Исследование топографии солнечных элементов методом атомно-силовой микроскопии Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 548.4

ИССЛЕДОВАНИЕ ТОПОГРАФИИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ

Е. В. Королев1

Научные руководители - Г. А. Александрова1, О. П. Пчеляков2

1Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

2Институт физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН Российская Федерация, 630090, г. Новосибирск, просп. академика Лаврентьева, 13

E-mail: [email protected]

Исследована поверхность солнечных элементов (СЭ) на основе монокристаллического кремния (100) с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ), полученных по одинаковой технологии разными. Приведено сравнение параметров поверхности СЭ на рабочей и обратной стороне. По результатам сканирования установлено, что СЭ отличаются между собой по параметрам и особенностям рельефа.

Ключевые слова: атомно-силовая микроскопия, топография, солнечный элемент.

INVESTIGATION OF THE TOPOGRAPHY SOLAR CELLS BY ATOMIC FORCE MICROSCOPY

E. V. Korolev1

Scientific supervisors - G. A. Alexandrova1, O. P. Pchelyakov2

1Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

2Institute of Semiconductor Physics A. V. Rzhanova SB RAS 13, Аcademician Lavrentiev Av., Novosibirsk, 630090, Russian Federation

E-mail: [email protected]

In this paper we explore the surface of the solar cell (SC) on the basis of single-crystal silicon (100) using atomic force microscopy (AFM), obtained by the same technology. The comparison of the parameters on the working surface of the solar cell and the back side. A scan found that the SC differ in the parameters and characteristics of the relief.

Keywords: atomic force microscopy, topography, solar cell.

В настоящее время в связи с ухудшением экологии, сокращением ресурсов для традиционной энергетики, растущими показателями энергопотребления и как следствие - ограниченными энергоресурсами стремительные обороты набирает развитие технологий добычи энергии из альтернативных, возобновляемых источников. Одним из таких источников является солнечная энергия. Преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется с помощью фотоэлементов. Актуальной задачей солнечной энергетики при производстве СЭ является снижение себестоимости и увеличение коэффициента полезного действия (КПД) преобразования солнечной энергии в электрическую. Использование этого вида энергии не связано с загрязнением окружающей среды и нарушением теплового баланса планеты [1].

Самым распространенным материалом для фотоэлементов является кремний. Эффективность преобразования энергии (КПД) у солнечных батарей зависит от технологии их производства и чисто-

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 1

ты кремния. Широкое применение кремния объясняется достаточно большой шириной запрещенной зоны, уникальными особенностями травления, высокими механическими свойствами его оксида и практически неограниченными природными запасами последнего [1; 2].

Одним из методов для оценки качества и изучения физических свойств СЭ является атомно-силовая микроскопия. Этот метод, основанный на силовом взаимодействии заостренной иглы с исследуемой поверхностью, в кратчайшие сроки стал основным инструментом структурных исследований поверхности в физике, геологии, химии, биологии, медицине и т. д. [3].

Целью настоящей работы является исследование топографии СЭ на основе монокристаллического кремния (100) методом АСМ.

В процессе исследования в качестве исследуемых образцов использовались СЭ, произведенные методом бестигельной зонной плавки. Исследование проводилось с помощью сканирующего зондо-вого микроскопа на базе платформы зондовой нанолаборатории NTEGRA AURA компании NT-MDT. Процесс исследования топографии поверхности СЭ осуществлялся в контактном режиме АСМ. Для сканирования был использован кремниевый зонд (NSG01) с золотым проводящим покрытием и радиусом острия 10 нм. Исследование рельефа СЭ проводилось с рабочей и обратной стороны. Обработка полученных АСМ-изображений проводилась с помощью модуля обработки изображений Nova.

На рисунке представлены АСМ-изображения размером 10^10 мкм рабочей поверхности СЭ, СЭ № 1 (рисунок, а) и СЭ № 2 (рисунок, б). Рисунок иллюстрирует то, что поверхность СЭ отличается по особенностям рельефа, не смотря на одинаковую технологию производства.

АСМ-изображения рабочей поверхности СЭ (10*10 мкм): а - СЭ № 1; б - СЭ № 2

На АСМ-изображении (рисунок, а) наблюдаются дефекты структуры поверхности после травления, предположительно связанные с осадками примесей кислорода или углерода при взаимодействии с кремнием, которые называются преципитатами.

Как известно из источника [4], преципитаты могут создавать механические напряжения на границе что приводит к возникновению дислокаций. Данные дефекты могут являться электрически активными и влиять на рекомбинационные свойства в этих областях. С этим связано уменьшение времени жизни неосновных носителей заряда, поэтому электрические свойства дефектов оказывают существенное влияние на характеристики и качество СЭ.

На АСМ-изображении (рисунок, б) наблюдаются следы после травления в виде ямок округлой формы, которые предположительно связаны с наличием скоплений крупных кластеров точечных дефектов, а также примесных кластеров, что подтверждается данными [2, 4, 5]. Необходимо отметить, что форма ямок травления также зависит от состава травителя, времени травления, ориентации кристалла.

Проведено сравнение полученных параметров СЭ (см.таблицу).

Параметры поверхности солнечных элементов

СЭ Рабочая сторона Обратная сторона

Шероховатость, нм Особенности рельефа Шероховатость, нм Особенности рельефа

размер скана, мкм размер скана, мкм

100x100 30x30 10x10 10x10 3x3, 1x1

СЭ № 1 (19,2±1,9) (10,9±1,6) (6,0±0,8) Преципитаты (3,5±0,2) (2,6±0,2) Преципитаты

СЭ № 2 (31,9±3,1) (14,9±1,8) (11,2±1,4) Ямки (4,5±0,4) (2,9±0,3) Ямки

Из приведенных в таблице результатов видно:

- что СЭ № 1 имеет менее шероховатую поверхность, преимущественно структуру поверхности в виде преципитатов как на рабочей, так и на обратной стороне;

- СЭ № 2 имеет более шероховатую поверхность, преобладающей особенностью рельефа являются ямки, как на рабочей, так и на обратной стороне.

По полученным данным трудно оценить СЭ качественно, для этого необходимо более детальное исследование и дополнительные данные о параметрах СЭ, которых к сожалению, для данных СЭ не было.

Дефекты существенно ухудшают качество и характеристики СЭ, что сказывается на снижении КПД. Поэтому необходимо проводить исследования поверхности СЭ.

Библиографические ссылки

1. Гременок Ф. В., Тиванов М. С., Залесский В. Б. Солнечные элементы на основе полупроводниковых материалов // Минск : Изд. центр БГУ, 2007. 222 с.

2. Технология полупроводникового кремния / Э. С. Фалькевич, Э. О. Пульнер, И. Ф. Червоный и др. // М. : Металлургия, 1992. 408 с.

3. Мошников В. А., Спивак Ю. М. Атомно-силовая микроскопия для нанотехнологии и диагностики : учеб. пособие. СПб. : Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. 80 с.

4. Рэйви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии / пер. с англ. М. : Мир, 1984.

475 с.

5. Сангвал К. Травление кристаллов: Теория, эксперимент, применение / пер. с англ. М. : Мир, 1990. 492 с.

© Королев Е. В., 2015