Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор основных направлений развития фотопреобразователей на основе кремния 10
1.1. Основные направления развития производства кремниевых фотопреобразователей 10
1.2. Анализ параметров матричных и планарных кремниевых фотопреобразователей 17
1.3. Анализ областей применения фотопреобразователей на основе кремния 26
Постановка задач диссертации 31
Глава 2. Исследование технологии изготовления фотопреобразователей на основе кремния 33
2.1. Исследование процессов изготовления матричного фотопреобразователя на основе кремния 33
2.2. Исследование технологических процессов создания планарных фотопреобразователей большой площади 43
Выводы по главе 2 46
Глава 3. Исследование электрических характеристик фотопреобразователей на основе кремниевых п-р-р+ структур 48
3.1. Анализ методов расчета электрических параметров матричных многопереходных фотопреобразователей 48
3.2. Исследование выходных параметров больших планарных фотопреобразователей 57
Выводы по главе 3 61
Глава 4. Конструкции на основе кремниевых фотопреобразователей 63
4.1. Бесконтактные фотодиодные матрицы для управления электронными устройствами 63
4.2. Солнечные модули на основе планарных фотопреобразователей с полутороидальными концентраторами 67
4.3. Технико-экономический расчет 82
Выводы по главе 4 88
Заключение 90
Список литературы 92
Приложение 1. Математические модели микроэлементов МФП 99
- Анализ параметров матричных и планарных кремниевых фотопреобразователей
- Исследование технологических процессов создания планарных фотопреобразователей большой площади
- Анализ методов расчета электрических параметров матричных многопереходных фотопреобразователей
- Солнечные модули на основе планарных фотопреобразователей с полутороидальными концентраторами
Введение к работе
Самым мощным, экологически чистым, естественным и общедоступным источником энергии на нашей планете является Солнце. Запасы энергии Солнца практически неисчерпаемы и могут обеспечить все потребности человечества. Развитие науки и промышленности позволяет сегодня говорить о реальной возможности обеспечения человечества электричеством с помощью преобразования энергии Солнца.
Одним из перспективных методов преобразования солнечной энергии в электрическую является метод прямого преобразования с помощью фотопреобразователей (ФП). В свою очередь, в фотоэнергетике, базирующейся на использовании ФП, можно выделить два направления - фотоэлектрическое преобразование концентрированного и неконцентрированного солнечного излучения. Оба эти направления являются перспективными для создания солнечных фотоэлктрических систем (ФЭС) - как наиболее экологически чистых, ресурсообеспеченных и в перспективе экономичных источников электрической энергии.
Актуальность исследований обусловлена следующим.
Мировая фотоэнергетика является одной из самых перспективных и бурно развивающихся отраслей современной промышленности. Ни в одной отрасли за последние годы не наблюдался такой рост производства — 30 и более % (за 2004г. — 57%). Экологические проблемы, связанные с традиционными источниками энергии, программы правительственной поддержки и целый ряд преимуществ, характерных для фотоэнергетики, определяют все возрастающий спрос и обеспечивают рост объемов производства. Стремление к снижению стоимости и повышению технических характеристик фотоэлектрических систем стимулирует многочисленные исследования и разработки в этой области. Актуальны всесторонние исследования по совершенствованию технологий, конструкций ФП и ФЭС. При этом кремний - наиболее используемый в фотоэнергетике и распространенный
в природе материал, поэтому наибольший интерес представляют исследования в области кремниевых ФП.
Потенциал фотоэнергетического рынка России очень велик. Наиболее перспективным является сектор автономных потребителей, особенно в сельском хозяйстве. Использование ФЭС чрезвычайно актуально для сельского хозяйства, поскольку оно характеризуется как правило рассредоточенностью, значительной удаленностью сельскохозяйственных объектов, большим количеством нестационарных потребителей и высокой энергоемкостью отдельных видов производства.
Фотопреобразователи - самая дорогая часть ФЭС, поэтому наряду с улучшением их показателей актуально использование концентрированного излучения, которое позволяет повысить КПД, снизить стоимость, снизить количество полупроводникового материала — солнечного кремния. Актуальным является создание концентрирующих систем на основе планарных ФП для малых концентраций (3-Ю) и на основе матричных фотопреобразователей (МФП) для высоких концентраций (100-1000) солнечного излучения.
