Amorphes Silizium (a-Si) ist die nicht-kristalline Form von Silizium für Solarzellen und Dünnschichttransistoren in LCDs.
Es wird als Halbleitermaterial für a-Si-Solarzellen oder Dünnschicht-Silizium-Solarzellen in dünnen Schichten auf verschiedenen flexiblen Substraten wie Glas, Metall und Kunststoff abgeschieden.Amorphe Siliziumzellen zeichnen sich in der Regel durch eine geringe Effizienz aus, sind aber eine der umweltfreundlichsten Photovoltaik-Technologien, da sie keine toxischen Schwermetalle wie Cadmium oder Blei verwenden.
Als Dünnschicht-Solarzellentechnologie der zweiten Generation wurde von amorphem Silizium erwartet, dass es im schnell wachsenden weltweiten Photovoltaik-Markt einen wichtigen Beitrag leisten wird. Seitdem hat es aufgrund der starken Konkurrenz durch konventionelle kristalline Siliziumzellen und andere Dünnschicht-Solarzellen an Bedeutung verloren. Filmtechnologien wie CdTe und CIGS.
Amorphes Silizium unterscheidet sich von anderen allotropen Variationen wie monokristallinem Silizium – einem Einkristall und polykristallinem Silizium, das aus kleinen Körnern, auch Kristalliten genannt, besteht.
Beschreibung
Silicium ist ein vierfach koordiniertes Atom, das normalerweise an vier benachbarte Siliciumatome tetraedrisch gebunden ist. In kristallinem Silizium (c-Si) setzt sich diese tetraedrische Struktur über einen großen Bereich fort und bildet so ein wohlgeordnetes Kristallgitter.
In amorphem Silizium ist diese Fernordnung nicht vorhanden. Vielmehr bilden die Atome ein kontinuierliches Zufallsnetzwerk. Darüber hinaus sind nicht alle Atome in amorphem Silizium vierfach koordiniert. Aufgrund der ungeordneten Natur des Materials haben einige Atome eine freie Bindung.Physikalisch stellen diese freien Bindungen Defekte in dem kontinuierlichen Zufallsnetzwerk dar und können anomales elektrisches Verhalten verursachen.
Das Material kann durch Wasserstoff passiviert werden, der an die freien Bindungen bindet und die Dichte der freien Bindungen um mehrere Größenordnungen reduzieren kann. Hydriertes amorphes Silicium (a-Si: H) weist eine ausreichend geringe Menge an Defekten auf, die in Vorrichtungen, wie Solarzellen, insbesondere im protokristallinen Wachstumsregime, verwendet werden können. Die Hydrierung ist jedoch mit einem lichtinduzierten Abbau des Materials verbunden, der als Staebler-Wronski-Effekt bezeichnet wird.
Amorphes Silizium und Kohlenstoff
Amorphe Legierungen von Silicium und Kohlenstoff (amorphes Siliciumcarbid, auch hydriert, a-Si1-xCx: H) sind eine interessante Variante. Die Einführung von Kohlenstoffatomen fügt zusätzliche Freiheitsgrade zur Kontrolle der Eigenschaften des Materials hinzu. Der Film könnte auch für sichtbares Licht durchlässig gemacht werden.
Eine Erhöhung der Konzentration von Kohlenstoff in der Legierung erweitert die elektronische Lücke zwischen Leitungs- und Valenzbändern (auch „optische Lücke“ und Bandlücke genannt). Dies kann möglicherweise die Lichteffizienz von Solarzellen erhöhen, die mit amorphen Siliziumcarbidschichten hergestellt sind. Auf der anderen Seite werden die elektronischen Eigenschaften als Halbleiter (hauptsächlich Elektronenbeweglichkeit) durch den zunehmenden Kohlenstoffgehalt in der Legierung aufgrund der erhöhten Unordnung in dem atomaren Netzwerk nachteilig beeinflusst.
In der wissenschaftlichen Literatur werden mehrere Studien durchgeführt, die hauptsächlich die Auswirkungen von Ablagerungsparametern auf die elektronische Qualität untersuchen, aber praktische Anwendungen von amorphem Siliciumcarbid in kommerziellen Vorrichtungen fehlen noch.
