Аморфный кремний (a-Si) представляет собой некристаллическую форму кремния, используемую для солнечных элементов и тонкопленочных транзисторов на ЖК-дисплеях.
Используемый в качестве полупроводникового материала для солнечных элементов Si-Si или тонкопленочных кремниевых солнечных элементов, он осаждается в тонких пленках на различные гибкие подложки, такие как стекло, металл и пластик. Аморфные кремниевые ячейки обычно характеризуются низкой эффективностью, но являются одной из самых экологически чистых фотоэлектрических технологий, поскольку они не используют никаких токсичных тяжелых металлов, таких как кадмий или свинец.
Как технология тонкопленочных солнечных элементов второго поколения, когда-то ожидается, что аморфный кремний станет основным источником быстрорастущего мирового фотоэлектрического рынка, но с тех пор утратил свою значимость из-за сильной конкуренции со стороны традиционных кристаллических кремниевых элементов и других тонкопленочных кремниевых элементов, таких как CdTe и CIGS.
Аморфный кремний отличается от других аллотропных изменений, таких как монокристаллический кремний — монокристалл и поликристаллический кремний, состоящий из мелких зерен, также известных как кристаллиты.
Описание
Кремний представляет собой четырехкратный скоординированный атом, который обычно тетраэдрически связан с четырьмя соседними атомами кремния. В кристаллическом кремнии (c-Si) эта тетраэдрическая структура продолжается в большом диапазоне, формируя, таким образом, упорядоченную кристаллическую решетку.
В аморфном кремнии этого длинного порядка порядка нет. Скорее, атомы образуют непрерывную случайную сеть. Более того, не все атомы в аморфном кремнии четырехкратно скоординированы. Из-за неупорядоченной природы материала некоторые атомы имеют свисающую связь. Физически эти оборванные связи представляют собой дефекты в непрерывной случайной сети и могут вызывать аномальное электрическое поведение.
Материал может пассивироваться водородом, который связывается с оборванными связями и может уменьшать плотность оборванных связей на несколько порядков. Гидрированный аморфный кремний (a-Si: H) имеет достаточно малое количество дефектов, которые должны использоваться в устройствах, таких как солнечные фотоэлектрические элементы, особенно в режиме протокристаллического роста. Однако гидрирование связано со световой деградацией материала, называемой эффектом Стебелера-Вронского.
Аморфный кремний и углерод
Интересным вариантом являются аморфные сплавы кремния и углерода (карбид аморфного кремния, также гидрированный, a-Si1-xCx: H). Введение атомов углерода добавляет дополнительные степени свободы для контроля свойств материала. Пленка также может быть прозрачной для видимого света.
Увеличение концентрации углерода в сплаве расширяет электронный зазор между проводимостью и валентными зонами (также называемый «оптическим зазором» и запрещенной зоной). Это может потенциально увеличить светостойкость солнечных элементов, изготовленных из аморфных слоев карбида кремния. С другой стороны, на электронные свойства как полупроводника (в основном подвижность электронов) отрицательное влияние оказывает увеличение содержания углерода в сплаве из-за увеличения беспорядка в атомной сети.
В научной литературе найдено несколько исследований, в основном исследующих влияние параметров осаждения на электронное качество, но практическое применение аморфного карбида кремния в коммерческих устройствах все еще отсутствует.
свойства
Плотность аморфного Si была рассчитана как 4,90 × 1022 атом / см3 (2,285 г / см3) при 300 К. Это было сделано с использованием тонких (5 мкм) полосок аморфного кремния. Эта плотность на 1,8 ± 0,1% менее плотная, чем кристаллическая Si при 300 К. Кремний является одним из немногих элементов, который расширяется при охлаждении и имеет более низкую плотность в виде твердого вещества, чем в виде жидкости.
Гидрированный аморфный кремний
Негидрированный а-Si имеет очень высокую плотность дефектов, что приводит к нежелательным полупроводниковым свойствам, таким как слабая фотопроводимость, и предотвращает легирование, которое имеет решающее значение для инженерных свойств полупроводника. Введением водорода во время изготовления аморфного кремния фотопроводимость значительно улучшается и становится возможным легирование.Гидрированный аморфный кремний, a-Si: H, был впервые изготовлен в 1969 году Читтиком, Александром и Стерлингом путем осаждения с использованием предшественника силанового газа (SiH4). Полученный материал показал более низкую плотность дефектов и повышенную проводимость за счет примесей. Интерес к a-Si: H пришел, когда (в 1975 году) LeComber и Spear обнаружили способность к замещению легированием a-Si: H с использованием фосфина (n-типа) или диборана (p-типа). Роль водорода в восстановлении дефектов была проверена группой Пола в Гарварде, которая обнаружила концентрацию водорода около 10 ат.% Через ИК-вибрацию, которая для связей Si-H имела частоту около 2000 см-1. Начиная с 1970-х годов, a-Si: H был разработан в солнечных батареях с помощью RCA, в результате чего в 2015 году он стабильно повышался до примерно 13,6%.
