Авторы: Антонова В.А., канд. техн. наук, Борщев В.Н., д-р. техн. наук, Копач В.Р., канд. техн. наук, Листратенко А.М., канд. техн. наук, Слипченко Н.И., канд. техн. наук, Тымчук И.Т.
БиблиотекаИсточник: http://www.solar.org.ua/files/docs/1140852372.pdf
Солнечные батареи (СБ) из фотопреобразователей (ФП) на основе монокристаллического кремния и арсенида галлия являются в настоящее время и останутся в обозримом будущем основными источниками электроэнергии для большинства космических аппаратов (КА) [1], в том числе - для отечественных КА серии «Микроспутник» [2]. Поэтому разработка и производство высокоэффективных монокристаллических кремниевых ФП относятся к разряду приоритетных задач космической отрасли Украины, на решение которых направлены комплексные теоретические и экспериментальные исследования, ведущиеся Государственным предприятием «Научно-исследовательский технологический институт приборостроения» (ГП НИТИП, г. Харьков) совместно с Харьковским национальным университетом радиоэлектроники и Национальным техническим университетом «Харьковский политехнический институт».
Результатами предшествующих этапов таких исследований [2] явились разработка конструкции и создание с последующим внедрением в условиях производства ГП НИТИП базового варианта простой, ресурсосберегающей промышленной технологии изготовления радиационностойких ФП n+ -p-p+ типа с площадью ~7 см2 на основе дешевого монокристаллического кремния марки КДБ-10 с двухсторонней полировкой, выращенного методом Чохральского, с толщиной tК = 350±50 мкм, ориентацией (111) и (100) и временем жизни неосновных носителей заряда tn » 100 мкс. При 25 оС в режиме облучения АМ0 коэффициент полезного действия h серийных образцов ФП составляет 12-15%, вырабатываемая ими максимальная полезная мощность, отнесенная к площади (удельная мощность), РОПТ*=165-200 Вт/м2, а к массе (массомощностная характеристика) – РОПТ**=200-245 Вт/кг. Это обеспечило возможность использования разработанных ФП для компоновки СБ космического аппарата КС5МФ2 ,,Микрон” - первого в Украине из КА серии «Микроспутник».
Однако в связи с необходимостью повышения мощности систем энергопитания космических аппаратов и уменьшения их веса актуальной проблемой становится уменьшение массы СБ и повышение КПД, что может быть обеспечено уменьшением толщины ФП, увеличением их площади, а также совершенствованием конструкции.
Целью очередного этапа исследований, результаты которого представлены в настоящей работе, является разработка конструктивно-технологических решений (КТР) тонких (толщиной ~200 мкм) кремниевых ФП с текстурированной фотоприемной поверхностью, которые значительно превосходят ранее разработанные ФП по показателю РОПТ**.
При решении поставленных задач в качестве материала исходных пластин, аналогично базовым КТР, использован кремний марки КДБ-10 с ориентацией (100) и tn » 100 мкс. Одна из планарных поверхностей таких пластин - полированная (14 класс чистоты обработки), другая – шлифованная (8 класс чистоты обработки), что в сравнении с использованием подобных пластин, имеющих двустороннюю полировку, обусловливает упрощение технологического маршрута изготовления пластин и уменьшение их стоимости.
Отличительными особенности новых КТР фотопреобразователей являются:
1) новая конструкция гребенчатого фронтального электрода, оптимизированная для достижения требуемых значений Ропт** и h, а также для повышения технологичности коммутации ФП при сборке СБ и надежности их работы при эксплуатации СБ (рис. 1);
2) введенная в базовый технологический маршрут [2] дополнительная операция по утонению исходных кремниевых пластин до tК = 200±20 мкм и одновременному текстурированию их фронтальной (фотоприемной) поверхности для снижения потерь солнечной энергии на отражение и повышения эффективного коэффициента фотоактивного поглощения солнечного излучения объемом полупроводника [3];
3) оптимизированная операция диффузионного легирования фосфором кремниевой пластины со стороны текстурированной поверхности из жидкорастворной кремний- фосфорной композиции (ЖРК) типа КФК-15-15, обеспечивающая необходимые для решения поставленной задачи значения плотности фототока jФ и диодных параметров: плотности диодного тока насыщения jО, коэффициента идеальности диода А, последовательного RП и шунтирующего RШ сопротивлений.