Eigenschaften
Die Dichte von amorphem Si wurde zu 4,90 × 1022 Atom / cm 3 (2,285 g / cm 3) bei 300 K berechnet. Dies wurde unter Verwendung von dünnen (5 & mgr; m) Streifen aus amorphem Silizium durchgeführt. Diese Dichte ist 1,8 ± 0,1% weniger dicht als kristallines Si bei 300 K. Silizium ist eines der wenigen Elemente, das beim Abkühlen expandiert und eine geringere Dichte als ein Feststoff als eine Flüssigkeit aufweist.
Hydriertes amorphes Silizium
Unhydriertes a-Si weist eine sehr hohe Defektdichte auf, die zu unerwünschten Halbleitereigenschaften wie schlechter Photoleitfähigkeit führt und eine Dotierung verhindert, die für technische Halbleitereigenschaften kritisch ist. Durch die Einführung von Wasserstoff bei der Herstellung von amorphem Silizium wird die Photoleitfähigkeit deutlich verbessert und eine Dotierung ermöglicht. Hydriertes amorphes Silicium, a-Si: H, wurde 1969 erstmals von Chittick, Alexander und Sterling durch Abscheidung unter Verwendung eines Silangas (SiH4) -Vorläufers hergestellt. Das resultierende Material zeigte eine geringere Defektdichte und erhöhte Leitfähigkeit aufgrund von Verunreinigungen. Interesse an a-Si: H kam, als LeComber und Spear 1975 (1975) die Fähigkeit zur substitutionellen Dotierung von a-Si: H mit Phosphin (n-Typ) oder Diboran (p-Typ) entdeckten. Die Rolle von Wasserstoff bei der Verringerung von Defekten wurde von Pauls Gruppe in Harvard verifiziert, die eine Wasserstoffkonzentration von etwa 10 Atom-% durch IR-Schwingung fand, die für Si-H-Bindungen eine Frequenz von etwa 2000 cm & supmin; ¹ aufweist. Beginnend in den 1970er Jahren wurde a-Si: H von RCA in Solarzellen entwickelt, deren Effizienz im Jahr 2015 stetig auf etwa 13,6% stieg.
| CVD | PECVD | Katalytische CVD | Sputtern | |
|---|---|---|---|---|
| Filmart | a-Si: H | a-Si: H | a-Si: H | da ich |
| Einzigartige Anwendung | Großflächige Elektronik | Wasserstofffreie Abscheidung | ||
| Kammertemperatur | 600C | 30-300C | 30-1000C | |
| Aktive Elementtemperatur | 2000C | |||
| Kammerdruck | 0,1-10 Torr | 0,1-10 Torr | 0,001-0,1 Torr | |
| Physisches Prinzip | Thermolyse | Plasmainduzierte Dissoziation | Thermolyse | Ionisierung der Si-Quelle |
| Moderatoren | W / Ta Heizdrähte | Argon-Kationen | ||
| Typische Ansteuerspannung | RF 13,56 MHz; 0,01-1 W / cm 2 | |||
| Si Quelle | SiH 4 -Gas | SiH 4 -Gas | SiH 4 -Gas | Tiegel |
| Substrattemperatur | steuerbar | steuerbar | steuerbar | steuerbar |
Anwendungen
Während a-Si im Vergleich zu c-Si eine geringere elektronische Leistung aufweist, ist es in seinen Anwendungen viel flexibler. Zum Beispiel können a-Si-Schichten dünner als c-Si gemacht werden, was Einsparungen bei den Siliziummaterialkosten ergeben kann.
Ein weiterer Vorteil ist, dass a-Si bei sehr niedrigen Temperaturen, z. B. so niedrig wie 75 ° C, abgeschieden werden kann. Dies ermöglicht eine Abscheidung nicht nur auf Glas, sondern auch auf Kunststoff, was es zu einem Kandidaten für eine Rolle-zu-Rolle-Verarbeitungstechnik macht. Nach der Abscheidung kann a-Si in ähnlicher Weise wie c-Si dotiert werden, um Schichten vom p-Typ oder n-Typ zu bilden und schließlich elektronische Vorrichtungen zu bilden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass a-Si durch PECVD großflächig abgeschieden werden kann. Das Design des PECVD-Systems hat einen großen Einfluss auf die Produktionskosten eines solchen Paneels, daher konzentrieren sich die meisten Ausrüstungslieferanten auf das Design von PECVD für einen höheren Durchsatz, was zu niedrigeren Herstellungskosten führt, insbesondere wenn das Silan recycelt wird.
