Аморфный кремний - Википедия - Amorphous silicon

Фотоэлектрическая матрица Lakota MS 2.jpg Тонкопленочные гибкие солнечные фотоэлектрические системы Ken Fields 1.JPG
A-Si structure.jpg
Солнечный калькулятор casio fx115ES crop.jpg
Аморфный кремний:

Аморфный кремний (как и я) не-кристаллический форма кремний используется для солнечных батарей и тонкопленочные транзисторы в ЖК-дисплеи.

Используется как полупроводниковый материал за солнечные элементы a-Si, или же тонкопленочные кремниевые солнечные элементы, он хранится в тонкие пленки на различные гибкие подложки, такие как стекло, металл и пластик. Аморфные кремниевые элементы обычно имеют низкую эффективность, но являются одними из самых экологически чистых. фотоэлектрический технологий, поскольку они не используют токсичные тяжелые металлы такие как кадмий или свинец.[нужна цитата ]

Как второе поколение тонкопленочный солнечный элемент технологии, когда-то ожидалось, что аморфный кремний станет основным источником быстрорастущий всемирный рынок фотоэлектрических систем, но с тех пор потерял свое значение из-за сильной конкуренции со стороны традиционных кристаллический кремний ячейки и другие тонкопленочные технологии, такие как CdTe и CIGS.[нужна цитата ]

Аморфный кремний отличается от других аллотропный вариации, такие как монокристаллический кремний - монокристалл, поликристаллический кремний, состоящий из мелких зерен, также известных как кристаллиты.

Описание

Кремний представляет собой четырехкоординированный атом, который обычно тетраэдрически связаны 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 болтающаяся облигация. 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 батареи. фотоэлектрический клетки, особенно в протокристаллический режим роста.[1] Однако гидрирование связано со световой деградацией материала, называемой Эффект Стаблера – Вронски.[2]

Схема аллотропных форм кремния: монокристаллический, поликристаллический, и аморфный кремний

Аморфный кремний и углерод

Аморфный сплавы кремния и углерода (аморфный кремний карбид, также гидрированный, a-Si1-хCИкс: H) - интересный вариант. Введение атомов углерода добавляет дополнительные степени свободы для управления свойствами материала. Фильм тоже можно было снять прозрачный до видимого света.

Увеличение концентрации углерода в сплаве увеличивает электронный зазор между зоной проводимости и валентной зоной (также называемый «оптическим зазором» и запрещенная зона ). Это потенциально может повысить световую эффективность солнечных элементов, изготовленных из слоев аморфного карбида кремния. С другой стороны, электронные свойства как полупроводник (в основном подвижность электронов ), отрицательно сказываются на увеличении содержания углерода в сплаве из-за увеличения беспорядка в атомной сетке.

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.

Характеристики

Плотность аморфного Si была рассчитана как 4,90 × 1022 атом / см3 (2,285 г / см3) при 300 К. Для этого использовались тонкие (5 микрон) полоски аморфного кремния. Эта плотность на 1,8 ± 0,1% меньше плотности кристаллического Si при 300 К.[3] Кремний - один из немногих элементов, который расширяется при охлаждении и имеет более низкую плотность в твердом виде, чем в жидком.

Гидрированный аморфный кремний

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. Вводя водород во время производства аморфного кремния, фотопроводимость значительно улучшается и становится возможным допирование. 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 Копье обнаружил способность замещающего легирования a-Si: H с использованием фосфина (n-тип) или диборана (p-тип).[4] 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−1.[5] Начиная с 1970-х годов RCA разработала a-Si: H в солнечных элементах, благодаря чему в 2015 году его эффективность неуклонно повышалась до примерно 13,6%.[6]

