Сурет – Ерітінділі электрoндымикрocкoп 2 страница

Егер 3.14 суретте келтірілген диодтардың бірі, тасқынды ойық 5 В кернеуден асатын болса, кері араласуға ие, онда осы диод жарықты шағылдырады. Екінші диод 5В төмен кері аралс кезінде жарық сезімтал қасиетке ие және бірінші диодтың жарықты дабылын қабылдауға қабілетті. Жарықты ауытқуды және жарық диодтарының ішкі квантты тиімділігінң зерттеуі стационарлы тәртіп сияқты, сондай-ақ кіріс дабылдарының импульстерінің әртүрлі ұңғымалары кезіндегі 10 Гц-тан 1 кГц-ке дейінгі жиілікте импульсті болып жүргізілді[22].

а) б)

3.15 – сурет – Кремнийлі интегральді оптоэлектронды ұяшықтың көлденең қимасы (бағдарлармен сулы бойынша жарық таралуы көрсітілген) (a) және оптоэлектронной пары (б) интегралды оптоэлектронды қосықтың эквивалетті сұлбасы [22]

Қарастырылған оптоқосақта толық гальваникалық шешім, сондай-ақ бірдей кремнийлі төсемеге орнатылған екі диодтың тура болмайтын аралас Шоттки кері диодтарының электрлік оқшаулауы қамтамасыз етілмейді. Алайда, гальваникалық байланыстың ток бағыты жарық сезімтал диодтың тогіне қарама қарсы, яғни белгілі бекітуге болады, кері бағыттағы фотодетектор тогі жарық диодтің жарықты дабылымен туғызылған. Одан басқа, фотодетектор дабылы, зерттелетін импульстердің ұзақтылығына сәйкес келетін, м диапазонда уақытша миллисекундта тіркелді. Бұл ұзақтылығы микросекундтың бірлігін құрайтын, паразитті сыйымдылықты токтардан кіріс дабылын алыстатуға мүмкіндік берді [22].

3.15 суретте жарық диодтың әртүрлі араласу тәртібі кезіндегі жарық диодтің кіріс токінен фотодетектор арқылы кіріс токінің тәуелділігі ұсынылған. Бұл тәуелділік кіріс токтарының үлкен мәні кезіндегі сызықтыққа квадратты өтпесіне жуық [22]. Жарық диодінің тогына фотодиод токінің қатынасы жарық диодтің ішкі квантты тиімділігінің минимальді мәні сияқты авторлармен қарастырылды. 3.15 суретте (1 қисық) жарық диодтарының жұмыстарының әртүрлі тәртіптері кезіндегі кіріс токтан зерттелетін жарық диодтардың ішкі квантты токтарының тәуелділігі көрсетілген.

3.15 суреттен максимальді квантті тиімділік 1,4 % 100 импульстердің ұңғымалығы кезінде бақыланды. Нақты осы жағыдайда жарық диодтары кіріс токтарының максималді амплитудасы кезінде жұмыс жасауға қабілетті. Алайда жұмыс токінің өсуімен квантті тиімділіктің өсі шектелген. Осы кезде қанығу аумағына шығыс қыздырылған диодтың термиялық қыздырылуымен байланысты.

3.16 – сурет – Әртүрлі қорек тәртібіндегі кіріс токтарының амплитудасынан фотодетектордың шығыс тогінің (2) және зерттелетін жарық диодтарының ішкі квантты тиімділігінің тәуелділігі (1) [22]

Токтің өсуімен тасқынды жарық диодтарының тиімділігінің өсуін [22] авторлары біршама жоғары кернеу кезіндегі соққылы иондау біршама тиімді үрдіспен түсіндіреді, осы сұлбалы зоналы диаграммада көрсетілген (3.16, a сурет). Осы уақытта жарық диодтардағы токтің ұлғаю уақыты температураның өсіміне алып келеді, ол, өз кезегінде, фондардағы шағылған және торлы ұрмалылардан электрондардың еркін жүру ұзындықтарын қысқартады (3.16, б сурет). Оже-рекомбинацияның сәулесіз үрдістерімен қатар фондарға энергияның шашырауы электролюминесценция тиімділігін төмендетеді.

