Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
В настоящее время фактически все кремниевые солнечные элементы создают с помощью диффузионного легирования. Легирующая примесь может быть доставлена в область диффузии одним из следующих способов:
1) введением в поток в газообразной или паровой фазе (например, ВС13 в увлажненный поток Н2 или N2 или Р205 в осушенный газ) [Runyan, 1965];
2) диффузией из тонкой пленки легирующей примеси, осажденной вакуумно-термическим испарением или электролитически;
3) диффузией из инертного твердого слоя, содержащего легирующую примесь (например, из боросодержащих стеклообразных слоев силикатов и боратов калия);
4) диффузией из слоев порошкообразного легированного оксида Si02, нанесенных намазыванием, центрифугированием, разбрызгиванием или трафаретной печатью [Shah, Fuller, 1976; Chandler е. а., 1976];
5) диффузией из легированного слоя Si02, полученного методом химического осаждения из паровой фазы.
Диффузионное введение фосфора в кремний обычно выполняют при температуре 950° С в течение 10 мин, толщина диффузионного слоя при этом равна 0,25 мкм.
Процесс диффузии идеально подчиняется законам Фика, в соответствии с которыми концентрационный профиль примеси для источника примеси бесконечной мощности можно описать выражением
N(x, t) =N0[\ -erf(*/(2 VZ)7))]. (4.5)
В большинстве случаев, однако, профиль более сложен из-за зависимости коэффициента диффузии от концентрации примеси и вакансий и ввиду отклонения температурной зависимости коэффициента диффузии от закона Аррениуса [Shewmon, 1963].
С ростом длительности диффузионного процесса формируется концентрационное плато, отвечающее пределу растворимости диффузанта, как в случае диффузии атомов Р, показанном на рис. 4.13. При охлаждении кремния высокая концентрация легирующей примеси приводит к нарушениям в кристаллической решетке с образованием дислокаций и других дефектов, которым соответствуют глубокие уровни, резко снижающие время жизни носителей заряда (до 10'10 с) в сильно легированной области [Lindmayer, Allison, 1973].
Этот эффект обусловливает наличие на поверхности так называемого мертвого слоя, ограничивающего фотоотклик многих ранних конструк-164
Рис. 4.13. Диффузионные профили фосфора в кремнии при различных длительностях процесса диффузии (температура 950°С, источник примеси POCI3, исходная концентрация примеси в подложке 2-1016 см-3); с (х) - концентрация атомов Р на расстоянии х от поверхности
ций кремниевых солнечных элементов (в 1970—1975 гг.) в коротковолновой области спектра. Избежать наличие мертвого слоя можно путем:
1) снижения концентрации легирующей примеси на поверхности в процессе диффузии, например используя стеклообразный источник примеси, поддерживающий поверхностную концентрацию при значении ниже предела растворимости примеси в кремнии;
2) диффузии из источника ограниченной мощности (например, применяя тонкую пленку, полученную вакуумно-термическим испарением);
3) проведения кратковременной диффузии (называемой разгонкой), удаления источника примеси и последующего продолжения процесса (называемого загонкой) фактически из источника ограниченной мощности;
4) удаления нарушенного слоя после диффузии.
4.3.4. Другие способы легирования
Эффективный способ получения легированного слоя — просто его наращивание на поверхности базовой пластины путем химического осаждения из паровой фазы, т. е. введением примеси, изменяя парциальное давление легирующего газа в проточной системе. При этом необходимо принимать во внимание значение коэффициента прилипания атомов легирующей примеси и учитывать эффекты взаимодиффузии [Runyan, 1965].
Облучением потоком нейтронов кремний можно превратить в фосфор; нейтронное трансмутационное легирование было применено для получения высокой степени однородности легирования и больших диффузионных длин в поликристаллическом кремнии [Westbrook, Polgreen, 1976; Hoffman, 1981]. Это очень важный результат, поскольку в поли-кристаллических материалах механизм диффузии по границам зерен доминирует над диффузией в объеме зерна.
Для получения тонких легированных областей в солнечных элементах применяют метод имплантации пучком ионов примеси с энергиями 60— 300 кэВ [Varma, Swerdling, 1976]. Глубина легирования определяется энергией ионного пучка (например, при энергии 60 кэВ средняя глубина легирования около 50 нм). Ионной имплантации всегда сопутствуют значительные нарушения, поэтому необходим отжиг образцов в процессе
165
или после ионной имплантации. Несмотря на относительно низкие значения Voc, обусловленные остаточными нарушениями, значения Jsc высоки, и получены солнечные элементы, у которых щ = 10,4% при условии освещения АМО [Kirkpatrick е. а., 1976]. В случае этих элементов для отжига дефектов, а также для обеспечения сплавления и спекания контактов на лицевой и тыльной поверхностях применяли нагрев с помощью импульсного электронного пучка. Перспективным способом устранения имплантационных повреждений является также лазерный отжиг.
Для солнечных элементов на основе МДП-структуры представляет интерес эффект обмена примесями с растущим слоем оксида. Если, как зто часто бывает, коэффициент сегрегации примеси в оксиде меньше, чем в кремнии, то имеет место накопление примесных атомов на границе раздела.