Работа проводилась в два этапа. В 1990-1994 гг. была разработана технология производства крупногабаритных ФП и освоено их производство в ЦОПКБ ВИЭСХ. Были проведены теоретические и экспериментальные исследования планарных ФП диаметром 100мм и матричных фотопреобразователей (МФП). Предложены новые методы изготовления МФП с использованием эпитаксиальной технологии. Разработаны бесконтактные фотодиодные матрицы для управления электронными устройствами. В последующие годы проводилось внедрение разработанных устройств. Второй этап работы посвящен проблеме создания солнечных фотоэлектрических модулей на основе полутороидальных концентраторов и двухсторонних ФП. В 2003 году были разработаны полутороидальные концентраторы, которые позволяют увеличить эффективный диаметр планарных ФП со 100мм до 200-ИООмм. В 2005г. созданы солнечные модули (СМ) с полутороидальными концентраторами и проведены их исследования
Исследования выполнялись в соответствии с Федеральной целевой программой "Энергоэффективная экономика", утвержденной постановлением Правительства РФ №796 от 17.11.2001г. и программой фундаментальных исследований Россельхозакадемии на 2001-2005 гг.
Целью работы является совершенствование и разработка конструкций и технологий матричных и планарных кремниевых фотоэлектрических преобразователей, устройств на их основе.
Основными задачами диссертации являются.
Совершенствование технологии изготовления матричных и планарных ФП на основе кремния.
Повышение электрических характеристик ФП на основе кремниевых п-р-р+ структур.
Создание стационарных солнечных модулей на основе планарных ФП и полутороидальных концентраторов, концентрирующих прямую и диффузную солнечную радиацию с апертурным углом ±60.
Повышение точности позиционирования, технологичности устройств и создание бесконтактных оптических клавиатур.
Технико-экономическое обоснование производства и использования разработанных солнечных модулей.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Разработан способ изготовления МФП на основе многослойной эпитаксиальной структуры и пробоя обратносмещённых р-п переходов и исследованы показатели его эффективности. Новизна способа подтверждена патентом РФ на изобретение.
Проведена систематизация методов расчёта различных конструкций МФП. Рассчитана модель микроэлемента МФП, получены аналитические зависимости для токов, рассчитаны параметры и определены оптимальные размеры микроэлемента.
Разработаны оптоэлектронные устройства на основе кремниевых ФП различных конструкций для управляющих систем, новизна которых подтверждена двумя авторскими свидетельствами и тремя патентами на изобретение.
Разработаны стационарные солнечные модули с полутороидальными концентраторами и планарными ФП с двухсторонней чувствительностью, предложены варианты конструкций для различного типа потребителей.
Основные положения, выносимые на защиту.
Способ изготовления МФП на основе многослойной эпитаксиалыюй структуры и пробоя обратносмещёпных р-п переходов. Результаты исследований процесса изготовления и полученных структур МФП.
Систематизация методов расчёта различных типов МФП. Расчет и оптимизация параметров микроэлемента МФП с р-n переходами на пяти гранях и изотипным р-р+ переходом на шестой для случая трехстороннего освещения.
Модели стационарных солнечных модулей на основе планарных ФП и полутороидальных концентраторов. Схемы устройств на основе солнечных модулей. Результаты исследований характеристик стационарных солнечных модулей с полутороидальными концентраторами.
Устройства для управляющих систем на основе планарных и матричных ФП.
Достоверность результатов исследований, теоретических и методических обоснований подтверждена совпадением результатов расчётов с данными экспериментальных исследований МФП и планарных ФП в лабораторных условиях и данными испытаний ФП и солнечных модулей в условиях естественного солнечного освещения.
Практическая значимость. Предложенный способ изготовления кремниевых МФП на базе многослойной эпитаксиалыюй структуры и пробоя обратносмещёпных р-п переходов позволяет повысить технологичность и производительность, увеличить выходное напряжение до 0,3-^-0,6 В на р-п переход, увеличить мощность, обеспечить высокое качество МФП.
