السليكون غير المتبلور (a-Si) هو الشكل غير البلوري للسليكون المستخدم للخلايا الشمسية والترانزستورات الرقيقة في شاشات الكريستال السائل.
يستخدم كمواد شبه موصلة للخلايا الشمسية من نوع سي ، أو الخلايا الشمسية السليكونية ذات الأغشية الرقيقة ، ويتم ترسيبها في أفلام رفيعة على مجموعة متنوعة من الركائز المرنة ، مثل الزجاج والمعدن والبلاستيك. تتميز خلايا السيليكون غير المتبلورة عموما بكفاءة منخفضة ، ولكنها واحدة من أكثر التقنيات الضوئية صديقة للبيئة ، حيث أنها لا تستخدم أي معادن ثقيلة سامة مثل الكادميوم أو الرصاص.
وباعتباره الجيل الثاني من تكنولوجيا الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة ، كان من المتوقع أن يصبح السليكون غير المتبلور مساهما رئيسيا في السوق الفولطاضوئية المتسارع النمو في جميع أنحاء العالم ، ولكنه فقد أهميته منذ ذلك الحين بسبب المنافسة القوية من خلايا السيليكون البلورية التقليدية وغيرها من الخلايا السليكونية الرقيقة. تقنيات الأفلام مثل CdTe و CIGS.
يختلف السيليكون غير المتبلور عن الاختلافات الأخرى في التآلات ، مثل السيليكون أحادي البلورة – بلورة واحدة ، والسيليكون متعدد البلورات ، الذي يتكون من حبيبات صغيرة ، تعرف أيضًا باسم البلورات.
وصف
السليكون عبارة عن ذرة منسقة ذات أربعة أضعاف يتم ربطها رباعي السطوح عادة بأربعة ذرات سليكون مجاورة. في السليكون البلوري (c-Si) يستمر هذا الهيكل الرباعي السطوح على نطاق واسع ، وبالتالي تشكيل شبكة كريستالية جيدة الترتيب.
في السليكون الغير متبلور هذا الترتيب طويل المدى غير موجود. بدلا من ذلك ، تشكل الذرات شبكة عشوائية مستمرة. علاوة على ذلك ، ليست جميع الذرات الموجودة داخل السيليكون غير المتبلور منسقة بأربعة أضعاف. بسبب الطبيعة المضطربة للمادة تمتلك بعض الذرات رابطة متدلية. جسديا ، هذه الروابط المتدلية تمثل عيوبا في الشبكة العشوائية المستمرة وقد تسبب سلوكًا كهربائيًا شاذًا.
يمكن أن يتم تخميل المواد بواسطة الهيدروجين ، والذي يرتبط بالسندات المتدلية ويمكن أن يقلل من كثافة الرابطة المتدلية من خلال عدة أوامر من الحجم. يحتوي السليكون غير المتبلور المهدرج (a-Si: H) على كمية كافية من العيوب لاستخدامها داخل الأجهزة مثل الخلايا الشمسية الضوئية ، خاصة في نظام النمو البروتستواري. ومع ذلك ، يرتبط الهدرجة مع التحلل الذي يسببه الضوء من المواد ، ويسمى تأثير Staebler – Wronski.
غير متبلور السليكون والكربون
السبائك غير المتبلورة من السيليكون والكربون (كربيد السيليكون غير المتبلور ، المهدرج ، أ- Si1 − xCx: H) هي شكل مثير للاهتمام.مقدمة من ذرات الكربون يضيف درجات إضافية من الحرية للسيطرة على خصائص المواد. يمكن أن يكون الفيلم شفافًا أيضًا للضوء المرئي.
زيادة تركيز الكربون في سبيكة يوسع الفجوة الإلكترونية بين نطاقات التوصيل والتكافؤ (وتسمى أيضا “الفجوة البصرية” وفجوة نطاقها). هذا من المحتمل أن يزيد من كفاءة الضوء للخلايا الشمسية المصنوعة من طبقات كربيد السيليكون غير المتبلور. من ناحية أخرى ، تتأثر الخصائص الإلكترونية كأشباه الموصلات (خاصة حركة الإلكترون) بشكل سلبي بالمحتوى المتزايد للكربون في السبائك ، بسبب الاضطراب المتزايد في الشبكة الذرية.
تم العثور على العديد من الدراسات في الأدبيات العلمية ، ولا سيما التحقيق في آثار المعلمات ترسب على الجودة الإلكترونية ، ولكن لا تزال هناك تطبيقات عملية من كربيد السيليكون غير متبلور في الأجهزة التجارية.