[22]-да жарық сәулелену тетігінің сапасы кремнийлі нанокристаллдардағы электронды саңылаулы зона аралық рекомбинация деп аталады. Ұқсас үлгі сонымен қатар [17], [19] және басқа жұмыстарда ұсынылады.

Тасқынды жарық диодтардың ішкі квантты тиімділігінің ұлғаюы зерттелетін құрылымдардағы жылу шығару жақсарту есебінен қол жеткізілді [22]. Алюминийлі электродтың аумағының төмендеуі тұрақты токта квантты тиімділікке жеткізуге 0,7 % мүмкіндік берді. Жұмыстың импульсті тәртібін пайдалану сонымен қатар жылу алмасуды жақсартуға және ішкі квантты тиімділікті 1,4 %-ға жеткізуге мүмкіндік берді.

а) б)

3.17 – сурет – T 1 (a) < T2 (б) әртүрі жұмыс температурасындағы металл/КК кері аралас контактінің зоналық диаграммасы[22]

[22] авторлары, КК негізіндегі тасқынды жарық диодтары ішкі оптикалық өзара жалғасқан интегральді микро сұлба негізінде құру үшін перспективті элементтер сияқты қарастырылуы мүмкін деп есептейді.

Олай болса КК/Si барьерлі құрылымы жарық сәулелендіру диодтарын құру үшін пайдаланылуы мүмкін. Осы құрылымдардағы бақыланатын электролюминесценция кремнийлі нанокристаллиаттардағы олардың сәулелендіру рекомбинациясымен және КК-дегі заряд тасымалдаушылардың инжекциясымен анықталады [20]. КК қабықшасының өсімі үшін төсеме сапасындағы ЭЛ біршама тиімділігін алу үшін n-типті жоғары омды кремнийді пайдаланған жөн [20]. КК құрылым негізінде құрылған ЭЛ тиімділігі қазіргі уақытта тәжірибелік пайдалу үшін жеткіліксіз,

10% кем, алайда КК негізіндегі ЭЛ құрылымының сипаттамасын жақсарту маңызды тапсырма болып табылады, яғни ол жарық сәулелену құрылымы өндірісіндегі кремницлі технологияның артықшылығын пайдаланылуға мүмкіндік береді.

3.2.2 Күн энергетикасы үшін фотоэлектрлік түрлендіргіштер

Кеуекті кремнийді пайдаланудың басқа маңызды аумағы күн энергетикасы. Қазіргі уақытта күн энергиясының фотоэлектрлік түрленуін (ФЭП) дайындау үшін әртүрлі жартылай өткізгішті материалдар қолданылады, соның ішінде кремний. Яғни, күн батареялары, жеткілікті үлкен ауданға ие болуы керек, ФЭП үшін төсеме сапасында қолданылатын кремний бағасы жеткілікті төмен болуы керек.

Күн энергетикасында «күн сапасындағы» деп аталатын кремний кеңнен пайдаланылады. Осындай кремний p-типті өткізгіштікке, қашық кедергі ≈1 Ом·см, негізгі емес тең салмақты емес заряд тасымалдаушылардың өмір сүру уақыты ондаған микросекундтардан кем болмауы керек. Кремний негізіндегі ФЭП бәсекеге қабілетті болуы үшін, олардың дайындау өзіндік құнын және олардың тиімділігін ұлғайту керек.

Кремнийлі ФЭП тиімділігін көтерудің бағыттарының бірі КК қабықшаларын қолдану болып табылады. Көптеген мақалалардың талдауы ФЭП дайындау кезіндегі КК қолданудың келесі негізгі бағыттарын бөлуге мүмкіндік берді:

– шағылдыруға қарсы жабын;

– белсенді эпитаксиальді қабықшаларды өсіру үшін буферлі қабықша;

– белсенді қабықша.

ФЭП шағылдыруға қарсы жабын сапасындағы КК пайдалу ерекшеліктері [23]-те жеткілікті сипатталған. Осындай ФЭП құрылымы 3.18 суретте ұсынылған.