Работы по систематизации методов расчета МФП дают возможность создать программу оптимизации и выбора конструкций МФП при проектировании солнечных модулей и систем, оптимизировать параметры конструкций, повысить КПД, минимизировать затраты на их производство.
Разработанные стационарные солнечные модули на основе планарных ФП и полутороидальных концентраторов с геометрической концентрацией 3+4, концентрируют прямую и диффузную солнечную радиацию с апертурным углом ±60, повышают КПД и снижают стоимость электроэнергии, увеличивают эффективный диаметр ФП до 20(Н400мм.
Разработанные устройства для управляющих систем на основе планарных и матричных ФП имеют более высокую точность срабатывания, надёжность и срок службы относительно устройств аналогичного назначения, позволяют повысить точность позиционирования, технологичность. Разработанные устройства на основе ФП использованы при создании робототехнического комплекса.
Реализация результатов работы:
Разработанные методики контроля времени жизни неосновных носителей заряда и слоевого сопротивления используются при производстве ФП 0100мм и 1 ООх 100мм в ГНУ ВИЭСХ.
Разработанные устройства на основе кремниевых ФП для информационно-управляющих систем внедрены при производстве САУ робототехнического комплекса в производственном кооперативе УИК УТ-Глобал М.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4-ой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, 2004), на Международной конференции "Energetika 2006" ( Zlatibor, 2006).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, включая 2 авторских свидетельства, 1 патент СССР, 3 патента Российской Федерации на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 92 источников и приложений. Работа изложена на 99 страницах текста, содержит 42 иллюстрации и 12 таблиц.
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, указана цель исследования и ее практическая значимость. Отмечена научная новизна решаемых задач. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, дана общая характеристика работы.
Первая глава содержит обзор основных направлений развития ФП на основе кремния. Рассмотрены состояние, основные задачи и перспективы мирового и российского фотоэлектрического производства. Проведен анализ параметров ФП. Проанализированы области применения кремниевых ФП. Определены основные задачи исследований.
Вторая глава посвящена технологическим исследованиям кремниевых ФП. Представлены исследования разработанных процессов изготовления матричных ФП на базе создания многослойной эпитаксиальной структуры и пробоя обратносмещенных р-п переходов. Исследованы технологические процессы изготовления планарных ФП большой площади, разработанных и производимых в ВИЭСХ.
В третьей главе представлены исследования выходных характеристик кремниевых ФП. Исследованы методы расчёта электрических характеристик МФП, представлена систематизация методов, общая таблица математических моделей микроэлементов МФП, рассмотрен полный расчет микроэлемента МФП с р-п переходами на пяти гранях и изотипным р-р+ переходом на шестой для случая трехстороннего освещения. Исследованы выходные параметры больших планарных ФП.
Четвёртая глава посвящена исследованию конструкций на основе кремниевых ФП. Представлены исследования по созданию солнечных модулей с полутороидальными концентраторами на базе планарных ФП, исследованы теоретические и технологические вопросы изготовления СМ, рассмотрены конструкции на основе разработанных СМ. Рассмотрены предложенные бесконтактные фотодиодные матрицы на основе кремниевых ФП для управления электронными устройствами, работы в информационных и управляющих системах.
Анализ параметров матричных и планарных кремниевых фотопреобразователей
Одним из основных методов решении проблем увеличения фототока была разработка так называемых "фиолетовых" или "черных" фотоэлементов со сверхтонкими легированными слоями на освещаемой поверхности, что позволяет отделить р-п переходом область наибольшей генерации носителей от рекомбинационной поверхности. Использование при этом более совершенных просветляющих покрытий и создание текстурироваипой поверхности способствует повышению КПД до уровня 15-16 % [18].
Создание изотипного п-п перехода на освещаемой поверхности -практический вариант реализации специальных встроенных электрических полей в освещаемом легированном слое. На данных структурах получены КПД ФП - около 17-18 % при толщинах неоднородного поверхностного слоя 10 мкм [19-21].