Процессы осаждения

ССЗPECVDКаталитический CVDРаспыление
Тип фильмаa-Si: Ha-Si: Ha-Si: Hкак и я
Уникальное приложениеЭлектроника большой площадиБезводородное осаждение
Температура камеры600C30–300 ° C30–1000 ° C
Температура активного элемента2000C
Давление в камере0,1–10 торр0,1–10 торр0,001–0,1 торр
Физический принципТермолизПлазма-индуцированная диссоциацияТермолизИонизация источника Si
ФасилитаторыW /Та нагретые проводаАргон катионы
Типичное напряжение приводаRF 13,56 МГц; 0,01-1 Вт / см2
Источник SiSiH4 газSiH4 газSiH4 газЦель
Температура основанияуправляемыйуправляемыйуправляемыйуправляемый

Приложения

Хотя a-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, всего 75 градусов Цельсия. Это позволяет наносить не только стекло, но и пластик также, что делает его кандидатом на рулонная обработка техника. После нанесения a-Si может быть допированный аналогично c-Si, чтобы сформировать р-тип или же n-тип слоев и, в конечном итоге, для формирования электронных устройств.

Еще одно преимущество состоит в том, что a-Si можно наносить 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 стоимость производства[7] особенно когда силан является переработанный.[8]

В качестве видимого света используются массивы небольших (менее 1 мм на 1 мм) фотодиодов на основе a-Si на стекле. датчики изображения в некоторых плоские детекторы за рентгеноскопия и рентгенография.

Фотогальваника

Смотрите также: Тонкопленочный солнечный элемент
"Бирюзовый фотон" калькулятор на солнечной энергии произведено в конце 1970-х

Аморфный кремний (a-Si) использовался в качестве фотоэлектрический солнечная батарея материал для устройств, требующих очень мало энергии, таких как карман калькуляторы, потому что их производительность ниже по сравнению с обычными кристаллический кремний (c-Si) солнечные элементы более чем компенсируются их упрощенной и более низкой стоимостью нанесения на подложку. Первый калькуляторы на солнечных батареях уже были доступны в конце 1970-х годов, например, Royal Солнечная 1, Острый EL-8026, и бирюзовый Фотон.

Совсем недавно усовершенствования в технологиях изготовления a-Si сделали их более привлекательными для использования в солнечных элементах 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 ячейкам c-Si, которые имеют большую толщину из-за своей толщины. непрямая запрещенная зона и поэтому в значительной степени непрозрачны, не позволяя свету достигать других слоев в стопке.

Источник низкой эффективности фотоэлектрических элементов на аморфном кремнии в значительной степени связан с низким подвижность дыр материала.[9] Такая низкая подвижность дырок объясняется многими физическими аспектами материала, включая наличие болтающиеся облигации (кремний с 3 связями),[10] плавающие облигации (кремний с 5 связями),[11] а также реконфигурации облигаций.[12] Несмотря на то, что была проделана большая работа по контролю этих источников низкой мобильности, данные свидетельствуют о том, что множество взаимодействующих дефектов может привести к ограничению мобильности, поскольку уменьшение одного типа дефекта приводит к образованию других.[13]

Главное преимущество a-Si в крупносерийном производстве - не эффективность, а стоимость. 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.[14]

Обычно в тонкопленочных элементах из аморфного кремния используется штырь структура. Размещение слоя p-типа сверху также связано с более низкой подвижностью отверстий, что позволяет отверстиям проходить на меньшее среднее расстояние для сбора до верхнего контакта. Типичная структура панели включает переднее боковое стекло, ТШО, тонкопленочный кремний, задний контакт, поливинилбутираль (ПВБ) и заднее боковое стекло. Uni-Solar, подразделение Устройства преобразования энергии изготовлен вариант гибкой основы, применяемой 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.[15][16]

Микрокристаллический и микроморфный кремний

Основные статьи: Нанокристаллический кремний и Микроморф

Микрокристаллический кремний (также называемый нанокристаллическим кремнием) представляет собой аморфный кремний, но также содержит мелкие кристаллы. Он поглощает более широкий спектр света и является гибкий. Микроморфный кремний модуль технология сочетает в себе два разных типа кремния, аморфный и микрокристаллический кремний, в верхней и нижней части фотоэлектрический элемент. 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 фотоэлектрических элементов на основе a-Si.