3.18 – сурет – КК шағылдыруға қарсы ФЭП құрылымы [23]

[23] –те ФЭП дайындаудың келесі технологиясы ұсынылған. Алдымен n-типті (ρ = 1,5 Ом·см) кремнийлі төсемеге фосфор диффузиясының көмегімен n+-қабықша қалыптанады. Диффузия кезінде түзілетін, фосфордан тұратын әйнектің ұлғаюынан кейін, n қабықша бетіне анодты электрохимиялық әдіспен өңдеумен ПК қалыптасады. Осы кезде плавикті қышқыл және этанол негізінде электролит қолданылады. Содан кейін фронтальді бетке ФЭП және Ag-контакт кері жағына Ag/Al қалыптасады.

[24]-да, КК шағылдыруға қарсы қабықшаны қалыптауды диффузиялық n+-қабықшаға күмісті контактінің қалыптануынан кейін өндіруге болады. Осы кезде n қабықшаға жоғарғы ток алмалы контак, күмістен тұратын паста жануымн тор тәрізді қалыптасады. Одан кейін n қабықшаның анодты электрохимиялық тотығу әдісімен КК қабықшасы түзіледі. Осы кезде ток алмалы Ag-қабықша электролиттің әрекетінен қорғалмайды.

[24, 25, 26, 23] белгіленетінде КК қабықшасын қолдану ФЭП бетінің шағылдыру коэффициентінің айтарлықтай төмендеуіне алып келеді (3.18 сурет).

Шағылу коэффициенті тікелей 400 нм кем толқын ұзындығы аумағында төмендейді (3.18 сурет). Оның минимумі 400–60 нм диапазонында бақыланады, түрлену үшін оңтайлы күн энергиясы. Егер ФЭП кремнийлі төсеменің алдын ала текстуралы бетіне дайындалса, толқын ұзындығы 400-1000 нм диапазондағы шағылу коэффициенті КК қабықшасынсыз ФЭП кремнийлімен салыстыру бойынша тағы 2 % төмендейі [23].

Si-төсеменің текстуралы беті NaOH сулы ертіндідегі оның өңдеуінің есебімен өндіріледі [26]. Осы кезде төсеменің бетінің шағылдыру қасиеті нашарлайды.

КК шағылдыруға қарсы қабықша көмегімен беттің шағылдыру коэффициентін төмендету ФЭП тиімділігін айтарлықтай ұлғайтуға алып келеді [24, 25, 26, 23]. Бұл [23] мәліметтері бойынша құрылған 4 кестеде көрнекті, мұнда оның тиімділігін сипаттайтын ФЭП негізгі параметрлерінің өлшеу нәтижелері келтірілген: қысқа тұйықталу тогі (Iкз), бос жүріс кернеуі (Uхх), толтыру коэффициенті ВАХ (FF), КПД (η).

3.19 – сурет – КК қабықшасымен полирольді және текстуралы жабынмен ФЭП бетінің шағылдыру коэффициентінің спектрлі тәуелділігі [23]

3 кестеден, КК қабықшасын қолдану текстуралы Si-төсемемен үйлесуі Iкз және Uхх мәндерінің ұлғаю есебінен КПД ФЭП тікелей ұлғаюяына алып келетіндігі көрінеді. [23] сонымен қатар белгіленеді, ФЭП тиімділігі төсеменің өңдеуден тәуелсіз КК шағылдыруға қарсы қабықшаның қолданылуын ұлғайтады. Сонымен қатар [24, 25, 26] авторлары да осындай қорытындыға келді.

[27]-да КК сипаттамасының қосымша жақсаруына КК бетіне қалыптанған SiOx, жіңішке қабықша алып келеді. Осы қабықшаның болуы ФЭП бетінің шағылдыруға қарсы қасиетін жақсартады. КК бетінде қалыптанған SiOx, қабықшасы КК пассивациясына қабілетті. КК болуы негізгі емес заряд тасымалдаушылардың беттік рекомбинациясының жылдамдығын ұлғайтады, ол КК қабықшасыз кремнийлі ФЭП стандартымен салыстыру бойынша Uхх мәндерінің төмендеуіне алып келеді. [27] сәйкес, КК бетіндегі SiOx қосымша қабықшаның болуы Uхх ұлғаюына алып келеді.