Anordnungen von kleinen (unter 1 mm mal 1 mm) a-Si-Photodioden auf Glas werden als Bildsensoren für sichtbares Licht in einigen Flachbilddetektoren für Fluoroskopie und Radiographie verwendet.
Photovoltaik
Amorphes Silizium (a-Si) wurde als photovoltaisches Solarzellenmaterial für Geräte, die sehr wenig Strom benötigen, wie Taschenrechner, verwendet, da deren geringere Leistung im Vergleich zu herkömmlichen kristallinen Silizium (c-Si) Solarzellen durch mehr als ausgeglichen wird ihre vereinfachten und geringeren Kosten für die Abscheidung auf einem Substrat. Die ersten solarbetriebenen Rechner gab es bereits Ende der 1970er Jahre, etwa Royal Solar 1, Sharp EL-8026 und Teal Photon.
In jüngerer Zeit haben Verbesserungen der a-Si-Konstruktionstechniken sie auch für den großflächigen Solarzelleneinsatz attraktiver gemacht. Hier wird ihre geringere inhärente Effizienz zumindest teilweise durch ihre Dünne gebildet – höhere Wirkungsgrade können erreicht werden, indem mehrere Dünnfilmzellen übereinander gestapelt werden, von denen jede darauf abgestimmt ist, bei einer bestimmten Lichtfrequenz gut zu funktionieren. Dieser Ansatz ist nicht auf c-Si-Zellen anwendbar, die aufgrund ihrer indirekten Bandlücke dick sind und daher weitgehend undurchsichtig sind und das Licht daran hindern, andere Schichten in einem Stapel zu erreichen.
Die Ursache für die geringe Effizienz der Photovoltaik am amorphen Silizium liegt vor allem in der geringen Lochbeweglichkeit des Materials. Diese geringe Lochmobilität wurde auf viele physikalische Aspekte des Materials zurückgeführt, einschließlich der Anwesenheit von freien Bindungen (Silizium mit 3 Bindungen), schwebenden Bindungen (Silizium mit 5 Bindungen) sowie Neukonfigurationen von Bindungen. Obwohl viel Arbeit unternommen wurde, um diese Quellen niedriger Mobilität zu kontrollieren, legen die Hinweise nahe, dass die Vielzahl der interagierenden Defekte dazu führen kann, dass die Mobilität inhärent begrenzt ist, da die Reduktion eines Defekttyps zur Bildung anderer führt.
Der Hauptvorteil von a-Si in der Großproduktion ist nicht die Effizienz, sondern die Kosten. a-Si-Zellen verwenden nur einen Bruchteil des für typische c-Si-Zellen benötigten Siliziums, und die Kosten des Siliziums haben in der Vergangenheit einen wesentlichen Beitrag zu den Zellkosten geleistet. Die höheren Herstellungskosten aufgrund der mehrschichtigen Konstruktion haben a-Si bislang jedoch unattraktiv gemacht, mit Ausnahme von Rollen, bei denen ihre Dünne oder Flexibilität von Vorteil ist.
Typischerweise verwenden amorphe Siliziumdünnfilmzellen eine Stiftstruktur. Die Anordnung der p-Schicht auf der Oberseite ist auch auf die geringere Lochmobilität zurückzuführen, die es den Löchern ermöglicht, eine kürzere durchschnittliche Strecke zum Sammeln bis zum oberen Kontakt zurückzulegen. Typische Plattenstrukturen umfassen Glas auf der Vorderseite, TCO, Dünnfilmsilizium, Rückseitenkontakt, Polyvinylbutyral (PVB) und Rückseitenglas. Uni-Solar, ein Geschäftsbereich von Energy Conversion Devices, produzierte eine Version von flexiblen Trägern, die in Roll-on-Dachprodukten verwendet werden. Der weltgrößte Hersteller von Photovoltaik aus amorphem Silizium musste 2012 jedoch Konkurs anmelden, da er nicht mit den stark sinkenden Preisen konventioneller Solarmodule konkurrieren konnte.
