Способ получения гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний для солнечных элементов и солнечный элемент с таким гетеропереходом

Изобретение относится к области оптоэлектронной техники и может быть использовано для создания дешевых и эффективных солнечных элементов на основе слоев аморфного гидрогенизированного кремния. Способ получения гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний в образце, представляющем собой пленку аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенную на кварцевую подложку, включает облучение образца фемтосекундными лазерными импульсами в вакууме при давлении не более 2⋅10-2 мбар, с центральной длиной волны излучения 257-680 нм, частотой повторения импульсов 20-500 кГц, длительностью импульсов 30-500 фс и плотностью энергии лазерных импульсов 4-500 мДж/см². Для получения солнечного элемента гетеропереход нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний, полученный способом, описанным выше, выполнен на кварцевой подложке с прозрачным проводящим подслоем, и сверху термически напыляется металлический электрод (алюминий, золото или магний). Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемой группы изобретений, является обеспечение повышенной стабильности электрических и фотоэлектрических свойств при освещении, увеличенной подвижности носителей заряда, повышенной эффективностью и относительной дешевизной при его изготовлении (в сравнении с солнечными элементами из кристаллического кремния). Данные свойства солнечных элементов позволят в итоге получать повышенные (по сравнению с солнечными элементами на основе a-Si:H) значения фотовольтаических параметров (могут быть достигнуты следующие значения: КПД фотопреобразования - 14%, напряжение холостого хода - 0,68 В, ток короткого замыкания - 36,5 мА/см²). 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 табл., 4 пр., 9 ил.

 

Область техники

Группа изобретений относится к области фотовольтаики и может быть использована для создания эффективных тонкопленочных солнечных элементов на основе гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний. В частности, группа изобретений относится к способу получения гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний и солнечному элементу, содержащему слой с гетеропереходом, выполненным вышеуказанным способом.

Уровень техники

В последнее время внимание исследователей привлекают микро- и нанокристаллический кремний - перспективные материалы с точки зрения их использования в тонкопленочных электронных приборах. Эти материалы имеют структуру схожую со структурой аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H), однако, в отличие от последнего, они содержат гранулы кристаллического кремния, окруженные аморфной кремниевой матрицей. Размер и концентрация этих гранул определяет тип материала: при большой доле кристаллической фазы Si в аморфном кремнии говорят о нанокристаллическом (nc-Si) или микрокристаллическом кремнии (μc-Si), в противном случае материал называют полиморфным или протокристаллическим кремнием. К достоинствам этих материалов можно отнести повышенную по сравнению с a-Si:H стабильность их электрических и фотоэлектрических свойств при освещении (подавление эффекта Стеблера-Вронского), а также увеличение подвижности носителей заряда за счет наличия кристаллических включений. Поэтому использование микро- и нанокристаллического кремния вместо a-Si:H в тонкопленочных приборах может значительно улучшить их характеристики, в частности, увеличить КПД солнечных элементов. По сравнению с кристаллическим кремнием преимуществом материалов μс-Si и nc-Si является их относительная дешевизна изготовления, так как для этого могут применяться те же традиционные методы низкотемпературного осаждения, что и в случае a-Si:H.

Использование импульсного лазерного излучения с длительностью импульсов в фемтосекундном диапазоне для модификации структуры материалов имеет определенные преимущества перед нано- и пикосекундным режимами. В частности, сверхкороткие (фемтосекундные) лазерные импульсы приводят к сугубо локальной модификации области воздействия, при этом окружающие участки не затрагиваются [А.С. Елшин, Н.Ю. Фирсова, М.А. Марченкова, В.И. Емельянов, И.П. Пронин, С.В. Сенкевич, Е.Д. Мишина, А.С. Сигов // Письма в ЖТФ, 2015, том 41, вып. 9, с. 16-23]. Кроме того, в случае необходимости кристаллизации тонких пленок, нанесенных на подложку, минимизируется разогрев подложки за счет практически полного поглощения излучения пленкой и короткого времени ее остывания, что значительно снижает диффузию тепла из пленки [Т.Т. Корчагина, В.А. Володин, B.N. Chichkov // Физика и техника полупроводников, 2010, том 44, вып. 12, с. 1660-1665].

