиЬШШ

¡1 Л!; тЛ'и 5 ;,и¡'.Я IВОМИОI.:НОВО ТО X пИ ЧООКО.ГО 0еШ"НИЯ. 1ИКО£< п, гЫО<. ¡.-у пЛолаеПиЙ КС'ЯСЧЯ у/ КЦИИ СОЛНечНОГ

и7

1"

Т......

.......

i компания í Uxx, 1 Iко, ! FF,! EfíSj S, j ! MB i MA/CM2.: % I % i С Vi

\.....-..................-...........I.........- 1........................!..............í.....................f................

iËraC 1592 ! 31,5 ¡79,1 i 14.. 8} 4,1 .......H--............................f..............r.............-.........i..................

¡ Spec tro 1 a,Ы 505 | 36,7 |7б,9| 16,8Í 15,74

S.......-...............-....................I................!..............................г..........i-................-.....i.............

! 3d i re 1634 í 36,3 ¡31,6! 18,8! 4,02

i...............................................I...........H............-..................I................!..............................I......................

! Stanford 1631 i 41,0 178,4! 31,91 0,152 ; Stanford i 702 j 40,7 ¡773?! 22,2 j 8,525

¡Oak Ridge ¡657 i 36,0 i 81,6! 19,3| 4,0

!Aatropower|53б ¡26,0 168,5! 9,6¡ 0,12

i il.!!!

I.Â3i; г oponer 1600 I 33,0 Ï79.2Î 15,7 i 1,02

i il ils

1.............................-..........H................"i".......................i.....-...........a......................!.....-..................

I v/est irr i 502 í 31,6 !80,7¡ 15,4 i 1,02

ighouse Í598 ¡ 30,4 |79,Ь! 14,5i 24,5

¡Vestirv 1637 j 33,7 ¡76,2 i 16, Sí 1,0

ighouse i| Iii

i................-......-.......-.............h...........-4..................... -1 -.......{-—............!...........-...............

i University i 636 Î 37,2 j03.2¡ 20,6 ¡ 4,01

! of New ¡608 ; 35,7 {73,1 | 17,3; 4,12

¡South j628 j 41,5 !79,6j 20,8j 0,301

i feies ¡629 i 37,8 ¡79,11 18,6 ! 11,98

! ......-.....-...........-...........í...... ...... .s......................... !..............i.............. !..............

примечание ¡ !

денточ, Si I монокриет, Sí j шкокрист. Si !

точечн, ко ht. I iокриот. Si !.

о Si f

пленоч, полиЗ! на стали ! пленоч, полиЗ! на керамике j

монокриет,. Si j

монокриет. Si¡ полиЗ! (Wakerj mohos i : конц, ¡ монокриет. Si i

та(5л, 1 ~ < л , ,. , , , ;

основе Si с - i i T i , j i

некоторых 03 на

Я > V?,

мента в качестве основной, ота конструкция представлена на

рис. 1, Ешешняя, обращенная к падающему излучению область

Гзмиттев) имеет малую толщину 'как правило менее 0.5 мкм)

■ *' 20 >'{ Ъ

сильно левирована (10 ,10 1/см ) примесью, например,

фосфором.

Базовая область обычно имеет значительную толщину ( до 300 мкм) и слабо легирована (до концентраций 10^ : 1/см^ )

бором, .Лицевой контакт изготавливается в виде сетки с минимальным затенением, тыльный как правило сплошной. Разделен-

ные полем р ят- перехода ГшВ в верхней а-области .передвигаются вдоль слоя, в базовой области поперек слоя. Диффузионная длина 1Ш8 в эмиттере обычно составляет 00 0,6 мкм. в базовом слое 100-200 мкм, что зависит от концентрации примеси и режима тевмообваботок.

и<. 1 п Hi и f И и1-! t 1 1 Jiijj l ) <r ii HI л. it

Г i 1 ' j I 1 Г li 1 i.

x 1 a_ f" n| I u uf t i

излучения с знергией nV Ьйя толищна Разовой ооласти должна

till > П Of J у}, J Oi i н" 1 j,

' а ь J I i a' ' < t |чi L,b i

I Uil >J r { } ' i 7 J I t I I j i J t~i i

11 j a j i ! i i L> t J i x i

Я Г I Я i ^ U 1 i n П !l , i 1

iHMbiM uoразом

jj'i

i t r » Í til i i i i. _ i

парной конструкции создан в соответствии с рас четом и точно гслнолигиеи, то вольтамп^рнын характеристики оозко улучшаются

и I Т и i j л<- t < i

1 s <- I п> "íil i i1 iiij

ток, генерируемый элементом под действием освещения, часть ко

t 1 i l ¡i ? -Ч и li 1 1 V,

Lf-- h-I (í)

L-Io(e*p(f/kT)4) (Z)

) '¡ni i T i

i u T 1

:исщ,п

и '

