Elektronika 2011-06 II.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

Trzech z największych producentów nie domieszkowanegokrzemu polikrystalicznego jakimi są Hemlock (USA), Wacker(Niemcy) i Tokuyama (Japonia) stosuje metodę Siemensa,w której krzem polikrystaliczny o średnicy do 20 cm powstajew reaktorze z trójchlorosilanu na grzanym do temperatury1100 o C pręcie krzemu krystalicznego o średnicy 10 mm. Procestrwa kilka dni i wymaga dostarczenia 200 kWh energii elektrycznejdo otrzymania 1 kg krzemu. W alternatywnej metodzie FBR(Fluidised Bad Reactor) polikryształy krzemu powstają w formiegranulatu w ciągłym procesie z SiHCl 3w temperaturze 1000 o Club z SiH 4w temperaturze 700 o C [2]. Metodą pozwalającą nadalsze oczyszczenie krzemu mc-Si i otrzymanie z niego krzemumonokrystalicznego jest metoda przetapiania strefowego, w którejotrzymuje się krzem FZ (Float Zone). Podstawową metodąwytwarzania monokryształów Si dla przemysłu elektronicznegojest metoda Czochralskiego. W metodzie tej na obracającymsię monokrysztale zarodka następuje krystalizacja roztopionegoSi i powstaje duży monokryształ w postaci wałka o orientacjikrystalograficznej zdeterminowanej orientacją krystalograficznązarodka. Krzem dla sektora PV jest także wytwarzany metodąwyciągania z roztopionego materiału Si w postaci taśmy (R-Si),powstającej na grafitowej matrycy – krzem EFG (Edg-definedFilm-fed Growth) lub pomiędzy rozpiętymi strunami – krzem SR(String Ribbon), którą to metodę stosuje w praktyce amerykańskafirma Ever Green. Podobne wyniki daje metoda osadzaniana podłożach molibdenowych lub grafitowych – krzem RGS(Ribbon Growth on Substrate), czy też podłożach ceramicznych– krzem SOC (Silicon on Ceramic) [11]. Istnieje cała gama innychmetod wytwarzania krzemu krystalicznego dla fotowoltaiki,jak chociażby rekrystalizacja proszku Si metodą laserową czykrystalizacja krzemu amorficznego podczas reakcji z warstwąaluminium, ale zasadniczo w produkcji masowej ogniw słonecznychna Si typu p liczy się jedynie krzem polikrystaliczny mc-Siwytwarzany metodą kierunkowej krystalizacji w procesie odlewaniaw blokach o typowej wadze 450 kg, krzem monokrystalicznyCz-Si wytwarzany metodą Czochralsksiego i częściowo krzemtaśmowy R-Si. W ostatnim okresie obserwuje się pewien wzrostzainteresowania krzemem Cz-Si typu n, który daje możliwościwytwarzania ogniw o wartości E ffpowyżej 24% [12]. Zwiększeniustopnia wykorzystania krzemu sprzyja także doskonalenieprocesu cięcia bloków na pojedyncze płytki przy użyciu diamentowychpił drutowych. Rozwój techniki sprawia, że obecniestosowane 200-mikrometrowe średnice drutu są zastępowanedrutem o średnicy 150…120 µm, co bezpośrednio wpływa nawzrost ilości płytek otrzymywanych z jednego bloku krzemukrystalicznego. Zaawansowanie technologiczne w procesachwytwarzania produktów sektora fotowoltaicznego wymaga dużychnakładów finansowych. Przykładowy koszt fabryki krzemumc-Si jakości SG o wydajności około 3000 ton/rok, pozwalającejna wytworzenie ogniw słonecznych o mocy 275 MW p/rok, budowanejprzez firmę Wacker Schott Solar w Jenie w Niemczech,wyniesie ponad 300 mln Euro. Fabryka krzemu mc-Si o rocznejwydajności produkcji 8000 ton, budowana na Tajwanie przez firmęFormosa Chemicals & Fibre Corporation, będzie kosztowała1,03 mld USD [13]. Największy światowy dostawca krzemujakim