Использование низкоомного р-кремния с удельным сопротивлением 0,1-0,3 Ом-см привело к получению КПД 16-18 % при AMI, причем возможно достижение КПД 20 % и снижение его температурного градиента с 0,45 % /С для обычных элементов до 0,3 %/С [22,23].
Эффективность преобразователей может быть повышена при использовании ФП с двусторонней чувствительностью [24-27]. К преимуществам таких ФП относятся почти полная прозрачность для инфракрасного излучения и возможность преобразования солнечного излучения, падающего на их тыльную поверхность.
Наибольший КПД для ФП из аморфного кремния с одним р-п переходом имеет p-i -п структура, включающая гетеропереход а - Si/cSi. Он составляет 10,1 % при AMI, Т = 26С. Каскад из двух элементов а - Si и поликристаллического кремния имеет КПД 12,37 % в условиях ЛМ1 [18].
Изложенные модели, основанные на использовании принципа неоднородности фотоэлектрических структур, имеют цель и возможность повысить КПД в пределах максимального теоретического значения 28 %, полученного в первых классических работах Лоферского, Шокли и др. Данное ограничение на КПД было снято в работах советских ученых[29,30]: был сформулирован второй теоретический принцип повышения КПД, заключающийся в использовании концентрированного солнечного излучения и коллективных эффектов в объеме полупроводника.
Для используемых в качестве ФП полупроводников с гомо- или гетеропереходами применяется теория слабого возбуждения полупроводника и задача кинетики неосновных носителей сводится к определению линейного фотоотклика по параметру Ап/п0. Построенная таким образом теория довольно хорошо описывает фотовольтаический эффект в полупроводниковых структурах и в настоящее время является основой расчета и конструирования преобразователей солнечной энергии [33]. Однако при преобразовании излучения, значительно превышающего по интенсивности обычное солнечное, теория линейного фотоотклика перестает работать. Для рассмотрения фотоэлектрических явлений в полупроводниках при сильном возбуждении, когда возникает мощная неравновесная электронно-дырочная плазма, приводящая к появлению новых физических явлений, создана специальная теория фотовольтаического эффекта в полупроводнике и принципов фотопреобразования в условиях сильного светового возбуждения.
Согласно теории идеального фотопреобразователя, предельный КПД ФП при увеличении светового потока растет, как и фото ЭДС, логарифмически ц In Ф. Основным фактором, ограничивающим рост КПД, являются омические потери. Поэтому зависимость КПД от интенсивности обладает максимумом, который сдвигается в сторону больших интенсивностей при уменьшении величины внутреннего сопротивления R [35]. Это означает, что в каждой конкретной конструкции следует производить расчет оптимальных значений коэффициента концентрации, а также включать указанную немонотонность зависимости КПД от светового потока Ф в общую оптимизационную задачу.
Согласно [36] теоретический КПД для данного материала зависит от спектральной области поглощения АХ = Х\- Х2 и определяется как:
В ФП, в которых основной вклад в фототок определяется базовой областью, выбор ее материала существенно влияет на КПД, и имеется некий оптимальный уровень легирования, наличие которого определяется следующими конкурирующими процессами. С одной стороны, увеличение уровня легирования приводит к уменьшению обратного тока насыщения и последовательного сопротивления, что приводит к повышению эффективности преобразования. С другой стороны, при увеличении уровня легирования резко уменьшается подвижность и время жизни НИЗ. Оптимальная концентрация потока возрастает при уменьшении к, т.е. при увеличении уровня легирования базы или при уменьшении слоевого сопротивления легированного слоя. Для обычных конструкций (R 1 Ом-см ) оптимальный фототок 1(р ор[ 25-50 мЛ/см (А 1-2), что соответствует однократному солнечному освещению. Максимальный КПД немонотонно зависит от сопротивления R и связан с коэффициентом собирания Q (R) и обратным током насыщении /0(7?)[18]:
Одними из перспективных преобразователей концентрированных потоков являются высоковольтные матричные фотопреобразователи [29-32], а также созданные за рубежом аналогичные элементы. Полученные на них КПД составляют 18 % при 30-кратной концентрации излучения AMI и 18,5 % при 500 AMI, а предсказан КПД 21,3 % при 1000 AMI [18].