| сердечно-сосудистые заболевания | ПХО | Каталитический CVD | Распыление | |
|---|---|---|---|---|
| Тип фильма | а-Si: H | а-Si: H | а-Si: H | Насколько я |
| Уникальное приложение | Электроника большой площади | Водородное осаждение | ||
| Температура камеры | 600C | 30-300C | 30-1000C | |
| Температура активного элемента | 2000C | |||
| Давление камеры | 0,1-10 торр | 0,1-10 торр | 0,001-0,1 торр | |
| Физический принцип | термолиз | Индуцированная плазмой диссоциация | термолиз | Ионизация источника Si |
| Посредники | W / Ta нагретые провода | Аргоновые катионы | ||
| Типичное напряжение привода | RF 13,56 МГц; 0,01-1 Вт / см 2 | |||
| Источник Si | Газ SiH 4 | Газ SiH 4 | Газ SiH 4 | тигель |
| Температура основания | управляемый | управляемый | управляемый | управляемый |
Приложения
В то время как a-Si имеет более низкие электронные характеристики по сравнению с c-Si, он намного более гибкий в своих приложениях. Например, слои a-Si можно сделать более тонкими, чем c-Si, что может привести к экономии затрат на кремниевый материал.
Еще одно преимущество заключается в том, что a-Si может осаждаться при очень низких температурах, например, до 75 градусов по Цельсию. Это позволяет осаждать не только стекло, но и пластик, что делает его кандидатом на технологию обработки рулоном. После осаждения a-Si может быть легирован способом, подобным c-Si, с образованием слоев p-типа или n-типа и, в конечном счете, для образования электронных устройств.
Другим преимуществом является то, что a-Si может быть осажден на большие площади PECVD. Конструкция системы PECVD оказывает большое влияние на себестоимость такой панели, поэтому большинство поставщиков оборудования уделяют основное внимание разработке PECVD для более высокой пропускной способности, что приводит к снижению стоимости производства, особенно при переработке силана.
Массивы небольших (менее 1 мм на 1 мм) фотодиодов a-Si на стекле используются в качестве датчиков изображения видимого света в некоторых плоских панельных детекторах для флюороскопии и рентгенографии.
Фотоэлементы
Аморфный кремний (a-Si) использовался в качестве фотоэлектрического материала солнечных элементов для устройств, которые требуют очень небольшой мощности, таких как карманные калькуляторы, поскольку их более низкая производительность по сравнению с обычными солнечными элементами из кристаллического кремния (c-Si) более чем компенсируется их упрощенной и более низкой стоимости осаждения на подложку. Первые солнечные калькуляторы уже были доступны в конце 1970-х годов, таких как Royal Solar 1, Sharp EL-8026 и Teal Photon.
Совсем недавно усовершенствования технологии построения a-Si сделали их более привлекательными для использования солнечной батареи в больших районах. Здесь их нижняя присущая эффективность составляется, по крайней мере частично, их тонкостью — более высокая эффективность может быть достигнута путем укладки нескольких тонкопленочных элементов друг на друга, каждый из которых настроен на хорошую работу на определенной частоте света. Такой подход не применим к c-Si-клеткам, которые являются толстыми в результате его косвенной запрещенной зоны и, следовательно, в значительной степени непрозрачны, блокируя свет от достижения других слоев в стеке.
Источником низкой эффективности фотовольтаики аморфного кремния в основном является низкая подвижность материала. Эта мобильность с низким отверстием объясняется многими физическими аспектами материала, включая наличие оборванных связей (кремний с тремя связями), плавающие связи (кремний с 5 связями), а также реконфигурации связей. Несмотря на то, что была проделана большая работа по контролю этих источников низкой мобильности, данные свидетельствуют о том, что множество взаимодействующих дефектов может привести к ограниченности мобильности, поскольку уменьшение одного типа дефектов приводит к образованию других.
Основным преимуществом a-Si в крупномасштабном производстве является не эффективность, а стоимость. a-Si-клетки используют только часть кремния, необходимую для типичных c-Si-клеток, и стоимость кремния исторически значитель- но влияла на стоимость клеток. Тем не менее, более высокие издержки производства из-за многослойной конструкции до настоящего времени сделали a-Si непривлекательным, за исключением ролей, где их тонкость или гибкость являются преимуществом.