Метод фемтосекундного лазерного отжига позволяет локально модифицировать структуру аморфного кремния за счет полной или частичной кристаллизации облучаемой области. В первом случае под действием лазерного излучения происходит фазовый переход с формированием слоя поликристаллического кремния. Этот метод описан, в частности, в патенте RU 2431215 С1 (опубликовано 10.10.2011, кл. H01L 21/268, В82В 3/00). Согласно изобретению слой аморфного кремния, расположенного на подложке стекла или кремния со слоем диоксида кремния, подвергают кристаллизации посредством лазерной обработки с использованием импульсного излучения фемтосекундного диапазона длительностью от 30 до 120 фс. Длина волны и плотность энергии подбираются такими, чтобы вызывать в аморфном кремнии фазовый переход кристаллизации, стимулированный электрон-дырочной плазмой и характеризуемый отсутствием передачи энергии подложке. Плотность энергии от 20 до 150 мДж/см² и длина волны излучения, выбираемая от 390 до 810 нм, обуславливают при заданной толщине слоя аморфного кремния от 20 до 130 нм формирование сплошного нанокристаллического слоя на участке воздействия излучения.

При соответствующем выборе параметров фемтосекундного лазерного излучения возможна частичная кристаллизация аморфного кремния с формированием кристаллических гранул кремния в облучаемой области [Choi T.Y., Hwang D.J., Griporopoulos С.Р. // Optical Engineering. 2003. V. 42. P. 3383; Lee G.Y., Park J., Kim E.K., Lee Y.P., Kim K.M., Cheong H., Yoon C.S., Son Y.-D., Jang J. // Optics Express. 2005. V. 13. P. 6445; Shien J.-M., Chen Z.-H., Dai B.-T., Wang Y.-C, Zaitsev A., Pan C.-L. // Appl. Phys. Letters. 2004. V. 85. P. 1232]. В зависимости от условий воздействия размер этих гранул может меняться в широких пределах от ~50 до ~800 нм. Отметим, что практически во всех работах использовался титан-сапфировый лазер длиной волны 800 нм. Известен также способ формирования кремниевых квантовых точек в аморфном кремнии, описанный в патенте CN 101866836 В (опубликовано 20.10.2010, кл. H01L 21/205; H01L 21/268; H01L 31/20). Авторы предлагают использовать для кристаллизации пленок аморфного кремния эффект интерференции двух лучей фемтосекундного лазера с длиной волны в диапазоне от 400 до 800 нм, длительностью импульса 5-150 фс, энергией в импульсе от 0,1 до 20 мкДж и частотой повторения импульсов от 2 до 100 Гц. Способ основан на последовательном послойном сканировании приготовленной методом плазмохимического осаждения из газовой фазы пленки аморфного кремния, в результате чего формируется массив упорядоченных кристаллических гранул с контролируемым размером от 30 до 50 нм. Полученный материал предлагается использовать в качестве элемента тонкопленочных солнечных батарей (как один из слоев в многослойной структуре) для повышения эффективности их работы. К недостаткам приведенного технического решения относится усложнение методики кристаллизации аморфного кремния за счет применения интерференционного эффекта. Кроме того, для создания на его основе солнечного элемента необходимо проработать вопрос о том, какие другие активные слои будут комбинироваться с предлагаемым материалам и каким образом они будут получаться.

Необходимым элементом солнечной батареи является фотопреобразователь, построенный на основе одного или нескольких p-n-переходов. Последние могут быть как гомогенными, т.е. представляющие собой части одного и того же полупроводника с различным уровнем донорных и акцепторных примесей, так и гетерогенными, т.е. состоящими из двух различных материалов. Использование гетерогенных переходов (гетеропереходов) представляет сейчас наибольший интерес в микро- и оптоэлектронике, так как позволяет создавать уникальные по своим свойствам элементы перспективных устройств.

Использование композитной структуры из аморфной и нанокристаллической фаз различных материалов неоднократно предлагалось ранее для создания гетеропереходов солнечных элементов. В частности, в патенте RU 2568421 С1 (опубликовано 20.11.2015, кл. H01L 31/06, В82В 1/00,) описан солнечный элемент на основе гетероструктуры смешанный аморфный и нанокристаллический нитрид кремния/кремний р-типа. Однопереходной солнечный элемент включает подложку из кремния р-типа Si(100) предварительно обработанную плавиковой кислотой HF. На верхней стороне подложки расположен слой пленки n-типа толщиной 4-5 нм из аморфного нитрида кремния смешанного с нитридом кремния нанокристаллической структуры, нанесенный методом магнетронного напыления в аргоне из твердотельной мишени Si₃N₄. Электрические контакты из Ag либо Сu сформированы методом магнетронного напыления. Изобретение обеспечивает эффективность 7,41% без дополнительных просветляющих, защитных или каких-либо других слоев и без применения концентраторов солнечного излучения.