Масштабное производство

United Solar Ovonic рулонная линия по производству фотоэлектрических солнечных батарей мощностью 30 МВт в год

Xunlight Corporation, который получил более 40 миллионов долларов институциональных инвестиций,[нужна цитата ] завершил установку своей первой сети Wide Web мощностью 25 МВт, рулонный фотоэлектрическое производственное оборудование для производства тонкопленочных кремниевых фотоэлектрических модулей.[17] Anwell Technologies также завершила установку своего первого завода по производству тонкопленочных солнечных панелей a-Si мощностью 40 МВт в провинции Хэнань с собственным разработанным оборудованием PECVD с несколькими подложками и несколькими камерами.[18]

Фотоэлектрические тепловые гибридные солнечные коллекторы

Аэрокосмический продукт с гибкими тонкопленочными солнечными панелями от United Solar Ovonic

Фотоэлектрические тепловые гибридные солнечные коллекторы (PVT) - это системы, конвертирующие солнечная радиация в электроэнергия и тепловая энергия. Эти системы объединяют солнечную батарею, которая преобразует электромагнитное излучение (фотоны ) в электричество, с солнечный тепловой коллектор, который улавливает оставшуюся энергию и удаляет отходящее тепло от солнечного фотоэлектрического модуля. Солнечные элементы страдают от падения эффективности с повышением температуры из-за увеличения сопротивление. 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 солнечная тепловая энергия коллектор. 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%.

ЖК-дисплей на тонкопленочных транзисторах

Основная статья: ЖК-дисплей на тонкопленочных транзисторах

Аморфный кремний стал предпочтительным материалом для активного слоя в тонкопленочные транзисторы (TFT), которые наиболее широко используются в электроника большой площади приложения, в основном для жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи).

