КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 20-72-00006

НазваниеРазработка тонкоплёночных солнечных батарей на основе гетероперехода Si / Mg2Si

Руководитель Шевлягин Александр Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук , Приморский край

Конкурс №49 - Конкурс 2020 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-202 - Полупроводники

Ключевые слова Солнечные батареи, кремний, силицид магния, тонкие плёнки, фотовольтаика, фотодетектор, гетеропереход, молекулярно лучевая эпитаксия, электронная микроскопия, фотопроводимость, спектральный фотоотклик

Код ГРНТИ29.01.21 29.19.16 29.19.31

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Актуальной проблемой кремниевых солнечных элементов является поиск путей дальнейшего повышения их эффективности (на данный момент 26.33%). Для развития коммерчески доступных и эффективных солнечных элементов предлагается развивать технологию на основе p-n перехода между подложкой Si и плёнкой Mg2Si, которая обладает значительным поглощением в области энергий меньше ширины запрещённой зоны кремния. Это приведет к рациональному использованию всех преимуществ кремниевых солнечных батарей и повысит их эффективность за счёт расширения спектральной чувствительности в области длин волн 1.0 – 1.5 мкм. Можно выделить несколько способов повышения эффективности фотоэлектрического преобразования: 1) уменьшение потерь при рекомбинации и термализации фотосгенерированных носителей, 2) создание многокаскадных солнечных элементов, 3) расширение спектрального диапазона фоточувствительности в ближний инфракрасный диапазон длин волн. Известно, что до поверхности Земли доходит только часть солнечного излучения, при этом ультрафиолет (300-400 нм) составляет только 3% от солнечного излучения на поверхности Земли, видимый диапазон (400-750 нм) – 45%, а ближний и коротковолновый инфракрасный диапазоны (750-1900 нм) – 52%. Таким образом, кремниевые солнечные элементы поглощают только 60% солнечного излучения. Расширение спектрального диапазона фотоотклика возможно за счёт внедрения материалов с различной шириной запрещённой зоны так, чтобы по мере проникновения солнечного излучения вглубь солнечного элемента существовала возможность поглощения фотонов различных энергий. Пожалуй, силицид магния (Mg2Si) – единственный полупроводниковый силицид, в исследовательских работах с которым вплотную подошли к созданию конечных приборов. Речь идёт о создании термоэлектрических преобразователях на основе Mg2Si и его тройных и четверных твёрдых растворов с элементами IV-ой группы химических элементов (Sn, Ge). Благодаря оптимальному составу, зонной инженерии и легированию, удалось достичь величины термоэлектрической добротности ZT в 1.4.Однако ширина запрещённой зоны Mg2Si, которая составляет около 0.7 эВ, высокий коэффициент оптического поглощения, особенно вблизи и выше края поглощения кремния, а также доступность и нетоксичность составляющих его химических элементов, позволяют рассматривать этот силицид в качестве материала для гетеропереходных солнечных элементов на подложках кремния. Стоит отметить недавний успех другого полупроводникового силицида – дисилицида бария (BaSi2) в области кремниевой фотовольтаики. Удалось достичь коэффициента фотоэлектрического преобразования в 10% в условиях AM 1.5 в случае гетероперехода в в виде тонкой плёнки BaSi2, выращенной на подложке Si. Однако Mg2Si в этом отношении имеет ряд преимуществ по сравнению с BaSi2, а именно: 1) более подходящая ширина запрещённой зоны для создания солнечного элемента на кремнии (Eg=1.12 эВ) с одним гетеропереходом: 0.7 эВ у Mg2Si против 1.3 эВ в случае BaSi2, что может позволить увеличить оптическое поглощение в области энергий фотонов ~ (0.7 – 1.3) эВ; 2) более низкие температуры формирования при росте на кремниевых подложках – около 200°C, что может удешевить производство солнечных элементов. Проведённое недавно теоретическое моделирование солнечных элементов в системе Si-Mg2Si показало, что n-p и p-n гетеропереходы с оптимальной