В качестве аналогов к заявляемому техническому решению выявлены солнечные элементы, техническая сущность которых раскрыта в публикациях US 20090071539 А1 (опубликовано 19.03.2009, кл. H01L 31/00) и US 20070272297 А1 (опубликовано 29.11.2007, кл. Н01L 31/00).

В US 20090071539 А1 описан солнечный элемент, изготовленный с использованием композитной тонкой пленки из аморфного и нанокристаллического кремния и способ его изготовления. Композитные тонкие пленки из аморфного и нанокристаллического кремния получают диспергированием наночастиц кремния в прекурсоре из жидкого кремния. Полученную дисперсию используют для покрытия подложки стандартными способами, либо переносят на подложку методом печати. Последующий нагрев подложки с нанесенной пленкой из аморфного и нанокристаллического кремния применяется для преобразования прекурсора из жидкого кремния в аморфный кремний. Отличительной особенностью данного изобретения является отсутсвие необходимости использования дорогостоящего оборудования для получения композитных тонких пленок из аморфного и нанокристаллического кремния. Кроме того, описанный метод позволяет получать композитные пленки, состоящие из множественных материалов с различными энергиями запрещенных зон, что может заметно улучшить эффективность преобразования энергии солнечного элемента, полученного из раствора жидкого прекурсора и нанокристаллических частиц, характеризуемого низкой стоимостью изготовления. К недостаткам приведенного технического решения относятся сложность процесса переноса обладающей высокой температурой дисперсии из жидкого кремния с наночастицами кремния (температура плавления кремния свыше 1400°С) на подложку, а также необходимость последующего нагрева подложки.

В US 20070272297 А1 описано сходное техническое решение, посвященное разупорядоченным нанокомпозитным структурам на основе кремния для фотовольтаики, солнечных элементов и светоизлучающих устройств. Описываются нанокомпозитные структуры, включая слоистые р-n и p-i-n гомо- и гетеропереходы, состоящие из полупроводниковых наночастиц, таких как коллоидные полупроводниковые нанокристаллы, наностержни, нанопроволоки, нанотрубки и т.д., в которых хотя бы один из слоев изготовлен из гидрогенизированного аморфного или микрокристаллического/нанокристаллического кремния или их сплавов, полученных низкотемпературными методами осаждения такими как плазменно-химическое осаждение из газовой фазы для предотвращения деградации физических свойств наночастиц. Собственный, а также р- или n-типа нанокомпозитный слой кремния, содержащий разупорядоченные внедренные наночастицы, находящиеся в прямом электрическом контакте с кремниевой матрицей, может быть изготовлен на основе гидрогенизированного аморфного кремния, микрокристаллического кремния или их сплавов, включая гидрогенизированные кремний-германий и карбид кремния. Предложеная технология, включающая низкотемпературный (75-250°С) процесс плазменно-химического осаждения из газовой фазы, позволяет внедрять наночастицы в полупроводниковую матрицу без деградации их физических свойств, неизбежной при высокотемпературных методах. Это решает проблему прямого электрического контакта между матрицей и наночастицами. Более того, энергетическая структура, включая ширину и положение запрещенной зоны расплава аморфного и микрокристаллического кремния, может контролироваться в широких пределах от примерно 1,2 до более чем 3 эВ за счет изменения состава расплава. Это, согласно мнению авторов патента, позволяет оптимизировать фотовольтаические свойства материала, а также варьировать параметры соответствующих светоизлучающих устройств в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. Данное техническое решение принято за прототип.

Однако в данном техническом решении отсутствует прямое указание на конкретный способ включения полупроводниковых наночастиц в кремниевую матрицу, поскольку упомянутый метод плазменно-химического осаждения из газовой фазы характеризуется множеством параметров и позволяет получать широкий спектр веществ, однако формирование наночастиц возможно только при соблюдении строго определенной процедуры, не описанной тем не менее в самом патенте.