3 – кесте – Дайындаудың әртүрлі технологиясымен параметрлері ([23] мәліметтері бойынша)

		ФЭП	параметрлері
ФЭП дайындау технологиясы	Iкз, мА	Uхх, мВ	FF, бір. қат.	η, %
Полирленген кремний төсемесі, КК қабықшасы болмайды	430,1	597,8	0,74	75, 8
КК қабықшасымен полирленген кремний төсемесі	521,9	606,4	0,75	94, 8
Текстуралық кремнийлі төсеме, КК болмайды	581,6	592,2	0,70	96, 3
КК қабықшасымен текстуралық кремнийлі төсеме	638,4	594,9	0,74	11,23

ФЭП дайындауы кезіндегі КК қолданудың басқа бағыты белсенді эпитаксильді қабықша және төсеме арасындағы буферлі қабықшаларды құру болып табылады. Көз қарастан ФЭП бағасының төмендеуі, жеткілікті төмен сапамен және легірлеуші қоспаның жоғары дәрежесімен кремнийлі төсемелердің кеңінен қолданылуы. Жекелеген жағыдайда, осындай төсемелер сапасында макрокристаллды және тіпті металлургиялық кремний пайдаланылуы мүмкін [78].

[28]-де осындай төсемелерде ФЭП дайындау кезінде КК буферлі қабықша қолданылуы мүмкін деп қабылдануы мүмкін. Аталған ФЭП құрылымы 3.20 суретте ұсынылған. Қалыңдығы ~1мкм КК қабықшасы дәстүрлі электрохимиялық әдіспен Si төсемесінің бетіне өсіріледі. Ары қарай алынған құрылымның өңдеуі жүргізіледі, одан кейін оның бетіне газофазалық эпитаксия әдісімен p-типті өткізгіштіңті белсенді кремний қабықшасы өсіріледі. Ары қарай фосфордың термиялық диффузиясымен эпитаксильді қабықша бетіне n қабықша түзіледі. Ары қарай фронтальды n қабыұшаға Ag-контактілері қалыптасады және SiNx негізіндегі шағылдыруға қарсы жабын енгізіледі.

3.20 – сурет – Буферлі КК қабықшамен ФЭП құрылымы[28]

КК қабықшасы сутегіде 1130 ºС температура кезінде 30 мин аралығында өңделді [28].

[29] белгіленеді, өңдеу борпылдақты құрылымның реорганизациясына алып келеді. Саңылаулар бастапқы КК қабықшаның морфологиясынан және борпылдақтығынан тәуелді 50 нм ден 1 мкм дейінгі диаметрмен сферикалық қалыпқа ие болады (өңдеуге дейін). Өңдеу нәтижесінде борпылдақты құрылымның бетінің еркін энергиясы төмендейді. Осындай КК [29] авторлары квазимонокристаллды кремний деп атайды (QMS). [29] сәйкес, QMS қабықшасы – кремний эпитаксия үшін бетке идеалды.

ФЭП құрылымындағы буфелі КК 3.20 суретте келтірілген, ол эффект негізінде жұмыс жасайтын эффективті шағылдыру ролін ойнайды. Жазықтыққа қалыпты сәуле түсуі кезінде Брегга немесе критикалық бұрышпен жарықтың түсуі [28]. КК қабықшасынан шағылған сәулелену нәтижесінде, Si-p белсенді эпитаксильді қабақшаға оралады (3.20 суретті қараңыз). Буферлі ПК қабықша қашық толқынды сәулелену үшін шағылдырғыш сапасында біршама тиімді. [28] мәліметтері бойынша, ол ФЭП тиімділігін 13,9 % дейін және қысқа тұйықталу ток тығыздығын 29,6 мА/ дейін ұлғайтуға мүмкіндік берді.