Как правило, тонкопленочные ячейки аморфного кремния используют штыревую структуру.Размещение слоя р-типа сверху также связано с подвижностью нижнего отверстия, позволяя отверстиям пересекать более короткое среднее расстояние для сбора до верхнего контакта.Типичная структура панели включает переднее боковое стекло, ТСО, тонкопленочный кремний, обратный контакт, поливинилбутираль (PVB) и боковое стекло. Uni-Solar, подразделение устройств преобразования энергии, разработало вариант гибких опор, используемых в рулонных кровельных продуктах. Тем не менее, крупнейший в мире производитель аморфных кремниевых фотовольтаиков должен был подать заявление о банкротстве в 2012 году, поскольку он не мог конкурировать с быстро снижающимися ценами на обычные солнечные батареи.
Микрокристаллический и микроморфный кремний
Микрокристаллический кремний (также называемый нанокристаллическим кремнием) представляет собой аморфный кремний, но также содержит мелкие кристаллы. Он поглощает более широкий спектр света и является гибким. Технология микроморфного кремниевого модуля объединяет два разных типа кремния, аморфного и микрокристаллического кремния в верхней и нижней фотоэлектрических ячейках. Sharp производит клетки, используя эту систему, чтобы более эффективно захватывать синий свет, повышая эффективность клеток в то время, когда на них не падает прямой солнечный свет. Проктикристаллический кремний часто используется для оптимизации напряжения разомкнутой цепи фотоэлектрических элементов a-Si.
Крупномасштабное производство
Корпорация Xunlight, получившая более 40 млн. Долл. США в виде институциональных инвестиций, завершила установку своего первого широкополосного 25-мегавалютного широкоугольного фотогальванического оборудования для производства тонкопленочных кремниевых фотоэлектрических модулей. Anwell Technologies также завершила установку своего первого в мире производства монокристаллической солнечной панели мощностью 40 МВт a-Si в Хэнань с использованием собственного многокомпонентного многокамерного оборудования PECVD.
Фотоэлектрические тепловые гибридные солнечные коллекторы
Фотоэлектрические тепловые гибридные солнечные коллекторы (PVT) — это системы, которые преобразуют солнечную радиацию в электрическую и тепловую энергию. Эти системы объединяют солнечный элемент, который преобразует электромагнитное излучение (фотоны) в электричество с солнечным тепловым коллектором, который захватывает оставшуюся энергию и удаляет отработанное тепло от солнечного фотоэлектрического модуля. Солнечные батареи страдают от снижения эффективности с повышением температуры из-за повышенной устойчивости. Большинство таких систем могут быть сконструированы таким образом, чтобы переносить тепло от солнечных элементов, тем самым охлаждая клетки и тем самым повышая их эффективность за счет снижения сопротивления. Несмотря на то, что это эффективный метод, он приводит к недостаточной работе теплового компонента по сравнению с солнечным тепловым коллектором. Недавние исследования показали, что a-Si: H PV с низкотемпературными коэффициентами позволяют работать PVT при высоких температурах, создавая более симбиотическую систему PVT и улучшая производительность a-Si: H PV примерно на 10%.
Жидкокристаллический дисплей с тонкопленочным транзистором
Аморфный кремний стал материалом для активного слоя в тонкопленочных транзисторах (TFT), которые наиболее широко используются в приложениях большой площади, в основном для жидкокристаллических дисплеев (LCD).
Тонкопленочный транзисторный жидкокристаллический дисплей (TFT-LCD) демонстрирует аналогичный процесс компоновки схемы с полупроводниковыми изделиями. Однако вместо изготовления транзисторов из кремния, которые формируются в кристаллическую кремниевую пластину, они изготавливаются из тонкой пленки из аморфного кремния, которая осаждается на стеклянную панель. Силиконовый слой для TFT-LCD обычно осаждается с использованием процесса PECVD. Транзисторы занимают лишь небольшую часть площади каждого пикселя, а остальная часть кремниевой пленки вытравливается, чтобы свет легко проходил сквозь нее.
Поликристаллический кремний иногда используется в дисплеях, требующих более высоких характеристик TFT. К примерам относятся небольшие дисплеи с высоким разрешением, такие как дисплеи или видоискатели. Аморфные кремниевые TFT, безусловно, являются наиболее распространенными из-за их более низкой себестоимости, тогда как поликристаллические кремниевые TFT более дорогостоящие и гораздо более трудные для производства.