Технической проблемой является создание солнечного элемента выполненного на основе гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний при формировании этого гетероперехода посредством облучения лазерными импульсами.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемой группы изобретений, является обеспечение повышенной стабильности электрических и фотоэлектрических свойств при освещении, увеличенной подвижности носителей заряда, повышенной эффективностью и относительной дешевизной при его изготовлении (в сравнении с солнечными элементами из кристаллического кремния). Данные свойства солнечных элементов позволят в итоге получать повышенные (по сравнению с солнечными элементами на основе a-Si:H) значения фотовольтаических параметров (могут быть достигнуты следующие значения: КПД фотопреобразования - 14%, напряжение холостого хода - 0,68 В, ток короткого замыкания - 36,5 мА/см²).

Техническая проблема решается за счет способа получения гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний в образце, представляющем собой пленку аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенную на кварцевую подложку, включающего облучение образца фемтосекундными лазерными импульсами в вакууме при давлении не более 2⋅10^-2 мбар, с центральной длиной волны излучения 257-680 нм, частотой повторения импульсов 20-500 кГц, длительностью импульсов 30-500 фс и плотностью энергии лазерных импульсов 4-500 мДж/см².

Нанесение пленки на кварцевую подложку может быть выполнено посредством плазмохимического осаждения слоя аморфного гидрогенизированного кремния на кварцевую подложку.

В качестве пленок возможно использовать пленки, полученные методом ионного распыления кремния.

В качестве пленок возможно использовать пленки, полученные методом термического разложения моносилана.

Облучение образца лазерными импульсами возможно осуществить посредством сканирования сфокусированным пучком при скорости сканирования от 1 до 10 мм/с.

Расстояние между центрами сканированных полос составляет 40 мкм, а шаг сканирования выбирают таким образом, чтобы перекрытие лазерных пучков от соседних полос составляло не менее 80%.

Диаметр пучка варьируют от 20 до 100 мкм.

Техническая проблема также решается за счет солнечного элемента, содержащего:

- слой с гетеропереходом нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний, полученный в соответствии с вышеизложенным способом, выполненный на пленке аморфного гидрогенизированного кремния и нанесенный на кварцевую подложку;

- нанесенный на этот слой металлический электрод;

- и проводящий прозрачный подслой, нанесенный на кварцевую подложку.

Металлический электрод может быть выполнен из алюминия или золота или магния.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - схематичное изображение солнечного элемента, содержащего на кварцевой подложке с проводящим прозрачным подслоем (ITO) слой с гетеропереходом нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний, полученный в соответствии с заявляемым способом и нанесенным на этот слой металлическим электродом (А1).

Фиг. 2 - фотография пленки аморфного гидрогенизированного кремния из примера 1 на подложке кварца (1) до (2) и после (3) лазерной кристаллизации.

Фиг. 3 - спектральные зависимости коэффициента поглощения для аморфного, нанокристаллического и монокристаллического кремния [A.V. Shah, Н. Schade, М. Vanecek, J. Meier, Е. Vallat-Sauvain, N. Wyrsch, U. Kroll, C. Droz and J. Bailat, Prog. Photovolt: Res. Appl., 2004, v. 12, p. 113].

Фиг. 4 - спектры комбинационного рассеяния света (КРС), снятые со стороны поверхности пленки и со стороны подложки, для пленки a-Si:H, облученной лазерными импульсами с длиной волны 515 нм.

Фиг. 5 - спектры КРС, снятые со стороны поверхности пленки и со стороны подложки для пленки a-Si:H, модифицированной (облученной) лазерными импульсами с длиной 1030 нм.

Фиг. 6 - распределение доли нанокристаллической фазы по толщине кремниевой пленки, модифицированной фемтосекундным лазерным излучением с длиной волны 515 нм и 1030 нм.

Фиг. 7 - нагрузочные ВАХ для солнечных элементов, полученных при лазерном облучении с длинами волн: 300 нм (образец 1) и 600 нм (образец 2).

Фиг. 8. - нагрузочные ВАХ для солнечных элементов, полученных при лазерном облучении с длительностью импульсов: 30 фс (образец 3) и 500 фс (образец 4).

Фиг. 9. - нагрузочные ВАХ для солнечных элементов, полученных при лазерном облучении с различной плотностью энергии: 5 мДж/см² (образец 5) и 100 мДж/см² (образец 6).