Обладая размерами микроэлемента, сравнимыми с диффузионной длиной НИЗ и возможностью варьирования конфигурацией р-п переходов, такие преобразователи в действительности имеют многофункциональное значение. Наиболее принципиальную роль играет вертикальный р-п переход, который увеличивает чувствительность элемента в длинноволновой области спектра и приводит к наличию компоненты тока, перпендикулярной направлению паления света. Характерной особенностью МФП, содержащих большое количество последовательно или параллельно скоммутированиых микроэлементов с р-п переходами, является возможность генерации носителей заряда практически во всем их объеме. Малые размеры микроэлементов МФП позволяют достичь высоких .значений коэффициента собирания и КПД, что делает матричные ФП особенно перспективными [14].
Исследование технологических процессов создания планарных фотопреобразователей большой площади
Применение наряду с кремниевыми планарными фотопреобразователями матричных ФП и конструкций на их основе позволяет охватить широкий спектр задач фотоэнергетики, значительно расширить возможности использования фотопреобразователей.
Распространенные способы изготовления МФП обладают рядом недостатков. Одна из основных проблем при создании эффективных МФП -радикальное снижение внутренних омических потерь.
Предложенная нами технология включает следующие основные операции: создание методом эпитаксиалыюго наращивания многопереходной структуры - слоев р и п типа на полупроводниковой подложке; металлизация; разрезание заготовки на матрицы; нанесение просветляющего покрытия; подача импульсного напряжения на матрицы и пробой обратносмещенных р-п переходов матриц; присоединение токоотводов [58].
Эпитаксиальную многослойную структуру п-р-п-р-...-р создавали йонно-молекулярной эпитаксией на подложке из кремния п-типа марки КДБ 0,5 (0,1), проводя поочередно легирование бором и фосфором. Изменяя тип примеси или ее концентрацию, мы имели возможность в широких пределах изменить электрические характеристики эпитаксиалыюго слоя.
Параметры слоев, полученных эпитаксией, находились в пределах параметров лучших образцов плапариых ФП, удельное сопротивление измерялось четы-рехзондовым методом. Для определения толщины эпитаксиальных слоев использовался метод косого шлифа, позволивший определить толщину каждого слоя в многослойных эпитаксиальных структурах. При проведении эксперимента однородность слоя по толщине находилась в пределах ± 7 %, а воспроизводимость толщины от процесса к процессу порядка ± 12 %. Отклонение толщины от заданных пределов (10 -15 мкм) было -5% в нижней границе и + 4,3% - в верхней.
При эпитаксии достигается равномерное распределение примесей, которое неосуществимо в диффузионных слоях, что позволяет повысить качество МФП и, следовательно, выходные характеристики. Кроме этого, эпитаксиальные слои с необходимой концентрацией примеси можно получить значительно быстрее диффузионных, что повышает технологичность процесса и снижает стоимость.
Создание многопереходной структуры эпитаксией позволяет устранить промежуточные подложки, большое количество металлических контактов, необходимость пайки контактов, присутствующие при изготовлении МФП в столбик, или шунтирование части р-п переходов, что значительно снижает омические потери - основной фактор, ограничивающий увеличение КПД.
Многослойная эиитаксиальная структура (рис.2.1) не может быть использована в чистом виде для создания МФП из-за наличия обратносмещенных р-п переходов. Применение пробоя позволяет применить эпитаксию.
Первоначально исследования проводились на постоянном токе. Анализ результатов показал, что на постоянном токе в модели развивается тепловой пробой, ведущий к необратимому ухудшению параметров модели. Поэтому было принято решение использовать импульсный пробой [59].
Анализ исследуемого процесса и работ, посвященных изучению пробоя кремниевых полупроводниковых приборов, позволяет сделать вывод о том, что для интересующего нас случая мгновенного пробоя с условием получения заданных характеристик решающим фактором является лавинный пробой и получить выражения для определения характеристик пробоя МФП. Величина напряжения пробоя соответствует величине лавинного пробоя р-п перехода и зависит для ФП прежде всего от профиля распределения примеси в переходе. Область пространственного заряда обратносмещенного р-п перехода имеет большую протяженность и, следовательно, профиль распределения примеси в этой области является резко несимметричным относительно положения металлургического р-n перехода, что затрудняет аппроксимацию реального распределения примеси какой-либо упрощенной зависимостью.