الخصائص
تم حساب كثافة Si الغير متبلور على شكل 4.9 4.90 × 1022 ذرة / سم 3 (2.285 غم / سم 3) عند 300 ك. تم ذلك باستخدام شرائح رقيقة (5 ميكرون) من السيليكون غير المتبلور. هذه الكثافة هي 1.8 ± 0.1 ٪ أقل كثافة من Si البلورية عند 300 K. Silicon هي واحدة من العناصر القليلة التي تتوسع عند التبريد ولديها كثافة أقل كصلبة من سائل.
السيليكون غير متبلور غير متبلور
يحتوي a-Si غير الهيدروجين على كثافة عيب عالية جدًا تؤدي إلى خصائص أشباه الموصلات غير المرغوب فيها مثل ضعف الموصلية الضوئية ويمنع تناول المنشطات وهو أمر بالغ الأهمية لخواص أشباه الموصلات الهندسية. من خلال إدخال الهيدروجين أثناء تصنيع السليكون غير المتبلور ، تتحسن الموصلية الضوئية بشكل ملحوظ ويتم إجراء المنشطات. تم تصنيع السليكون غير المتبلور المهدرج ، وهو Si: H ، لأول مرة في عام 1969 بواسطة Chittick ، والإلكسندر ، والجنيه الاسترليني عن طريق الترسيب باستخدام سلعة غاز silane (SiH4).أظهرت المواد الناتجة كثافة أقل للخلل وزيادة التوصيل بسبب الشوائب. الفائدة في a-Si: H جاءت عندما (في عام 1975) ، اكتشف LeComber و Spear القدرة على التطعيم البديل لـ Si-H باستخدام الفوسفين (n-type) أو diborane (p-type). تم التحقق من دور الهيدروجين في الحد من العيوب من قبل مجموعة بول في جامعة هارفارد التي وجدت تركيزًا هيدروجينيًا لحوالي 10٪ ذرية عبر اهتزاز الأشعة تحت الحمراء ، والذي يبلغ تردده حوالي 2000 سم. بدءًا من سبعينيات القرن العشرين ، تم تطوير A-Si: H في الخلايا الشمسية بواسطة RCA والتي ارتفعت بشكل مطرد في الكفاءة إلى حوالي 13.6٪ في عام 2015.
| الأمراض القلبية الوعائية | PECVD | CVD الحفاز | الاخرق | |
|---|---|---|---|---|
| نوع الفيلم | A- سي: H | A- سي: H | A- سي: H | وسي |
| تطبيق فريد | الإلكترونيات كبيرة المساحة | ترسب خالي من الهيدروجين | ||
| درجة حرارة الغرفة | 600C | 30-300C | 30-1000C | |
| درجة حرارة العنصر النشط | 2000C | |||
| ضغط الغرفة | 0.1-10 عقرب | 0.1-10 عقرب | 0.001–0.1 | |
| المبدأ المادي | الحراري | التفكك الناجم عن البلازما | الحراري | Ionization of Si source |
| الميسرين | W / تا اسلاك ساخنة | الكاتيون الأرجون | ||
| جهد محرك الأقراص النموذجي | RF 13.56 ميغاهرتز ؛ 0.01-1W / سم 2 | |||
| مصدر سي | SiH 4 غاز | SiH 4 غاز | SiH 4 غاز | بوتقة |
| درجة حرارة الركيزة | السيطرة عليها | السيطرة عليها | السيطرة عليها | السيطرة عليها |
تطبيقات
في حين أن السي سي تعاني من انخفاض الأداء الإلكتروني مقارنة مع سي سي ، إلا أنها أكثر مرونة في تطبيقاتها. على سبيل المثال ، يمكن جعل طبقات Si-Si أرق من C-Si ، مما قد يؤدي إلى تحقيق وفورات في تكلفة مادة السيليكون.
وتتمثل إحدى المزايا الإضافية في إمكانية ترسيب مادة Si-Si عند درجات حرارة منخفضة للغاية ، على سبيل المثال ، منخفضة تصل إلى 75 درجة مئوية. وهذا يسمح بالترسيب ليس فقط بالزجاج ، بل بالبلاستيك كذلك ، مما يجعله مرشحًا لتقنية معالجة لفة إلى لفة. وبمجرد أن يتم ترسيبها ، يمكن أن يتم تعاطي الأي سي بطريقة مشابهة لـ سي-سي ، لتشكيل طبقات من النوع “بي” أو “ن” ، وفي النهاية لتشكيل أجهزة إلكترونية.
وهناك ميزة أخرى تتمثل في أنه يمكن إيداع مادة السي-سي على مناطق كبيرة بواسطة PECVD. إن تصميم نظام PECVD له تأثير كبير على تكلفة إنتاج هذه اللوحة ، وبالتالي فإن معظم موردي المعدات يضعون تركيزهم على تصميم PECVD من أجل إنتاجية أعلى ، مما يؤدي إلى انخفاض تكلفة التصنيع خاصة عند إعادة تدوير silane.