Осуществление изобретения

Для того, чтобы показать, каким образом длина волны кристаллизующего лазерного излучения влияет на структуру a-Si:H достаточно проанализировать спектры комбинационного рассеяния света (КРС) для двух длин волн: 515 и 1030 нм - см. Фиг. 3, на которой показаны спектральные зависимости коэффициента поглощения, гидрогенизированного аморфного, микрокристаллического и монокристаллического кремния. Фиг. 3 позволяет понять особенности использованных величин длин волн. Энергия кванта, соответствующая минимальной длине волны, (2,4 эВ) превышает ширину щели подвижности аморфного гидрогенизированного кремния (1.8 эВ). В то же время энергия кванта, соответствующая максимальной длине волны (1.2 эВ), практически совпадает с шириной запрещенной зоны кристаллического кремния (1.15 эВ). Соответственно, динамика процесса кристаллизации и формируемая в результате лазерной обработки структура зависят не только от использованной плотности лазерной энергии, но и от длины волны лазерных импульсов.

Отметим, что длина волны лазера, использованного для измерения спектров КРС, которые в свою очередь были использованы для оценки доли кристаллической фазы, составляла 488 нм. Согласно спектральным зависимостям коэффициента поглощения в аморфном гидрогенизированным кремнии, приведенным на Фиг. 3, такое излучение хорошо поглощается в аморфном кремнии. Использование значения коэффициента поглощения (а) для данной длины волны позволяет оценить глубину проникновения (d) зондирующего излучения в кремниевую пленку [I. de Wolf, Semicond. Sci. Technol., 1996, v. 11, p.139]:

d=(2,3/2α),

которая составляет 50 нм. Целесообразно отметить, что согласно данным для коэффициента поглощения нанокристаллического кремния, представленным на Фиг. 1, кристаллизация поверхности пленки должна приводить к увеличению глубины зондирования структуры методом КРС до 200 нм. Тем не менее, использование при записи спектров КРС лазера с длиной волны 488 нм позволяет провести исследование распределения кристаллитов по толщине пленки для модифицированных пленок, полученных в результате их облучения фемтосекундным лазерным излучением с различной длиной волны. Для этого были проведены измерения КРС спектров, снятых на длине волны 488 нм как со стороны подложки, так и со стороны поверхности пленок. Измеренные спектры представлены на Фиг. 4 и Фиг. 5 для пленок, модифицированных фемтосекундным лазерным излучением с длиной волны λ=515 (Фиг. 4) и 1030 нм (Фиг. 5). Как отмечено выше анализ полученных спектров позволяет оценить структуру материала в слое толщиной ~50 нм, расположенном вблизи подложки или вблизи поверхности, соответственно. Как видно из Фиг. 4, для пленки, модифицированной фемтосекундным лазерным излучением с длиной волны 515 нм спектры КРС, снятые со стороны поверхности пленки и со стороны подложки существенно различаются. В спектре КРС, снятом со стороны поверхности пленки, наблюдается интенсивный пик около 520 см^-1, который указывает на присутствие в приповерхностной структуре пленки значительной доли кристаллической фазы. В то же время спектр КРС, снятый со стороны кварцевой подложки соответствует спектру аморфного кремния. Таким образом, в случае лазерной модификации структуры излучением с длиной волны 515 нм происходит неравномерное по толщине пленки изменение ее структуры. Вблизи поверхности пленка кристаллизуется, в то время как структура пленки вблизи кварцевой подложки остается аморфной.

Иные результаты получаются при модификации пленок фемтосекундным лазерным излучением с длиной волны 1030 нм. Как видно из Фиг. 5, спектры КРС, снятые как со стороны поверхности, так и со стороны кварцевой подложки совпадают друг с другом. Это свидетельствует о том, что образующиеся кристаллиты распределены равномерно по объему пленки. Различное распределения кристаллической фазы по толщине пленки при ее модификации излучением с длинной волны 515 и 1030 нм связано с различием в коэффициенте поглощения излучения с длиной волны 515 и 1030 нм. В последнем случае, поглощение, приводящее к кристаллизации пленок, определяется двухфотонными переходами, вероятность которых относительно невелика. Слабо поглощающееся ИК излучение проникает на всю глубину аморфной пленки, вызывая однородную по толщине пленки модификацию материала.