Исходя из вышеизложенных соображений, за основу при построении модели для расчета напряжения пробоя был принят общий критерий лавинного пробоя [60], применимый для произвольного распределения примеси в одномерном случае Для предложенной технологии важное значение имеет то, что Есгц не зависит от типа проводимости полупроводника и слабо зависит от изменения времени жизни т [62,63]. Также решение системы (2.2) дает возможность определить величину легирования для получения определенного напряжения пробоя. Результаты исследований показывают, что выбор концентрации примесей важно производить с учетом подобранного Unp и особенностей пробойной установки и наоборот - выбор Unp с учетом параметров эпитаксиальных слоев и возможностями эпитаксиального оборудования. При этом необходимо учитывать технологический разброс концентраций. В тоже время пробивное напряжение определяется удельным сопротивлением. Каждому данному U пр соответствует строго определенная величина удельного сопротивления. Измеряя удельное сопротивление в процессе изготовления, можно более точно скорректировать U пр . В исследуемом процессе изготовления МФП величину импульсного напряжения и емкости пробойной установки регулируют в зависимости от количества р-n структур и устанавливают соответствующую длительность импульса, исключающую влияние температурного фактора на пробой. В процессе изготовления выбирается либо установочное напряжение пробоя при возможностях пробивной установки, соответствующих пределам 35-1000 мкФ, либо при заданной ёмкости определяется соответствующие напряжение пробоя. В проведённых нами исследованиях выбиралась установочная ёмкость. Верхний и нижний пределы напряжения и емкости были выбраны на основе технологических исследований исходя из условий стабильности выходных характеристик, отсутствия изменений структуры и технологичности предлагаемого способа. Оптимальные значения параметров определяются для конкретного технологического процесса как результат оптимального сочетания требований конструкций, в которых используются МФП, и характеристик используемого оборудования, технологии, материалов.
Анализ методов расчета электрических параметров матричных многопереходных фотопреобразователей
Технология изготовления кремниевых планарных ФП большой площади (ВИЭСХ) включает: резку слитков кремния на диски; щелочное травление и химическую очистку поверхности пластин; диффузию фосфора и бора; нанесение просветляющей пленки; создание контактных окон в ней; нанесение контактов химическим никелированием; травление кромки дисков; облуживание контактов.
Технологические исследования [66] проводились при участии и поддержке заведующего лабораторией технологии фотопреобразователей и электронных приборов ВИЭСХ к.т.н. В.В. Заддэ.
ФП изготавливались на кремниевых пластинах р-типа проводимости, диаметром 100мм с удельным сопротивлением 8-150мсм, временем жизни более ЮОмкс и кристаллографической ориентацией (100). Основная марка -кремний КДБ 10-12(100).
С целью формирования диодной р+-р-п+ структуры с мелкозалегающими р+-р- и р-п+ -переходами проводился двухстадийный диффузионный процесс с использованием растворных композиций бора и твердых источников фосфора. Для снятия пленки фосфоросиликатного стекла с лицевой стороны пластины между первой и второй стадиями диффузии применялась технология избирательного травления. Температура диффузии бора 1000, фосфора 850С.
Технология никелирования позволила создать прочное никелевое покрытие при низкой температуре, вследствие чего никель не проникает в область р-п перехода и свойства диодной структуры сохраняются.
Для определения путей повышения эффективности, КПД ФП важным является контроль и анализ характеристик ФП в процессе их изготовления , позволяющий обеспечить оптимальные значения параметров ФП и оптимизировать технологический процесс [67]. Разработанная методика (приложение 2) позволяет контролировать время жизни неосновных носителей заряда при изготовлении больших нланарных кремниевых ФП.
Время жизни ННЗ т является одним из основных контролируемых параметров процесса изготовления , изменяя который, можно влиять на КПД ФП, т.к. оно характеризует рекомбинацию носителей заряда в полупроводниковом материале. С ростом г увеличивается не только ток короткого замыкания 1КЗ, но и напряжение холостого хода U0, вследствие уменьшения обратного тока насыщения.
