Войти
| |||
Аморфный кремний:
|
Аморфный кремний (a-Si ) - это не кристаллическая форма кремния, используемая для солнечных элементов. и тонкопленочные транзисторы в ЖК-дисплеях.
Используются в качестве полупроводникового материала для солнечных элементов a-Si или тонкопленочного кремния солнечные элементы, его осаждают в виде тонких пленок на различные гибкие подложки, такие как стекло, металл и пластик. Аморфные кремниевые элементы обычно имеют низкую эффективность, но являются одной из самых экологически чистых фотоэлектрических технологий, поскольку в них не используются токсичные тяжелые металлы, такие как кадмий или свинец.
В качестве технологии тонкопленочных солнечных элементов второго поколения ожидалось, что аморфный кремний станет основным участником быстрорастущего мирового рынка фотоэлектрических систем, но с тех пор потерял значимость из-за сильной конкуренции со стороны обычных кристаллических кремниевых элементов и других тонкопленочных технологий, таких как CdTe и CIGS.
Аморфный кремний отличается от других аллотропных варианты, такие как монокристаллический кремний - монокристалл и поликристаллический кремний, который состоит из мелких зерен, также известных как кристаллиты.
Кремний представляет собой четырехкоординированный атом, который обычно тетраэдрически связан с четырьмя соседними атомами кремния. В кристаллическом кремнии (c-Si) эта тетраэдрическая структура продолжается в большом диапазоне, образуя, таким образом, хорошо упорядоченную кристаллическую решетку.
В аморфном кремнии этого дальнего порядка нет. Скорее атомы образуют непрерывную случайную сеть. Более того, не все атомы в аморфном кремнии четырехкоординированы. Из-за неупорядоченной природы материала некоторые атомы имеют оборванную связь. Физически эти оборванные связи представляют собой дефекты в непрерывной случайной сети и могут вызывать аномальное электрическое поведение.
Материал может быть пассивирован водородом, который связывается с оборванными связями и может снизить плотность оборванных связей на несколько порядков. Гидрированный аморфный кремний (a-Si: H) имеет достаточно низкое количество дефектов для использования в таких устройствах, как солнечные фотоэлектрические элементы, особенно в режиме протокристаллического роста. Однако гидрирование связано со световой деградацией материала, называемой эффектом Стаблера-Вронски.
Схема аллотропных форм кремния: монокристаллический, поликристаллический и аморфный кремний Аморфные сплавы кремния и углерода (аморфный кремний карбид, также гидрированный, a-Si 1-x Cx: H) интересный вариант. Введение атомов углерода добавляет дополнительные степени свободы для управления свойствами материала. Пленку можно также сделать прозрачной для видимого света.
Увеличение концентрации углерода в сплаве увеличивает электронный зазор между зоной проводимости и валентной зоной (также называемый «оптическим зазором» и запрещенной зоной ). Это потенциально может повысить световую эффективность солнечных элементов, изготовленных из слоев аморфного карбида кремния. С другой стороны, на электронные свойства как полупроводника (в основном подвижность электронов ) отрицательно влияет увеличение содержания углерода в сплаве из-за увеличенного беспорядка в атомной структуре. сеть.
В научной литературе можно найти несколько исследований, в основном изучающих влияние параметров осаждения на качество электроники, но практическое применение аморфного карбида кремния в промышленных устройствах все еще отсутствует.
Плотность аморфного Si была рассчитана как 4,90 × 10 атом / см (2,285 г / см) при 300 К. Это было сделано с использованием тонких (5 микрон) полосок аморфного кремний. Эта плотность на 1,8 ± 0,1% менее плотна, чем кристаллический Si при 300 К. Кремний - один из немногих элементов, который расширяется при охлаждении и имеет более низкую плотность в твердом состоянии, чем в жидком.
Негидрированный a-Si имеет очень высокую плотность дефектов, что приводит к нежелательным свойствам полупроводника, таким как плохая фотопроводимость, и предотвращает легирование, которое имеет решающее значение для инженерных свойств полупроводников. За счет введения водорода во время изготовления аморфного кремния фотопроводимость значительно улучшается, и становится возможным легирование. Гидрированный аморфный кремний a-Si: H был впервые изготовлен в 1969 году Читтиком, Александром и Стерлингом путем осаждения с использованием предшественника газообразного силана (SiH4). Полученный материал показал более низкую плотность дефектов и повышенную проводимость из-за примесей. Интерес к a-Si: H возник, когда (в 1975 г.) LeComber и Spear открыли возможность замещающего легирования a-Si: H с использованием фосфина (n-типа) или диборана. (р-тип). Роль водорода в восстановлении дефектов была подтверждена группой Пола в Гарварде, которая обнаружила концентрацию водорода около 10 атомных% через ИК-колебание, которое для связей Si-H имеет частоту около 2000 см. Начиная с 1970-х годов, a-Si: H был разработан RCA в солнечных элементах, благодаря чему в 2015 году его эффективность неуклонно повышалась до примерно 13,6%.