Для получения информации о распределении по толщине модифицированных пленок фазового состава и влиянии на это распределение используемой длины волны фемтосекундного лазерного излучения были проведены измерения спектров КРС при послойном стравливании слоя модифицированного кремния. Жидкостное химическое травление проводилось в смеси HNO₃, Н₃РО₄, HF и Н₂О в соотношении (9:3:0,3:4,5). Толщина пленок после послойного травления определялась с помощью профилометра. Из анализа спектров КРС оценивалась объемная доля кристаллической фазы в пленках ƒ_c. Заметим, что полученное значение ƒ_c отражает долю кристаллической фазы в области зондирования лазерного луча, используемого при КРС. При этом глубина зондирования может уменьшаться по мере стравливания пленки и перехода от области с большой долей нанокристаллов к области с малой долей кристаллической фазы. Это связано, как сказано выше, с большей величиной коэффициента поглощения в аморфном кремнии для лазерного излучения, использованного нами в КРС.

Полученные результаты для пленок, модифицированных фемтосекундным лазерным излучением с длиной волны 515 и 1030 нм, представлены на Фиг. 6. В случае использования длины волны 515 нм измерения проводились для пленки, облученной излучением с плотностью энергии 8 мДж/см². В случае же использования длины волны 1030 нм измерения проводились для пленки облученной излучением с плотностью энергии 100 мДж/см². На Фиг. 6 величина Δd соответствует толщине «стравленной» части пленки, которая изначально имела толщину d=300 нм.

Как видно из Фиг. 6 полученные результаты подтверждают данные, полученные при измерении спектров КРС со стороны поверхности пленки и со стороны кварцевой подложки. А именно, в случае использования фемтосекундного лазерного излучения с энергией кванта, превышающей ширину щели подвижности аморфного гидрогенизированного кремния, кристаллизация происходит вблизи поверхности пленки на глубине в десятки (и менее) нанометров. В случае использования фемтосекундного лазерного излучения с энергией квантов, существенно меньших ширины щели подвижности, происходит более равномерная по толщине пленки кристаллизация. В последнем случае создание гетероперехода не представляется возможным.

Таким образом, техническая проблема решается за счет облучения исходной пленки аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) фемтосекундными лазерными импульсами с энергиями кванта, превышающими ширину щели подвижности аморфного гидрогенизированного кремния (~1,8 эВ). В результате верхняя часть пленки частично кристаллизуется с образованием тонкого (менее 1 мкм) слоя нанокристаллического кремния (nc-Si), в то время как нижняя часть пленки остается в исходном состоянии. В результате этого образуется гетеропереход nc-Si/a-Si:H, который может служить основой солнечного элемента. Для исключения окисления пленок a-Si:H в процессе их обработки облучение производят в вакууме при давлении Р≤2⋅10^-2 мбар фемтосекундными лазерными импульсами с центральной длиной волны излучения 257-680 нм, частотой повторения импульсов 20-500 кГц, длительностью импульсов 30-500 фс и плотностью энергии лазерных импульсов 4-500 мДж/см². Размер получаемых нанокристаллов кремния может варьироваться в пределах от 4 до 10 нм.

Примеры осуществления изобретения

Пример 1. Реализация солнечных элементов на основе гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний с помощью фемтосекундных лазерных импульсов с различной длиной волны

Исходная пленка a-Si:H, легированная бором, толщиной 0,5 мкм осаждается на кварцевую подложку с проводящим слоем из смеси оксидов индия и цинка (ITO) методом плазмохимического осаждения из газовой смеси моносилана SiH₄, аргона Аr и диборана В₂Н₆ при соотношении потоков [В₂Н₆]/SiH₄] равном 10^-5. Пленка сканируется сфокусированным пучком импульсного лазера на кристалле хром-форстерита, при этом диаметр лазерного пучка составляет 20 мкм, длительность импульсов - 300 фс, частота повторения импульсов - 100 кГц, плотность энергии лазерных импульсов - 85 мДж/см². Для обработки пленок аморфного гидрогенизированного кремния используется сканирующий метод, т.е. лазерный луч движется вдоль поверхности образца. Скорость сканирования составляет 5 мм/с. Расстояние между центрами сканированых полос составляет 40 мкм. Шаг сканирования (расстояние между «полосами» сканирования) выбирается таким образом, чтобы перекрытие лазерного пучков от соседних полос составляло не менее 80%.

Для реализации солнечного элемента, на слой (который содержится на кварцевой подложке с проводящим прозрачным подслоем - слоем ITO, который играет роль нижнего электрического контакта) с гетеропереходом нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний, наносится, например, путей вакуумного напыления, металлический электрод. Металлический электрод может быть выполнен в частности из алюминия (см. Фиг. 1), но возможны варианты из золота или магния. Роль нижнего электрического контакта играет часть пленки ITO, которая не занята пленкой a-Si:H, для чего кварцевая подложка с проводящим слоем ITO не полностью запылена пленкой a-Si:H (см. Фиг. 2).