В случае исходных пластин кремния с обеими полированными планарными поверхностями особенностью химического травления является четкая зависимость получаемого микрорельефа поверхности от температуры и концентрации раствора. Если концентрация щелочи выше 18 % и раствор имеет температуру не менее 100 оС, то поверхности остаются гладкими и блестящими. Если концентрация щелочи менее 15-18 % или температура раствора ниже 100 оС, поверхности оказываются текстурированными с преимущественным возникновением хаотического пирамидального рельефа, высота микронеровностей которого достигает нескольких микрометров. Эта особенность существенно усложняет процесс изготовления тонких кремниевых пластин с текстурированной фронтальной поверхностью и полированной тыльной, хотя такие пластины требуются для многих КТР фотопреобразователей, в том числе и для тыльноконтактных ФП [4,5].
Исследование рассматриваемого способа применительно к задачам настоящей работы показало, что возможен выбор таких условий его реализации, при которых химическое утонение кремниевых пластин сопровождается текстурированием только одной из поверхностей без специальной защиты противоположной. Эти условия можно создать, если в качестве исходных пластин использовать пластины с односторонней полировкой. Для использованных пластин указанный эффект достигается при их травлении в (20-25) % - ном водном растворе КОН, имеющем температуру 90 ± 5 ?С. В результате такого двухстороннего травления, протекающего со скоростью 4,5 – 5,0 мкм/мин, текстурированию подвергалась исходно шлифованная сторона пластины, а исходно полированная оставалась без изменений.
Для проведения этой операции пластины помещались в специальную фторопластовую кассету партиями по 3 штуки, где размещались параллельно друг другу на расстоянии 5 мм. Затем кассета с пластинами опускалась в стальной ковш емкостью 1 л с разогретым до указанной выше температуры травителем. Длительность последующего процесса утонения пластин с 300-350 мкм до 200±20 мкм и их одновременного текстурирования не превышала 15-16 минут.
Характер получаемой при этом текстуры показан на рис. 2. Как видно из рис. 2, планарный размер фигур на текстурированной поверхности, отдаленно напоминающих пирамиды, составляет 200-400 мкм. Высота этих фигур, измеренная прибором М1И – 494.2, колеблется в пределах от 0,5 до 1,5 мкм, возрастая по мере утонения пластины.
На рис. 3 представлена спектральная зависимость коэффициента отражения R для планарных поверхностей (100) кристаллов кремния марки КДБ-10, подвергнутых различным видам обработки: 1 – после химической полировки; 2 – после механической шлифовки и химического текстурирования; 3 – после полировки и просветления; 4 – после текстурирования и просветления.
Из рис. 3 следует, что после текстурирования описанным выше способом величина R во всем спектральном диапазоне незначительно уменьшается по сравнению с ее значением для полированной поверхности. Однако после нанесения просветляющего покрытия из TiO2 на каждую из таких поверхностей эффект просветления в диапазоне длин волн 0,50-0,65 мкм, соответствующем области повышенной спектральной чувствительности ФП, заметно увеличивается в случае текстурированной поверхности.
Одновременное образование анизотипного n+-p и изотипного р+-р гомопереходов с противоположных сторон пластины кремния марки КДБ-10 в результате синхронной диффузии фосфора из ЖРК и бора из твердотельного источника нитрида бора является одной из ключевых операций технологического маршрута, используемого в ГП НИТИП при изготовлении ФП n+ -p-р+ типа [2]. Базовая технология легирования пластины фосфором состоит в нанесении пленки ЖРК толщиной tЖ = 0,1 мкм с последующим проведением диффузии при температуре ТД = 1000 оС в течение tД = 60 минут. В случае полированной поверхности (100) под пленкой ЖРК это приводит к получению n+-слоя однородной толщины tn+ » 0,9 мкм с концентрацией донорных атомов фосфора непосредственно у поверхности ND » 5?1020 см-3. Для таких ФП характерна достаточно высокая плотность фототока JФ » 42 мА/см2, обусловленная исключительно малыми рекомбинационными потерями в р-области и на тыльной поверхности кристалла, а также в обедненной области n+-p гомоперехода.