| CVD | PECVD | Каталитический CVD | Напыление | |
|---|---|---|---|---|
| Тип пленки | a-Si: H | a-Si: H | a-Si: H | a-Si |
| Уникальное применение | Электроника большой площади | Безводородное осаждение | ||
| Температура камеры | 600C | 30–300C | 30–1000C | |
| Температура активного элемента | 2000C | |||
| Давление в камере | 0,1–10 Торр | 0,1–10 Торр | 0,001–0,1 Торр | |
| Физический принцип | Термолиз | Диссоциация, вызванная плазмой | Термолиз | Ионизация источника Si |
| Фасилитаторы | W /Ta нагретые провода | Катионы аргона | ||
| Типичное напряжение возбуждения | RF 13,56 МГц; 0,01-1Вт / см | |||
| Источник Si | SiH 4 газ | SiH 4 газ | SiH 4 газ | Целевая |
| Температура основания | контролируемая | управляемая | управляемая | управляемая |
Пока -Si страдает от более низких электронных характеристик по сравнению с c-Si, он гораздо более гибок в своих приложениях. Например, слои a-Si можно сделать тоньше, чем c-Si, что может дать экономию на стоимости кремниевого материала.
Еще одно преимущество состоит в том, что a-Si можно наносить при очень низких температурах, например, таких низких, как 75 градусов Цельсия. Это позволяет наносить покрытие не только на стекло, но и на пластик, что делает его кандидатом для технологии обработки с рулона на рулон. После осаждения a-Si может быть легирован способом, аналогичным c-Si, с образованием слоев p-типа или n-типа и, в конечном итоге, для образования электронные устройства.
Другое преимущество состоит в том, что a-Si может быть нанесен на большие площади с помощью PECVD. Конструкция системы PECVD оказывает большое влияние на стоимость производства такой панели, поэтому большинство поставщиков оборудования уделяют особое внимание разработке PECVD для повышения производительности, что приводит к снижению стоимости производства, особенно когда силан является переработанным.
Массивы небольших (менее 1 мм на 1 мм) фотодиодов из a-Si на стекле используются в качестве датчиков изображения видимого света в некоторых плоских панельные детекторы для рентгеноскопии и радиографии.
Калькулятор "Teal Photon" на солнечной энергии, произведенный в конце 1970-х годов Аморфный кремний (a-Si) использовался в качестве фотоэлектрического солнечного элемента материала для устройств, требующих очень мало энергии, таких как карманные калькуляторы, потому что их более низкая производительность по сравнению с по сравнению с обычными солнечными элементами на кристаллическом кремнии (c-Si) более чем компенсируется их упрощенной и более низкой стоимостью нанесения на подложку. Первые калькуляторы на солнечной энергии были доступны уже в конце 1970-х, такие как Royal Solar 1, Sharp EL-8026 и Teal Photon.
Совсем недавно усовершенствования в технологиях изготовления a-Si сделали их также более привлекательными для использования солнечных элементов большой площади. Здесь их более низкая собственная эффективность компенсируется, по крайней мере частично, их тонкостью - более высокая эффективность может быть достигнута путем наложения нескольких тонкопленочных ячеек друг на друга, каждая из которых настроена для хорошей работы на определенной частоте света. Этот подход не применим к элементам c-Si, которые имеют большую толщину из-за своей непрямой запрещенной зоны и, следовательно, в значительной степени непрозрачны, блокируя попадание света на другие слои в стопке.
Источник низкой эффективности фотоэлектрических элементов на основе аморфного кремния в значительной степени связан с низкой подвижностью дырок в материале. Такая низкая подвижность дырок объясняется многими физическими аспектами материала, включая наличие оборванных связей (кремний с 3 связями), плавающих связей (кремний с 5 связями), а также реконфигурацию связей. Несмотря на то, что была проделана большая работа по борьбе с этими источниками низкой мобильности, данные свидетельствуют о том, что множество взаимодействующих дефектов может привести к ограничению мобильности, поскольку уменьшение одного типа дефекта приводит к образованию других.
Основные Преимущество a-Si в крупносерийном производстве не в эффективности, а в стоимости. В элементах a-Si используется только часть кремния, необходимого для типичных элементов c-Si, и стоимость кремния исторически вносила значительный вклад в стоимость элементов. Однако более высокая стоимость производства из-за многослойной конструкции на сегодняшний день сделала a-Si непривлекательным, за исключением тех случаев, когда их тонкость или гибкость являются преимуществом.