Данным способом были получены два солнечных элемента. Один солнечный элемент (образец 1) при длине волны лазерного облучения 300 нм, второй солнечный элемент (образец 2) при длине волны 600 нм. Нагрузочные вольтамперные характеристики для двух данных режимов при освещении в условиях AM1.5 показаны на Фиг. 7. Получившиеся фотовольтаические параметры приведены в таблице 1.

Пример 2. Реализация солнечных элементов на основе гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний с помощью фемтосекундных лазерных импульсов с различной длительностью

Солнечные элементы получались аналогичным описанному в примере 1 способом. Единственное, в данном случае длина волны лазерных импульсов была фиксированной и составляла 515 нм, а длительность варьировалась и равнялась 30 фс (образец 3) и 500 фс (образец 4).

Нагрузочные вольтамперные характеристики для двух данных режимов при освещении в условиях AM1.5 показаны на Фиг. 8. Получившиеся фотовольтаические параметры приведены в таблице 2.

Пример 3. Реализация солнечных элементов на основе гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний с помощью фемтосекундных лазерных импульсов с различной плотностью энергии

Солнечные элементы получались полностью аналогично описанному в примере 1 методу, за исключением того, что длина волны была фиксированной и составляла 515 нм, а плотность энергии лазерных импульсов варьировалась и равнялась 5 мДж/см² (образец 5) и 100 мДж/см² (образец 6).

Нагрузочные вольтамперные характеристики для двух данных режимов при освещении в условиях AM1.5 показаны на Фиг. 9. Получившиеся фотовольтаические параметры приведены в таблице 3.

Пример 4. Реализация солнечных элементов на основе гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний с помощью фемтосекундных лазерных импульсов с различной частотой повторения

Солнечные элементы получались способом, полностью аналогичным описанному в примере 1, за исключением того, что длина волны была фиксированной и составляла 515 нм, а частота повторений лазерных импульсов варьировалась и составляла либо 20, либо 500 кГц.

Полученные нагрузочные характеристики, а, соответственно, и фотовольтаические параметры не отличались в пределах погрешности измерений от полученных для образца 4.

Как видно из приведенных выше примеров посредством заявляемого способа возможно сформировать гетеропереход нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний и выполнить на основе заявляемого способа - солнечный элемент, обладающий повышенными (по сравнению с солнечными элементами на основе аморфного гидрогенизированного кремния) значениями фотовольтаических параметров (в частности КПД фотопреобразования - 14%, напряжение холостого хода - 0,68 В и ток ороткого замыкания - 36,5 мА/см²).

1. Способ получения гетероперехода нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний в образце, представляющем собой пленку аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенную на кварцевую подложку, включающий облучение образца фемтосекундными лазерными импульсами в вакууме при давлении не более 2⋅10^-2 мбар, с центральной длиной волны излучения 257-680 нм, частотой повторения импульсов 20-500 кГц, длительностью импульсов 30-500 фс и плотностью энергии лазерных импульсов 4-500 мДж/см².

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нанесение пленки на кварцевую подложку выполнено посредством плазмохимического осаждения слоя аморфного гидрогенизированного кремния на кварцевую подложку.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пленок используют пленки, полученные методом ионного распыления кремния.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пленок используют пленки, полученные методом термического разложения моносилана.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что облучение образца лазерными импульсами осуществляют посредством сканирования сфокусированным пучком при скорости сканирования от 1 до 10 мм/с.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что расстояние между центрами сканированных полос составляет 40 мкм, а шаг сканирования выбирают таким образом, чтобы перекрытие лазерных пучков от соседних полос составляло не менее 80%.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что диаметр пучка варьируют от 20 до 100 мкм.

8. Солнечный элемент, содержащий слой с гетеропереходом нанокристаллический кремний/аморфный гидрогенизированный кремний, полученный в соответствии с пп. 1-7, выполненный на пленке аморфного гидрогенизированного кремния и нанесенный на кварцевую подложку, нанесенный на этот слой металлический электрод и проводящий прозрачный подслой, нанесенный на кварцевую подложку.

9. Солнечный элемент по п. 8, отличающийся тем, что металлический электрод выполнен из алюминия, или золота, или магния.