1.Изготовление ФП на тонких (200±20 мкм) текстурированных пластинах по базовой технологии диффузии фосфора из ЖРК в текстурированную поверхность привело к существенному ухудшению всех параметров, что явилось основанием для предположения о существенной неоднородности толщины n+-слоя, приводящей к возникновению внутри последнего островковых участков р-типа проводимости, локализованных в областях наиболее высоких пирамидальных выступов текстурированной поверхности утоненной кремниевой пластины, по мере приближения к которым tn+ ® 0. Наличие таких участков на непокрытой металлизацией фронтальной поверхности кристалла должно приводить к увеличению сопротивления растекания фронтального электрода, что экспериментально проявляется в значительном росте последовательного сопротивления, а закорачивание n+-p гомоперехода металлом при наличии таких участков под фронтальным электродом обуславливает заметное снижение шунтирующего сопротивления ФП.
Наиболее вероятными причинами указанной неоднородности толщины n+-слоя являются недостаточность как толщины наносимой пленки ЖРК для покрытия диффузантом всех пирамидальных выступов на текстурированной поверхности пластины, так и времени проведения диффузии. Поэтому оптимизация операции диффузионного легирования фосфором кремниевой пластины со стороны текстурированной поверхности из жидкорастворной композиции типа КФК-15-15 осуществлялась путем варьирования толщины ЖРК в пределах от 0,2 мкм (табл. 1; ФП № Т2М1 и № Т3М1; М1 – первый вариант модернизации технологии изготовления n+-слоя) до 0,3 мкм (табл. 1; ФП № Т4М2 и № Т5М2; М2 – второй вариант модернизации технологии изготовления n+-слоя) при увеличенном времени диффузии до tД = 120 минут. Согласно проведенным нами расчетам последнее обеспечивает повышение tn+ до 1,2-1,3 мкм по сравнению tn+ = 0,90 мкм при tД = 60 минут.
Характеристики базовых кристаллов исследованных ФП с площадью 8 см2 и условий проведения диффузионных процессов со стороны их фронтальной поверхности из слоев полимеризующейся жидкорастворной композиции (ЖРК) типа КФК-15-15 даны в табл. 1. В табл. 2 приведены данные о фототоках, фотоэлектрических и диодных параметрах, полученных при аналитической обработке в однодиодном и двухдиодном приближениях [6,7] нагрузочных световых вольт-амперных характеристик исследованных ФП.
Анализ результатов табл. 2 показывает, что ФП, изготовленные по базовой технологии и имеющие толщину 300 мкм (ФП № П1Б; П – полированная фронтальная поверхность, Б – базовая технология изготовления n+-слоя), характеризуются низкими значениями диффузионной (J01 = 9,3?10-13 А/см2) и рекомбинационной (J02 = 6,1?10-9 А/см2) компонент диодного тока насыщения. При указанных J01 и J02 результирующее значение плотности диодного тока насыщения J0 ~ 10-11 А/см2, а коэффициент идеальности диода А = 1,18. Наряду с достаточно низким значением RП = 0,88 Ом?см2 и сравнительно высоким значением RШ = 270 Ом?см2 это приводит к практически не отличающемуся от JФ значению плотности тока короткого замыкания JКЗ, а также к высоким значениям напряжения холостого хода UХХ = 621 мВ, фактора заполнения нагрузочной световой ВАХ - FF = 0,74, тока JОПТ = 37,6 мА/см2, отдаваемого единицей площади ФП в оптимальную по величине сопротивления нагрузку, и напряжения UОПТ = 509 мВ на оптимальной нагрузке. В целом, такие параметры обусловливают коэффициент полезного действия h = 14 % и РОПТ* = 191 Вт/м2, однако из-за массы кристалла mК = 0,56 г при его толщине 300 мкм (табл. 1) массомощностная характеристика ФП не превышает РОПТ** = 273 Вт/кг.
Для ФП № Т1Б (Т – текстурированная фронтальная поверхность, Б – базовая технология изготовления n+-слоя) наблюдается катастрофическое возрастание диодного тока (J0 > 10-7 А/см2, А = 1,89), которое связано в основном с резким усилением рекомбинационных процессов в обедненной области n+-p гомоперехода (J02 > 10-6 А/см2), а также увеличение на порядок последовательного сопротивления и уменьшение в 3,5 раза шунтирующего сопротивления (см. табл. 2). При сниженной примерно на 14 % плотности фототока это приводит к JКЗ » 33 мА/см2, UХХ = 454 мВ, FF = 0,31, JОПТ » 20 мА/см2, UОПТ = 240 мВ, что обусловливает РОПТ* < 50 Вт/м2 и h < 4 %. Поэтому, не смотря на уменьшение толщины кристалла с 300 мкм до 220 мкм и соответственно его массы до mК = 0,41 г, РОПТ** оказывается менее 100 Вт/кг. Аномальные значения диодных параметров, обнаруженные при исследовании ФП категории Т1Б и привели к выводу о существенной неоднородности толщины n+-слоя из-за недостаточной толщины пленки ЖРК.