Согласно технологии время жизни ННЗ измеряется: при получении пластин; перед запуском партии; после проведения диффузии бора и фосфора; после проведения диффузии бора; на пластинах с удельным сопротивлением более 4,5 Ом-см перед диффузией и после обеих стадий диффузии; после полного стравливания. Годными считаются пластины с временем жизни г 10 мкс после диффузии.
Значение параметра после формирования диодной структуры находилось в пределах г 1(Н80 мкс. Эффективная величина т в базовой области ФП была в несколько раз выше, чем в исходных пластинах, за счет эффекта геттерирования примесей и снижения влияния скорости поверхностной рекомбинации. При этом на отдельных образцах достигалось т = 300 мкс, что свидетельствует о возможности существенного увеличения фото-ЭДС ФП в среднем на 30 мВ при увеличении т в 10 раз [44].
Распределение концентрации примеси по толщине определялось измерением сопротивления слоев при последовательном их снятии. Тонкие слои снимались анодным окислением и последующим растворением окисла в плавиковой кислоте. Количество удаленного кремния определялось грубо - по интерференционной окраске окисной пленки в естественном освещении, а более точно - по методу Франца.
Результаты измерений полного профиля распределения примеси фосфора и бора в ФП показаны на рис. 2.7. Профиль распределения бора снимался на кремнии n-типа проводимости, в который вводился бор путем его диффузии при температуре 850С в атмосфере аргона с использованием в качестве источника боросиликатной пленки. Толщина легированного слоя и глубина залегания р-п перехода составляют около 0,5 мкм.
Распределении примесей не соответствует erfc-приближению, концентрации бора и фосфора изменяются вблизи поверхности. При этом профиль распределения примеси бора у поверхности приближается к распределению согласно усеченной модели Смита. Концентрация фосфора в направлении поверхности уменьшается. Подобное поведение может быть вызвано обратной диффузией примеси из кристалла, эффектами сегрегации, уменьшением доли ионизированных примесей вблизи поверхности из-за эффектов осаждения, чрезмерной деформацией решетки. Анализ профиля распределения примеси показывает, что в дальнейшем можно улучшить параметры ФП, исключив появление у поверхности участка с отрицательным градиентом концентрации фосфора.
Одной из основных измеряемых характеристик является слоевое сопротивление. Ыа основе результатов измерений слоевого сопротивления и глубины залегания перехода можно достаточно точно количественно оценить диффузионное распределение. Информация о значении слоевого сопротивления в течение диффузии дает возможность постоянно контролировать качество процессов: учитывать вносимые в систему изменения и быстрее обнаруживать причины возникающих отклонений, брака, дефектов.
Разработанная методика (приложение 2) позволяет контролировать слоевое сопротивление на протяжении всего процесса изготовления ФП.
Согласно технологии изготовления ФП слоевое сопротивление измеряется: после диффузии бора, со стороны бора (годными считаются образцы с КСл 30 Ом/п ); после избирательного травления, со стороны фосфора (годными считаются образцы с 11сл= 800-1000 Ом/п ); после диффузии фосфора, со стороны, легированной фосфором, и со стороны, легированной бором (годными считаются образцы с R = 60-80 Ом/п со стороны, легированной фосфором, и с 11сл 30 Ом/п со стороны, легированной бором); после никелирования (для определения толщины покрытия).
После диффузии Rc со стороны бора 25+35 Ом/п и со стороны фосфора Rc/ = 60+80 Ом/п. Слоевое сопротивление пленок никелевого контакта /?слд = 5+8 Ом/п, что соответствует толщине никеля в диапазоне 0,2+0,3 мкм, требуемой для качественного покрытия контактов припоем. Целесообразно добиваться увеличения Rcf в несколько раз, уменьшая толщину легированного слоя, но не допуская пробоя тонкого легированного слоя, что должно привести к повышению тока короткого замыкания /„ и КПД.