يتم استخدام صفائف صغيرة (أقل من 1 مم × 1 مم) من الصوديوم على الزجاج على شكل مستشعرات للضوء المرئي في بعض كاشفات الألواح المسطحة للتنظير والأشعة.
وحدات الطاقة الشمسية
تم استخدام السيليكون غير المتبلور (a-Si) كمواد الخلايا الشمسية الكهروضوئية للأجهزة التي تتطلب طاقة قليلة جدًا ، مثل حاسبات الجيب ، نظرًا لأن أدائها المنخفض مقارنةً بالخلايا الشمسية البلورية التقليدية (c-Si) يقابلها بتكلفة مبسطة وأقل من الترسب على الركيزة. أول الآلات الحاسبة التي تعمل بالطاقة الشمسية كانت متوفرة بالفعل في أواخر السبعينيات ، مثل Royal Solar 1 و Sharp EL-8026 و Teal Photon.
في الآونة الأخيرة ، جعلت التحسينات في تقنيات البناء سي أكثر جاذبية لاستخدام الخلايا الشمسية في منطقة كبيرة كذلك. وهنا ، فإن كفاءتها الأصيلة المنخفضة تتكون ، جزئيا على الأقل ، من النحافة – حيث يمكن الوصول إلى كفاءات أعلى عن طريق تكديس عدة خلايا غشاء رقيق فوق بعضها البعض ، كل منها مضبوط للعمل بشكل جيد عند تردد معين للضوء. لا ينطبق هذا الأسلوب على خلايا سي-سي ، التي تكون سميكة بسبب فجوة النطاق غير المباشرة ، وبالتالي فهي غير واضحة إلى حد كبير ، مما يمنع الضوء من الوصول إلى طبقات أخرى في كومة.
يرجع مصدر انخفاض كفاءة الخلايا الكهروضوئية غير المتبلورة إلى حد كبير إلى الحركة المنخفضة للمادة. ويعزى هذا الحراك المنخفض إلى العديد من الجوانب المادية للمادة ، بما في ذلك وجود روابط متدلية (السيليكون مع 3 روابط) ، والسندات العائمة (السيليكون مع 5 روابط) ، وكذلك إعادة تشكيل السندات. في حين تم القيام بالكثير من العمل للسيطرة على هذه المصادر ذات الحركة المنخفضة ، تشير الأدلة إلى أن العديد من العيوب المتفاعلة قد تؤدي إلى تقييد الحركة بشكل أصيل ، حيث أن تقليل نوع واحد من العيوب يؤدي إلى تكوين الآخرين.
الميزة الرئيسية للسي سي في الإنتاج على نطاق واسع ليست الكفاءة ، ولكن التكلفة. تستخدم خلايا a-Si فقط جزءًا من السليكون اللازم لخلايا c-Si النموذجية ، وكانت تكلفة السليكون تاريخًا مساهماً هامًا في تكلفة الخلية. ومع ذلك ، فإن ارتفاع تكاليف التصنيع بسبب البناء متعدد الطبقات جعل ، حتى الآن ، سي غير جذابة إلا في الأدوار التي تكون فيها النحافة أو المرونة ميزة.
عادة ، تستخدم خلايا الأغشية الرقيقة السليكونية غير المتبلورة بنية دبابيس. ويرجع أيضًا وضع الطبقة p الموجودة في الأعلى إلى انخفاض حركة الثقب ، مما يسمح للثقوب باجتياز مسافة متوسطة أقصر لجمعها إلى جهة الاتصال العليا. تشتمل بنية اللوحة النموذجية على زجاج أمامي جانبي ، TCO ، سيليكون غشاء رقيق ، جهة اتصال خلفية ، بولي فينيل بوتيرال (PVB) وزجاج جانبي خلفي. قامت Uni-Solar ، وهي قسم من أجهزة تحويل الطاقة ، بإنتاج نسخة من الدعامات المرنة ، والمستخدمة في منتجات تسقيف لفة. ومع ذلك ، فإن أكبر مصنع في العالم للخلايا الضوئية السليكونية غير المتبلورة كان يتعين عليه تقديم طلب للإفلاس في عام 2012 ، حيث أنه لا يمكنه التنافس مع الأسعار المتناقصة بسرعة للألواح الشمسية التقليدية.