толщиной и легированием слоёв могут достигать эффективности преобразования до 10-12%, а p-i-n структура Si/Mg-2Si/Si – до 22%. Таким образом, Mg2Si является перспективным материалом для применения в кремниевой фотовольтаике. Что касается непосредственных попыток создания фотоэлектрических структур на основе Mg¬2Si и исследования их характеристик, то можно выделить несколько исследовательских групп. Группе профессора Baleva et. al удалось сформировать гетеропереход n-Mg2Si/p-Si в приповерхностной области при имплантации большой дозы ионов Mg в подложку Si. Исследование вольт-амперных характеристик подтвердило диодный характер данного гетероперехода. В группе профессора Udono et. al были получены монокристаллы Mg2Si, на основе которых были созданы p-n гомопереходы путём легирования за счёт термодиффузии примесей. Исследование фотоэлектрических свойств полученных структур установило, что спектральный фотоотклик наблюдается вплоть до длин волн 1800-2100 нм, а фоточувствительность достигает нескольких десятков мА/Вт на длине волны в 1310 нм при подаче небольшого обратного смещения на диодную структуру. Перечисленные работы безусловно являются важным шагом на пути к созданию солнечного элементов или фотодетекторов ближнего инфракрасного диапазона длин волн, на основе кремния. Однако такие вопросы как дефектность полученных структур и её влияние как на электрические, так и на фотоэлектрические свойства не освещены. Кроме того, до настоящего момента нет работ, посвящённых исследованию спектрального фотоотклика структур с Mg2Si в виде плёнок, выращенных на подложках Si. Этот подход, по нашему мнению является более перспективным с точки зрения интеграции в кремниевую фотовольтаику. Таким образом, актуальность предлагаемого проекта продиктована острой необходимостью и потенциальной перспективностью, с одной стороны, создания фотонных интегральных схем в рамках существующей кремниевой технологии и создания эффективных дискретных оптоэлектронных компонентов, а с другой стороны - дальнейшего повышения эффективности кремниевых солнечных батарей. Научная новизна данного проекта в рамках решения ключевых задач кремниевой фотовольтаики заключается в следующем: 1) Одна из целей проекта – разработка технологии управляемого роста плёнок Mg2Si хорошего кристаллического качества методом реактивного осаждения в условиях сверхвысокого вакуума. Возможность реализации этой цели уже продемонстрирована нами. В указанной работе мы в значительной степени продвинулись в понимании процессов, определяющих рост плёнки Mg2Si при реактивном осаждении, что было особо отмечено рецензентами. Недостаток стандартного метода соосаждения заключается в том, что из-за большого пересыщения потока магнием, он расходуется нерационально (не более 40-60%), тогда как предложенный метод импульсного осаждения позволяет поднять эффективность до 80% и выше. 2)Проект предполагает использование методов роста тонких плёнок силицида магния, совместимых с кремниевой технологией, что подразумевает отказ от необходимости использования монокристаллов силицида магния и решения проблемы их интеграции. 3) Впервые будут получены данные по фотоотклику, электрической активности дефектов, времени жизни неосновных носителей заряда для силицида магния в виде плёнок, сформированных на подложках кремния. Стоит отметить, что до сих пор нет данных о времени жизни неосновных носителей заряда силицида магния даже в монокристаллическом состоянии. 4) Впервые будут получены экспериментальные данные эффективности фотоэлектрического преобразования для гетеропереходных солнечных элементов на основе плёнок силицида магния на подложках кремния, которые напрямую можно будет сопоставить с полученными ранее теоретическими расчётами. 5) Будут сформулированы основные проблемы и пути их решения как для создания солнечных элементов на основе плёнок силицида магния на подложках кремния, так и для дальнейшего повышения эффективности фотоэлектрического преобразования.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---