Обычно тонкопленочные элементы из аморфного кремния используйте структуру вывода . Размещение слоя p-типа сверху также связано с более низкой подвижностью отверстий, что позволяет отверстиям проходить на более короткое среднее расстояние для сбора до верхнего контакта. Типичная структура панели включает стекло передней стороны, TCO, тонкопленочный силикон, задний контакт, поливинилбутираль (PVB) и стекло задней стороны. Uni-Solar, подразделение Energy Conversion Devices, произвела версию гибкой основы, используемой в рулонных кровлях. Однако крупнейший в мире производитель фотоэлектрических элементов на основе аморфного кремния был объявлен банкротом в 2012 году, поскольку не мог конкурировать с быстро падающими ценами на обычные солнечные панели.
Микрокристаллический кремний (также называемый нанокристаллическим кремнием) представляет собой аморфный кремний, но также содержит мелкие кристаллы. Он поглощает более широкий спектр света и гибкий. Технология модуля на основе микроморфного кремния объединяет два разных типа кремния, аморфный и микрокристаллический кремний, в верхнем и нижнем фотоэлектрическом элементе. Sharp производит клетки, используя эту систему, чтобы более эффективно улавливать синий свет, повышая эффективность клеток в то время, когда на них не падает прямой солнечный свет. Протокристаллический кремний часто используется для оптимизации напряжения холостого хода в фотоэлектрических элементах на основе a-Si.
United Solar Ovonic Линия по производству фотоэлектрических солнечных батарей с рулонами с годовой мощностью 30 МВт Xunlight Corporation, которая получила более 40 миллионов долларов институциональных инвестиции, завершила установку своего первого широкополосного рулонного фотоэлектрического производственного оборудования мощностью 25 МВт для производства тонкопленочных кремниевых фотоэлектрических модулей. Anwell Technologies также имеет завершила установку своего первого завода по производству тонкопленочных солнечных панелей a-Si мощностью 40 МВт в провинции Хэнань со своим собственным разработанным оборудованием PECVD с несколькими подложками и несколькими камерами.
Аэрокосмическая промышленность продукт с гибкими тонкопленочными солнечными панелями от United Solar Ovonic Фотоэлектрические гибридные тепловые солнечные коллекторы (PVT) - это системы, которые преобразуют солнечное излучение в электрическую энергию и тепловая энергия. Эти системы объединяют солнечный элемент, который преобразует электромагнитное излучение (фотоны ) в электричество, с солнечным тепловым коллектором, который улавливает оставшуюся энергию и удаляет отработанное тепло. от солнечного фотоэлектрического модуля. Солнечные элементы страдают от падения эффективности при повышении температуры из-за повышенного сопротивления. Большинство таких систем могут быть спроектированы так, чтобы отводить тепло от солнечных элементов, тем самым охлаждая элементы и тем самым повышая их эффективность за счет снижения сопротивления. Хотя это эффективный метод, он приводит к недостаточной производительности теплового компонента по сравнению с солнечным тепловым коллектором. Недавние исследования показали, что a-Si: H PV с низкими температурными коэффициентами позволяет PVT работать при высоких температурах, создавая более симбиотическую PVT-систему и улучшая характеристики a-Si: H PV примерно на 10%.
Аморфный кремний стал предпочтительным материалом для активного слоя в тонкопленочных транзисторах (TFT), которые являются наиболее широко используется в электронике с большой площадью, в основном для жидкокристаллических дисплеев (ЖКД).
Жидкокристаллический дисплей на тонкопленочных транзисторах (TFT-LCD) демонстрирует процесс компоновки схемы, аналогичный тому, что используется в полупроводниковых изделиях. Однако вместо того, чтобы изготавливать транзисторы из кремния, который формируется в кристаллическую кремниевую пластину, они изготавливаются из тонкой пленки аморфного кремния, которая наносится на стеклянную панель. Слой кремния для TFT-LCD обычно наносится с использованием процесса PECVD. Транзисторы занимают лишь небольшую часть площади каждого пикселя, а остальная часть кремниевой пленки стравливается, чтобы свет мог легко проходить через нее.
Поликристаллический кремний иногда используется в дисплеях, требующих более высоких характеристик TFT. Примеры включают небольшие дисплеи с высоким разрешением, например, в проекторах или видоискателях. TFT на основе аморфного кремния являются наиболее распространенными из-за их более низкой стоимости производства, тогда как TFT из поликристаллического кремния более дорогостоящие и гораздо более трудные в производстве.