jest firma Hemlock, planuje inwestycje rzędu 4 mld USD,które w 2014 roku pozwolą na zwiększenie produkcji z obecnych30 000 do 63 000 ton rocznie [14].2. Ogniwa na bazie krzemu krystalicznego2.1. Efekt fotowoltaiczny – prąd i napięcie ogniwasłonecznegoEfekt fotowoltaiczny, będący podstawą fizyczną zamiany energiifali elektromagnetycznej na energię elektryczną, polega napowstaniu nieskompensowanego, przestrzennego ładunkuelektrycznego w określonym ośrodku materialnym skutkiemabsorpcji promieniowania. Istnienie tego nie skompensowanegoładunku skutkuje powstaniem siły elektromotorycznejrównej różnicy potencjałów występujących na zaciskach nieobciążonegoogniwa. Jeżeli zaciski ogniwa zamkniemy zewnętrznympołączeniem, to w przewodzie popłynie prąd stałyo natężeniu zależnym od wartości oporu zewnętrznego. Abyogniwo było generatorem prądu konieczna jest w jego strukturzeseparacja dodatnich i ujemnych nośników ładunku elektrycznegow paśmie przewodnictwa, która następuje w wynikudyfuzji nośników pomiędzy obszarami o ich różnej koncentracji,zgodnie z gradientem potencjału elektrochemicznego, a takżew wyniku unoszenia ładunków w wewnętrznym polu elektrycznymogniwa. Przykładem takiego ośrodka jest półprzewodnik– krzem krystaliczny ze złączem p-n. Powstanie obszaruo przewodnictwie typu p następuje w wyniku domieszkowaniaatomami pierwiastków akceptorowych dla Si z III grupyukładu okresowego, natomiast obszar o przewodnictwie typun powstaje w wyniku domieszkowania atomami pierwiastkówdonorowych dla Si z V grupy układu okresowego. Jeżeli powyższastruktura materiału krystalicznego Si zostanie oświetlonapromieniowaniem, którego kwanty posiadają energięwyższą od jego przerwy energetycznej E g= 1,12 eV, to w wynikuabsorpcji światła wygenerowane zostaną pary nośnikówładunku elektrycznego elektron – dziura, które pod wpływempola elektrycznego, występującego w złączu, zostają rozdzielone.W efekcie pojawia się nadmiar elektronów po stronie ni nadmiar dziur po stronie p, co skutkuje powstaniem napięciaelektrycznego [15]. W rzeczywistym ogniwie słonecznym wykonanymna krzemie krystalicznym typu p struktura pasmowa,rozkład potencjału i natężenie pola elektrycznego w obszarzeładunku przestrzennego złącza p-n zależą od koncentracjidomieszki donorowej N Eoraz od koncentracji domieszki akceptorowejN A. Na rys. 6 przedstawiono strukturę pasmowądla ogniwa nie oświetlonego i oświetlonego w zależności odkoncentracji domieszek. Domieszka N Amateriału bazowegotypu p, jednorodna w całym materiale, posiada zazwyczaj wartość1,5 ×10 16 atom/cm 3 , co odpowiada wartości rezystywności1 Ωcm i jest uzyskiwana zazwyczaj w wyniku domieszki boru.Wartość N E, jest zależna od profilu domieszki i koncentracjidomieszki donorowej w obszarze przypowierzchniowym N D.Rysunek 6 przedstawia schematycznie efekt powstania fotonapięciaV w wyniku oświetlenia ogniwa. Obliczenia programemkomputerowym PC-1D wykonano przy założeniu profiludomieszki typu erfc dla N D= 3,6 ×10 20 atom/cm 3 i głębokościpołożenia złącza 0,5 μm.Rys. 6. Przesunięcie pasm energetycznych i powstanie fotonapięciaV w wyniku oświetlenia ogniwa w zależności od koncentracjiw obszarze przypowierzchniowym domieszki donorowejN D= 3,6 × 10 20 atom/cm 3 i jednorodnej koncentracji domieszki akceptorowejN A=1,5 × 10 16 atom/cm 3Elektronika 6/2011 75