ФЭП белсенді қабықша сапасында ПК жұқа қабықшасын қолдану [28] сипатталған. ФЭП дайындауы үшін төсеме сапасында авторлар n-типті кремнийді пайдаланжы. 100 нм қалыңдықпен КК қабықшасы анодты электрохимиялық өңдеу әдісімен дайындады. Одан кейін КК бетіне түссіз өткізгіш қабықшаны Sn енгізді, одан кейін металл ток алмасушы контакт қалыптайды. (Si-n/Sn /M) қабықшасыз және ФЭП КК (Si-n/КК/ Sn /M) қабықшамен құрылымның электрофизикалық сипаттамаларының салыстыру нәтижелері 4 кестеде ұсынылған.

4 – кесте – Аралық КК қабықшалы және қабықшасыз ФЭП сипаттамалары салыстыру ([30] мәліметтері бойынша)

ФЭП құрылымы	ФЭП параметрлері
Jкз, мА/см2	Uхх, мВ	FF, отн. ед.	η, %
Si-n/Sn /M			0,57	9,12
Si-n/ПК/Sn /M	31,5		0,67	12,10

4 – кестеден көрініп тұрғандай, Sn мөлдір өткізгіш қабықша және Si-n төсеме арасындағы КК аралық жұқа қабықшасын қолдану ФЭП тиімділігінің өсуіне қабілетті. Осы кезде бос жүрістің кернеуінің мәні, ВАХ толтыру факторы және қысқа тұйықталу ток тығыздығы мәні көтеріледі. Осымен қатар ескеріледі, КК қабықшаның оптимальді қалыңдығы 100 нм аспауы керек: осы кезде ФЭП құрылымының жүйелі кедергісі жеткілікті төмен және тиімділігі толығымен нашарламайтын болады [30].

ФЭП құрылымында КК қабықшасын кремний негізінде пайдаланудың тағы бір нұсқасы [29] сипатталған және 3.20 суретінде көрсетілген. Жеткілікті қалың (50 мкм дейінгі) КК қабықша p кремнийлі төсемеде өседі. Одан кейін өңдеу сутегінде 1130 ºС температура кезінде 30 мин аралығында өтеді. Осы кезде төсеменің кері жағында квазимонокристаллды кремний деп аталу түзіледі (Annealed PS QMS қабықша).

Төсеменің қарама қарсы бетіне p-типті кремнийдің эпитаксильді қабықшасы өсіріледі. Ары қарай термиялық диффузии әдісімен онда эмиттерлі n+-қабықша түзіледі, оған металл контакт енгізіледі. n эмиттер бетіне шағылдыруға қарсы қабықша енгізіледі.

3.21 – сурет – КК қабықшасымен ФЭП құрылымы [29]

Олай болса, [29] келтірілген нәтижелер ФЭП құрылымына КК қалың қабықшасының енгізілу жүйелі кедергінің өсуіне алып келмейді. [29] сәйкес, төсеменің кері жағында қалыптанған КК қабықшасы 1–2,5 эВ энергиясы диапазонында сәулелену үшін жұтылу коэффициентінен 10 есе үлкен. Егер рефлектордың көмегімен, КК қабықша болатын, ФЭП артқы бөлігіне күнді сәулеленудің бөлігіне енгізеді, алайда ФЭП тиімділігі ұлғаяды. Осы кезде белсенді эпитаксильді қабықшаның қалыңдығы төмендеуі мүмкін.

3.22 – сурет – Рефлектормен және кері жаққа КК активті қабықшамен ФЭП құрылымы [31]

[31]-де рефлектормен және кері жаққа КК белсенді қабықшамен ФЭП құрылымының нұсқасы ұсынылған (3.21 – суретте back reflector).

ФЭП құрылымы үшін маңызды мәселе болып, 3.20 суретте кескінделген, КК өңделген қалың қабықшасымен құрылған, жоғарлатылған жүйелі кедергі табылады[29]. Авторлармен жүргізілген осы уақытта, p төсемелерге өсірілген, 20 мкм қалыңдықпен, 1· акцепторлы қоспа концентрациясымен КК қабықшаларының кедергілерін өлшеуі, үлесті жүйелі ФЭП кедергісі бастапқы p пластинамен салыстыру бойынша 2,24 Ом· өсті. Қалыңдықты 50 мкм қабықшасы p пластинамен салыстыру бойынша жүйелі үлесті кедергісін 0,77 Ом· өсірді.

Дата добавления: 2015-07-13