Как видно из табл. 1 и табл. 2, ФП № Т1Б и № Т2М1, имеющие одинаковые значения tК = 220 мкм, существенно различаются по исследованным параметрам. Так у ФП № Т2М1 величина RШ примерно в 2,5 раза выше, а RП в 8,5 раза ниже, что при меньшем почти на 5 порядков значении J0 и повышенной на 1 мА/см2 величине JФ приводит к JКЗ » 37 мА/см2, UХХ = 614 мВ, FF = 0,72, JОПТ » 33 мА/см2, UОПТ » 490 мВ. При h = 11,9 % это обусловливает РОПТ** = 314 Вт/кг, что превосходит (примерно в 3,5 раза) соответствующий параметр не только по сравнению с ФП № Т1Б, но и с ФП № П1Б (почти на 15 %).
Однако первый вариант модернизации технологии изготовления n+-слоя оказался недостаточно оптимальным. При уменьшении tК до 200 мкм (ФП № Т3М1) плотность фототока таких ФП снижается примерно на 2 мА/см2, а величина J0 увеличивается в 2 раза. Указанные изменения являются основной причиной снижения КПД при практически сохраняющемся значении РОПТ**. Поскольку уменьшение tК при используемом нами способе утонения кремниевых пластин сопровождается усилением амплитуды рельефа текстурируемой поверхности отмеченные обстоятельства мы связываем с тем, что в случае tЖ = 0,2 мкм отдельные наиболее высокие покатые участки этой поверхности, расположенные преимущественно в областях, не затронутых фронтальной металлизацией, остаются не покрытыми пленкой ЖРК. Увеличение tЖ до 0,3 мкм при tК = 190-210 мкм (ФП № Т4М2 и № Т5М2) приводит к возрастанию JФ до 37-38 мА/см2, снижению плотности диодного тока насыщения до J0 » 10-11 А/см2, что при RШ и RП, приближающихся по величине к соответствующим параметрам для ФП № П1Б, обусловливает достижение 36 < JКЗ < 38 мА/см2, UХХ = 614-616 мВ, FF = 0,71-0,73, JОПТ » 33 мА/см2, UОПТ » 500 мВ. При h = 12% это обусловливает РОПТ** = 336-371 Вт/кг, что превосходит соответствующий параметр для ФП№ П1Б на 23-36 %.
В результате применения процесса химико-динамической полировки, доработки технологических процессов формирования металлических электродов и формирования изолирующих канавок получены тонкие ФП (200 мкм) с довольно близкими к базовым ФП выходными параметрами: Iкз = 320 мА; Jкз = 40мА/см2; Uхх = 0,621 В; Uопт = 0,488 В; FF = 0,76; Iопт = 309 мА; Jопт = 38,6 мА/см2; Ропт* = 188 Вт/м2, откуда следует, что массомощностная характеристика этих фотопреобразователей Ропт** = 403 Вт/кг, т. е. при близких значениях фотоэлектрических и выходных параметров массомощностная характеристика по сравнению с базовыми ФП улучшена на 48 % (почти в 2 раза).
В заключение следует отметить, что изменение конструкции и технологического маршрута изготовления ФП неоднозначно влияют на его параметры и характеристики. С одной стороны, уменьшение толщины ФП приводит к снижению эффективности фотопреобразования, а с другой стороны, создание на фронтальной поверхности текстуры увеличивает коэффициент поглощения солнечного излучения, что в свою очередь приводит к повышению выходных параметров.
Установлено, что совместное применение этих решений при выборе условий процесса травления, для которых утонение кремниевых пластин сопровождается текстурированием только одной из поверхностей, и при модернизации диффузионных процессов легирования из ЖРК обеспечивает для тонких ФП с текстурированной поверхностью выходные параметры, близкие к параметрам базовых, а массомощностные характеристики лучше чем у базовых на ~ 30 ? 48 %.
На основе проведенных разработок предполагаются дальнейшие усовершенствования КТР текстурированных тонких ФП, которые в первую очередь связаны с применением вместо спонтанной текстуры фронтальной поверхности упорядоченной текстуры с геометрией перевернутых пирамид и с использованием эффекта тыльного рефлектора.