Mikrokristallines und mikromorphes Silizium
Mikrokristallines Silizium (auch nanokristallines Silizium genannt) ist amorphes Silizium, enthält aber auch kleine Kristalle. Es absorbiert ein breiteres Lichtspektrum und ist flexibel. Die mikromorphe Silizium-Modultechnologie kombiniert zwei verschiedene Arten von Silizium, amorphes und mikrokristallines Silizium, in einer oberen und einer unteren photovoltaischen Zelle. Sharp produziert Zellen unter Verwendung dieses Systems, um das blaue Licht effizienter einzufangen, wodurch die Effizienz der Zellen während der Zeit erhöht wird, in der kein direktes Sonnenlicht auf sie fällt.Protokristallines Silizium wird häufig zur Optimierung der Leerlaufspannung von a-Si-Photovoltaik eingesetzt.
Massenproduktion
Die Xunlight Corporation, die institutionelle Investitionen in Höhe von über 40 Millionen US-Dollar erhalten hat, hat die Installation ihrer ersten 25-MW-Breitbahn-Roll-to-Roll-Photovoltaik-Fertigungsanlage für die Produktion von Dünnschicht-Silizium-PV-Modulen abgeschlossen. Anwell Technologies hat auch die Installation seiner ersten 40-MW-Dünnschicht-Solarmodul-Produktionsanlage in Henan mit einer eigenen Multi-Substrat-Mehrkammer-PECVD-Anlage abgeschlossen.
Photovoltaik-Hybridsolarkollektoren
Photovoltaik-Hybrid-Solarkollektoren (PVT) sind Systeme, die Sonnenstrahlung in elektrische Energie und thermische Energie umwandeln. Diese Systeme kombinieren eine Solarzelle, die elektromagnetische Strahlung (Photonen) in Elektrizität umwandelt, mit einem Solarthermie-Kollektor, der die verbleibende Energie aufnimmt und die Abwärme des Solar-PV-Moduls abführt.Solarzellen leiden unter einem Temperaturabfall aufgrund erhöhten Widerstands. Die meisten derartigen Systeme können so konstruiert werden, dass sie Wärme von den Solarzellen wegtransportieren, wodurch die Zellen gekühlt werden und somit ihre Effizienz durch Absenken des Widerstands verbessert wird. Obwohl dies eine effektive Methode ist, führt dies dazu, dass die thermische Komponente im Vergleich zu einem solarthermischen Kollektor zu wenig Leistung erbringt. Jüngste Untersuchungen haben gezeigt, dass a-Si: H-PV mit niedrigen Temperaturkoeffizienten den PVT bei hohen Temperaturen betreiben kann, wodurch ein symbiotischeres PVT-System entsteht und die Leistung des a-Si: H PV um etwa 10% verbessert wird.
Dünnfilmtransistor-Flüssigkristallanzeige
Amorphes Silizium ist zum Material der Wahl für die aktive Schicht in Dünnfilmtransistoren (TFTs) geworden, die in großflächigen Elektronikanwendungen hauptsächlich für Flüssigkristallanzeigen (LCDs) am häufigsten verwendet werden.
Dünnfilmtransistor-Flüssigkristallanzeige (TFT-LCD) zeigen ein ähnliches Schaltungslayoutverfahren wie Halbleiterprodukte. Anstatt jedoch die Transistoren aus Silizium herzustellen, das zu einem kristallinen Siliziumwafer geformt wird, werden sie aus einem dünnen Film aus amorphem Silizium hergestellt, der auf einer Glasplatte abgeschieden wird. Die Siliziumschicht für TFT-LCDs wird typischerweise unter Verwendung des PECVD-Prozesses abgeschieden. Transistoren nehmen nur einen kleinen Bruchteil der Fläche jedes Pixels ein und der Rest des Siliziumfilms wird weggeätzt, damit Licht leicht hindurchtreten kann.
Polykristallines Silizium wird manchmal in Displays verwendet, die eine höhere TFT-Leistung erfordern. Beispiele sind kleine hochauflösende Displays, wie sie in Projektoren oder Viewfindern zu finden sind. Amorphe siliziumbasierte TFTs sind aufgrund ihrer niedrigeren Produktionskosten bei weitem am gebräuchlichsten, wohingegen polykristalline Silizium-TFTs teurer und viel schwieriger herzustellen sind.