Солнечные модули на основе планарных фотопреобразователей с полутороидальными концентраторами
Кремневые планарные и матричные фотопреобразователи, изготовленные на основе проведенных исследований, могут быть использованы для управления электронными устройствами.
Одним из новых применений ФП является создание бесконтактной клавиатуры. Использование кремниевых ФП повышает точность срабатывания, увеличивает надежность и срок службы клавиатуры, расширяет функциональные возможности.
Разработанные нами клавиатуры для управления электронным устройством приведены на рис. 4.1, 4.2 [79, 80]. Фоточувствительными элементами являются кремниевые ФП.
В клавиатуре на рис. 4.1 при контакте оператора с графическим изображением клавиши свет, поступающий от источников света , через воздушный промежуток и прозрачную оболочку попадает на фоточувствительный элемент, расположенный под изображением клавиши. Сигнал о срабатывании данной клавиши поступает в цепь управления. В нерабочем положении свет от источников света свободно перемещается по пленочному световоду и не попадает на фоточувствительный элемент.
В клавиатуре на рис. 4.2 при нажатии на упругую оболочку клавиши отражатель опускается из клавиши в воздушный промежуток. Лучи, поступающие по воздушному промежутку от источников света, и распространяющиеся перпендикулярно оси клавиши, вдоль которой установлен шток, падают на отражатель под углом 45 к оси отражателя и, отражаясь от него, падают на фоточувствительный элемент. Сигнал о срабатывании данной клавиши поступает в цепь управления. После отпуска клавиши упругая оболочка вместе с отражателем возвращается в исходное состояние. Техническое решение клавиши позволяет упростить конструкцию, устранив специальные детали, обеспечивающие защиту отражателя, от попадания света в нерабочем состоянии.
ФП имеют толщину не более 0,5мм, с повышенной чувствительностью к вертикально падающему свету высокой интенсивности и нечувствительные к свету, падающему под углом менее 45 к горизонтали. Это дает возможность выполнять плату с выступами высотой 0,5 + 1мм, гарантирует отсутствие попадания света на фоточувствительный элемент и его срабатывание при ненажатой клавише.
Фотопреобразователи могут использоваться для автоматизации процесса сборки малогабаритных изделий: подачи, перемещения и установки в соответствии с требованиями техпроцесса [81-83].
В разработанном нами устройстве [81], блок-схема которого приведена на рисунке 4.3, предложено использовать ФП в качестве датчиков положения: на модулях 3, 5, 6, 8 установлены датчики конечного и промежуточного положений модуля, на позиции 1— датчик счета шагов, на позиции 2 — датчики нахождения ячеек 14 в начальной точке и совмещения положения ячеек и зажима по вертикальной оси, на зажиме 9 датчики нахождения изделий в пазах зажима.
Как правило, в подобных робототехнических системах используют контактные датчики положения. Так как в данном устройстве необходимы миниатюрные контактные датчики, недостатки, характерные для контактных датчиков, особенно ощутимо влияют на работу устройства, а для датчиков зажима, позиций 1 и 2 вообще не приемлемы.
Свет, поступающий от источника света, расположенного в световом канале, проходит по каналам зажима и попадает на ФП. При сжатии зажима изделия нажимают на кнопку, состоящую из упругой оболочки и расположеного внутри штока. В результате нажатия кнопки шток перекрывает поступление света на ФП, сигнал с датчика прерывается. Если в процессе сборки изделия выпадают из какого либо паза, свет поступает на ФП и включается аварийная сигнализация. ФП смонтированы на общей плате и размещаются в каналах. Плата герметично крепиться к задней стенке зажима и через разъем соединена с системой управления.
Во втором варианте направленные источники света расположены на противоположной части зажима в точках А. ФП размещены внутри зеркальных цилиндров, которые крепятся к плате. Этот вариант позволяет также контролировать поступление изделия в зону первого паза и использовать датчик для команды о начале цикла. Технологические особенности автоматизируемого процесса и самого устройства определяют выбор одного из вариантов в каждом конкретном случае.
Использование в качестве датчиков положения ФП позволяет обеспечить точное позиционирование, точность и достоверность сигнала, увеличить быстродействия, срок службы и надежность работы устройства.