Microcrystalline والسيليكون micromorphous
السليكون البلوري microcrystalline silicon (يسمى أيضاً السليكون nanocrystalline) هو عبارة عن سيليكون غير متبلور ، ولكنه يحتوي أيضاً على بلورات صغيرة. انها تمتص طيف أوسع من الضوء ومرنة. تجمع تكنولوجيا وحدة السليكون الصغيرة (Micromorphous silicon module) بين نوعين مختلفين من السيليكون ، والسيليكون غير المتبلور والسيليكون الجريزوفولفين ، في خلية كهروضوئية أعلى وأسفل. تنتج Sharp الخلايا التي تستخدم هذا النظام من أجل التقاط الضوء الأزرق بكفاءة أكبر ، مما يزيد من كفاءة الخلايا خلال الوقت الذي لا يوجد فيه ضوء شمس مباشر يسقط عليها. غالبًا ما يستخدم السيليكون المطلي بالبروتوكولات لتحسين جهد الدائرة المفتوحة في الخلايا الكهروضوئية.
الإنتاج على نطاق واسع
أكملت شركة Xunlight ، التي استلمت أكثر من 40 مليون دولار من الاستثمارات المؤسسية ، تركيب أول مصنع لإنتاج الطاقة الضوئية على الشبكة العنكبوتية واسع النطاق سعة 25 ميغاواط من أجل إنتاج وحدات PV السيليكونية ذات الأغشية الرقيقة. وقد أكملت شركة Anwell Technologies أيضًا تركيب أول منشأة لإنتاج الألواح الشمسية الرقيقة بسعة 40 ميغاواط في شركة Henan باستخدام معدات PECVD متعددة الطبقات والمصممة داخل المنزل.
الكهروضوئية الحرارية الشمسية الهجين
أجهزة تجميع الطاقة الشمسية الحرارية الكهروضوئية (PVT) ، هي الأنظمة التي تحول الإشعاع الشمسي إلى طاقة كهربائية وطاقة حرارية.تجمع هذه الأنظمة بين الخلايا الشمسية ، التي تحول الإشعاع الكهرومغناطيسي (الفوتونات) إلى كهرباء ، مع مجمِّع حراري شمسي ، يلتقط الطاقة المتبقية ويزيل الحرارة المفقودة من الوحدة الكهروضوئية الشمسية. الخلايا الشمسية تعاني من انخفاض الكفاءة مع ارتفاع درجة الحرارة بسبب زيادة المقاومة. يمكن تصميم معظم هذه الأنظمة لحمل الحرارة بعيدا عن الخلايا الشمسية وبالتالي تبريد الخلايا وبالتالي تحسين كفاءتها عن طريق خفض المقاومة. على الرغم من أن هذه الطريقة فعالة ، إلا أنها تتسبب في انخفاض أداء المكونات الحرارية مقارنة مع المجمع الحراري الشمسي. أظهرت الأبحاث الحديثة أن Si-H: H PV مع معاملات درجات حرارة منخفضة تسمح بتشغيل PVT في درجات حرارة عالية ، مما يخلق نظام PVT أكثر تكافؤًا وتحسين أداء A-Si: H PV بنحو 10٪.
شاشة الكريستال السائل رقيقة الترانزستور
أصبح السليكون غير المتبلور المادة المفضلة للطبقة النشطة في ترانزستورات الأغشية الرقيقة (TFTs) ، والتي تستخدم على نطاق واسع في تطبيقات الإلكترونيات كبيرة المساحة ، خاصةً شاشات الكريستال السائل (LCD).
تُظهر شاشة الكريستال السائل ذات الترانزستور الرقيق (TFT-LCD) عملية تخطيط دارة مشابهة لتلك الخاصة بمنتجات أشباه الموصلات.ومع ذلك ، فبدلاً من تصنيع الترانزستورات من السيليكون ، التي يتم تشكيلها في رقاقة سيليكون بلورية ، يتم تصنيعها من طبقة رقيقة من السيليكون غير المتبلور الذي يتم ترسيبه على لوح زجاجي. عادة يتم ترسيب طبقة السيليكون لشاشات TFT-LCD باستخدام عملية PECVD. لا تشغل الترانزستورات سوى جزء صغير من مساحة كل بيكسل ، ويتم تحريك بقية فيلم السليكون بعيدًا للسماح للضوء بالمرور عبره بسهولة.
أحيانًا يتم استخدام الكريستالات السليكون في الشاشات التي تتطلب أداء TFT أعلى. تتضمن الأمثلة شاشات عرض صغيرة عالية الدقة مثل تلك الموجودة في أجهزة العرض أو أجهزة تحديد الرؤية. تعتبر TFTs غير المتبلورة السليكونية هي الأكثر شيوعًا ، بسبب انخفاض تكلفة الإنتاج ، في حين أن TFTs السيليكون متعدد الكريستالات أكثر تكلفة وأكثر صعوبة في الإنتاج.