• АДЩГ

J lificind¡.'пи! u J i i I f j V r '

1 i Ci '

I ' с „Ii

- 12 -

- темновая характеристика, в которой J0 обратный ток насыщения р-n-перехода; q ■ варяд электрона; 7" абсолютная температура; К- постоянная Болыдмана; и~■напряжение. При разомкнутой внешней -дели по уравнению (1) можно определить напряжение холостого хода солнечного элемента:

(5)

Для реального солнечного элемента характерно наличие последовательного сопротивления Rn, которое складывается ив последовательно включенных сопротивлений контактный слоев, сопротивлений каждой ив р- и п- областей элемента, переходный сопротивлений метали-полупроводник, а также шунтирующего сопротивлений Roí, отражающего возможные поверхностные и объемные утечки по сопротивлению, параллельному р-гг-переходу. Учет этих сопротивлений и рекомбинации в р-n-переходе приводит к развернутому выражению для вольтамперной характеристики: £ 3 ,/•

В зависимости от уровня напряжения механизм протекания обратного тока насыщения черев р-го переход меняется, 'Как правило этот ток представляет собой сумму двух токов, В связи с этим уравнение вольтамперной характеристики солнечного элемента записывают в следующем виде [113:

Motfar ~J* (s)

где Ля обратный ток насыщения, определяемый диффузионным механизмом протекания тока через тонкий р-п-- переход ,

Тог обратный ток насыщения, возникающей ©следствии рекомбинации в области р-n-перехода [121, При этом обычно А-2.

Па рис, 2 представлена типичная вольтамперная характеристика: световая (измеренная на имитаторе внеатмосферного Солнца) и темновая (измеренная с приложением внешнего смешония в прямом (IV квадрант) и обратном (II квадрант) направлениях),

ЧЗ--

Рис.2 Световая м темнэвая

Cü из ^ононриоталяячеекего

Для СЗ наземного применения диодный коэффициент А обычно имеет значение около двух. Его величина зависит от материала подложи и технологии изготовления., На основании теории, в которой было выдвинуто предположение, что в области объемного заряда имеются ловушки ИЬкли-Рида-Дуглла [13], Букингеы и Фолкнер сделали Физическое обоснование описанной модели р.....п~перехода и показали влияние различных Факторов на коэффициент А [14]. Вследствие образования ионных пар ловушки Шоклк-Ри-да-Холла создаются только в р-области. Ионизированные примеси некоторых металлов, присутствующие в полупроводнике, легко объединяются в пары с акцепторными ионами при температуре диффузии, в то время как процесс образования таких пар в материале п-типа маловероятен, так как те же самые примеси в полупроводнике с/ а проводимостью не ионизированы. Это важно учитывать при исследовании характеристик СЗ, так как основная масса приборов наземного применения производится на основе кремния р типа и, кроме того, основная часть носителей генерируется в базе 03.

Г и I *

•уации и зя^епш

^ 11.

) ! • ¡.и *

В I I 11 J

¿личные кон-

то г

те н"

ЛШНг

Я X (

11

ДЛИ: <■ I ! 1

ЛЗВМА иуиц с. ил.. Ч^ 1 В I |г-

т |..-> г '/('5 Иг

л I I 11

' 4)1 1 ) I ) I

• 11 I I 1 "" л 1 111

мо .1ящ/ шрч; л

:Т ОбТЙОНИТЬ НОЛ';

иди равным двум,

1 и и. I

ТОКОЫ И фОТОТч., ) В С Г'' Ше Н С ТI: О ВЭЛ' Ь Т

Ч ,1

, И I I *! -

111 II

■'1

.'па псц.

I 11 1-

1 I 1 г 1 I ,1

' I

ЦЙУГ

параметрами, определяющими фотоэлектрические характеристики ФП, Конструкция ФП, обладающего вьюоким КПД, должна обеспечивать максимум I и минимум потерь носителей заряда в базе, легированном слое, р-п-переходе и на поверхности. Для Ш из любого полупроводника задача оптимизации параметров, влияющих на I как правило, проще, чем оптимизация параметров, определяющих Uoc, Поэтому достижимое на практике значение Нос позволяет оценить потенциальный КПД ФП, тогда как \ зачастую' уже приближается к теоретически возможному пределу,

IIa Uoc доминирующим образом сказываются ре комбинационные потери, которые могут меняться на порядки величины в зависимости от конструкции и технологии изготовления ФП, Неосновные носители могут рекомбинировать в различных областях ФЕ В случае толстого ФП рекомбинацию на поверхности, в р-п-нереходе и легированном слое следует свести к минимуму, ц потери неосновных носителей заряда будут определяться их временем жизни, В ФП с тонкой базой рекомбинация в базе может быть уменьшена, и доминирующими окажутся потери, обусловленные рекомбинацией носителей на свободных поверхностях и на границах с контактами,

К основным нововведениям в конструкцию ФП, внесенным в последние годы, следует отнести:

текстурирование и просветление поверхности

- пассивация поверхности и изготовление легированного слоя с низкими рекомбйнациошшми потерями

уменьшение площади контактов и применение гете-рострук-турных контактов для снижения потерь носителей заряда на границе с контактами.