ЖК-дисплей на тонкопленочных транзисторах (TFT-LCD) демонстрируют процесс компоновки схемы, аналогичный тому, что используется в полупроводниковых изделиях. Однако вместо того, чтобы делать транзисторы из кремния, он превращается в кристаллический кремний. вафля, они сделаны из тонкой пленки аморфного кремния, нанесенной на стекло панель. Слой кремния для TFT-LCD обычно наносится с помощью PECVD процесс.[19] 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 высокой производительности 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 на основе поликристаллического кремния более дороги и намного сложнее в производстве.[20]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Collins, R.W .; Ferlauto, A.S .; Ferreira, G.M .; Чен, Чи; Ко, Джухён; Koval, R.J .; Ли, Йехенг; Pearce, J.M .; Вронски, C.R. (2003). «Эволюция микроструктуры и фазы в аморфном, протокристаллическом и микрокристаллическом кремнии изучается методом спектроскопической эллипсометрии в реальном времени». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы. 78 (1–4): 143–180. Дои:10.1016 / S0927-0248 (02) 00436-1.
  2. ^ Вронски, C.R .; Pearce, J.M .; Deng, J .; Vlahos, V .; Коллинз, Р. В. (2004). «Собственные и индуцированные светом щелевые состояния в материалах a-Si: H и солнечных элементах - эффекты микроструктуры» (PDF). Тонкие твердые пленки. 451-452: 470–475. Дои:10.1016 / j.tsf.2003.10.129.
  3. ^ Custer, J. S .; Томпсон, Майкл O .; Jacobson, D.C .; Poate, J.M .; Roorda, S .; Sinke, W. C .; Спапен, Ф. (24 января 1994). «Плотность аморфного Si». Письма по прикладной физике. 64 (4): 437–439. Дои:10.1063/1.111121. ISSN  0003-6951.
  4. ^ Улица, Р. А. (2005). Гидрированный аморфный кремний. Издательство Кембриджского университета. ISBN  9780521019347.
  5. ^ Пол, Уильям; Андерсон, Дэвид А. (1981-09-01). «Свойства аморфного гидрогенизированного кремния, с особым вниманием к получению распылением». Материалы для солнечной энергии. 5 (3): 229–316. Дои:10.1016/0165-1633(81)90001-0.
  6. ^ Файл: PVeff (rev170324) .png
  7. ^ Шах, А .; Meier, J .; Buechel, A .; Kroll, U .; Steinhauser, J .; Meillaud, F .; Schade, H .; Домине, Д. (2 сентября 2005 г.). «На пути к очень дешевому массовому производству тонкопленочных кремниевых фотоэлектрических (PV) солнечных модулей на стекле». Тонкие твердые пленки. Elsevier B.V. 502 (1–2): 292–299. Дои:10.1016 / j.tsf.2005.07.299.
  8. ^ Kreiger, M.A .; Shonnard, D.R .; Пирс, Дж. М. (2013). «Анализ жизненного цикла переработки силана в производстве солнечных фотоэлектрических систем на основе аморфного кремния». Ресурсы, сохранение и переработка. 70: 44–49. Дои:10.1016 / j.resconrec.2012.10.002.
  9. ^ Лян, Цзяньцзюнь; Schiff, E. A .; Guha, S .; Ян, Баоцзе; Ян, Дж. (2006). «Дырочный предел подвижности солнечных элементов из аморфного кремния». Письма по прикладной физике. 88 (6): 063512. Дои:10.1063/1.2170405.
  10. ^ Smith, ZE .; Вагнер, С. (1987). «Хвосты зон, энтропия и дефекты равновесия в гидрированном аморфном кремнии». Письма с физическими проверками. 59 (6): 688–691. Bibcode:1987ПхРвЛ..59..688С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.59.688. PMID  10035845.
  11. ^ Статис, Дж. Х. (1989). «Анализ сверхтонкой структуры и g-тензора дефектов в аморфном кремнии». Физический обзор B. 40 (2): 1232–1237. Дои:10.1103 / PhysRevB.40.1232.
  12. ^ Джолин, Эрик; Вагнер, Лукас К .; Буонассиси, Тонио; Гроссман, Джеффри С. (2013). «Происхождение структурных ловушек дырок в гидрированном аморфном кремнии». Письма с физическими проверками. 110 (14): 146805. Bibcode:2013ПхРвЛ.110н6805J. Дои:10.1103 / PhysRevLett.110.146805. HDL:1721.1/80776. PMID  25167024.
  13. ^ Джолин, Эрик; Simmons, C.B .; Буонассиси, Тонио; Гроссман, Джеффри С. (2014). "Атомные структуры, ограничивающие подвижность дырок в гидрированном аморфном кремнии" (PDF). Физический обзор B. 90 (10). Дои:10.1103 / PhysRevB.90.104103.
  14. ^ Весофф, Эрик (31 января 2014 г.) "Конец солнечной саги об аморфном кремнии Эрликона. »Greentech Media.
  15. ^ «Конец наступил для ECD Solar». GreentechMedia. 14 февраля 2012 г.
  16. ^ «Oerlikon отказывается от своего солнечного бизнеса и судьбы фотоэлектрических систем из аморфного кремния». GrrentechMedia. 2 марта 2012 г.
  17. ^ «Компания Xunlight завершила установку своего первого производственного оборудования для производства фотоэлектрических систем с широкополосным подключением к рулонам мощностью 25 мегаватт». Xunlight. 22 июня 2009 г.
  18. ^ «Anwell производит свою первую тонкопленочную солнечную панель». Solarbuzz. 7 сентября 2009 г.
  19. ^ «TFT LCD - Изготовление TFT LCD». Plasma.com. Архивировано из оригинал на 2013-05-02. Получено 2013-07-21.
  20. ^ «TFT LCD - Электронные аспекты ЖК-телевизоров и ЖК-мониторов». Plasma.com. Архивировано из оригинал на 2013-08-23. Получено 2013-07-21.

внешняя ссылка