- обеспечение высокого уровня инжекции и других условий, ведущих к уменьшению I.

1 i v »*t л in /м iffiil в первую

т j и > 1- f * и i -шя зффектив-

'< V i/t ]i I Ii f U t v iL ii Л ЭД СОСТОИТ Б

■j i i u -iii t i i я u ' i ли) нанесении

i мл t ^ » vi i » л в сочетаний с

- i t ние до уровня

ijivm í..!¿.i.i

■-i'".' ¿-•■.'.„'J.

г

l 'r: .nef Ii

аода'ПМ

\...........

Тип СЭ jüxx, j 1кз5 f FF,|Eff, i 5, ! материал

мВ I mA/ow*

.......-.......I..............................

% I % Icm-4

i......-........i......-...........b.................

максимум i 800 ¡44 |87 | 31 j j

-...........-........-............H-................I........-...........h..................!'

точечн, контакты

681 | 41,5 |78.6¡22,310.15! MOHOSÍ

I ! i {высокоом--

| i ! ¡ ный .......I...............!............j...................b..............................-

561 í 38,3 182,4120,9| 4

I ! ! 1

.........................i.........i-............Ч--......-

634 | 39,3 179,4119,8 i 12

! i i I

пассив, эмиттер

595 i 34,8

i...........-.....i....................h

77,5116,5

4

mohosi

0,2 Ом см

1

...............!......-............-.........1.....-.......... i...................-.....f-

пассив. 1696 | 40,3 |81, 4 j22,3! эм. , тыл s i 1 j 1

МОно3i

10 Ом см SÍLSO

моноЗi

LTT-2?, 5% ЮОхАШ. j 5

'i

табл. 2 Характеристики некоторых солнечных элементов с высокой эффективностью преобразования излучения.

Рис. 3 Захват света в структурах с текстурированмем верхности.

тыльной поверхности, На рис. 4 представлены сечения ФИ, в которых реализованы описанные выше идеи. В табл.. 2 приведены характеристики некоторых ФП с высоким КОД

Использование описанных методов позволило добиться эффективности преобразования 28,2% (АМ 1,5 6-27 С) [17.1. Конструкция изображена на рис. 4, г. Использовался кремний р~типа,у2*0. 2 Ом-см, выращенный зонной плавкой. Хорошо пассивированная поверхность и высокое время жизни в базе привели к высокому Уоо. Лицевой контакт касается поверхности через отверстия в окисле плошадыо 0,5% от общей площади поверхности, Шдконтактная область легирована сильнее чем эмиттер также для снижения тюд-контактной рекомбинации. Тыльный контакт также касается базы посредством отверстий в тыльном пассивирующем окисле. Комбинация алюминия на тыле в пассивирующий окисел обеспечивает 97% отражение фотонов "синергией 1.1 эВ, Структура "Перевернутой пирамиды" на поверхности выполняет две функции. -Во-первых снимет отражение света от поверхности, а во вторых, в сочетании с тыльным отражающим ¡контактом образовывают световую ловужу. Шесте с тем авторы отмечают, что на образцах с полированной поверхностью значение бос достигало 705 мВ, чего^^етуъ случае -уу текстурированных ФИ

! i 1С

1КТ0.В МОГУТ

ииСлсди'

I О 1

единицы ш

логически проводило*.

второй ма>

Л (

Затем, тк

а

1 I >> I 1 5

I ) 1

| 1 I Д I ^ х

1 В 4

пвоеветля

1 ^ л > 5

г

^ < ( !

к. иг

» < I

иумпьллаахш)

¡1 Я 1 <.

ТВ под кон

а,

>",.",V.----П' < ^С/

1ШОН'

шие и 11 ас с ив и р уюш

ч I , 1 I (

1> ¡и

;ме п.

т

«л

I . 4

I I

I. - .С

ТА К/Т

ТЫАЬНоН'! КОНТАКТ

а

КОНТАКТ*

¡IV с!

ЫЛЬНЬШ КОНТАКТ

Тк(ЛЬНЫй КОНТАКТ

9

14 кТ

* I X 't^í^

- 91 ....

.1

сравнении с некоторыми другими ФП приведены в табл. 2 Авторы [173 считают, что далвнейшее снижение отражения от поверхности позволит довести эффективности преобразования до 24%.

Среди некристаллических материалов для ФП основным является аморфный гидрогенизированный кремний (a--Si: Н) 1183.

В настоящее время 40% мировой продажи ОБ приходится на элементы из аморфного кремния Г1Ш, Несмотря на значительную конкуренцию со стороны тонкопленочных ФП на основе CUISe, CdTe, поликремния и