研究人员已经成功地生产出高质量的薄膜单晶硅

2019-10-15 17:55:41

东京工业大学和东京早稻田大学的研究小组已经成功生产出高质量的薄膜单晶硅,其晶体缺陷密度降低到硅晶片水平,其增长率是以前的10倍以上。原则上,这种方法可以将原料产率提高到近100%。因此,可以期望,该技术将能够在维持最高效太阳能电池中使用的单晶硅太阳能电池的发电效率的同时,大幅降低制造成本。

太阳能发电是一种发电方法,其中太阳能光通过称为“太阳能电池”的设备直接转换为电能。有效地转换不断撞击地球的太阳能以发电,是解决与CO 2排放有关的全球变暖问题的有效解决方案。通过使位于太阳能发电系统核心的单晶硅太阳能电池更薄,可以极大地降低原材料成本(约占当前模块的40%),并且通过使其灵活,轻便,可以预计将扩大,安装成本预计将减少。

另外,作为降低制造成本的方法,通过剥离使用多孔硅(双多孔硅层:DPSL)的薄膜单晶硅太阳能电池由于具有竞争优势而受到关注。

与使用剥离的单晶硅太阳能电池相关的技术挑战包括(1)在Si晶圆级形成高质量的薄膜Si,(2)实现易于剥离(剥离)的多孔结构),(3)提高生长速度和Si原料产量(必要的设备成本由生长速度决定),以及(4)剥离后能够使用衬底而没有任何浪费。

为了克服挑战(1),有必要弄清决定在多孔硅上生长的薄膜晶体质量的主要因素,并开发一种控制这些因素的技术。

研究成果概述

东京工业大学的Imanabu教授和长谷川圭助教授以及早稻田大学的野田佳三教授组成的联合研究小组已经开发出了一种高质量的薄膜单晶硅,其厚度约为10μm,并且晶体缺陷密度降低了硅晶片水平的增长速度是以前的10倍以上。首先,使用电化学技术在单晶晶片的表面上产生双层纳米级多孔硅。接着,通过独特的区域加热再结晶法(ZHR法)将表面平滑化为0.2〜0.3nm的粗糙度,将该基板用于高速生长,从而得到结晶品质高的月月结晶薄膜。使用双层多孔硅层可以很容易地剥离生长的膜,基板可重复使用或用作薄膜生长的蒸发源,大大减少了材料损失。当通过改变ZHR方法条件降低下层基板的表面粗糙度时,所生长的薄膜晶体的缺陷密度降低,该团队最终成功地将其降低至大约1/10的Si晶片水平。这定量地表明,仅在0.1-0.2nm范围内的表面粗糙度(原子水平至数十层)对晶体缺陷的形成具有重要影响,这也是作为晶体生长机理所关注的。生长的薄膜晶体的缺陷密度降低了,研究小组最终成功地将其降低到了大约1/10的Si晶片水平。这定量地表明,仅在0.1-0.2nm范围内的表面粗糙度(原子水平至数十层)对晶体缺陷的形成具有重要影响,这也是作为晶体生长机理所关注的。生长的薄膜晶体的缺陷密度降低了,研究小组最终成功地将其降低到了大约1/10的Si晶片水平。这定量地表明,仅在0.1-0.2nm范围内的表面粗糙度(原子水平至数十层)对晶体缺陷的形成具有重要影响,这也是作为晶体生长机理所关注的。

Si源的成膜速度和Si向薄膜Si的转化率是薄膜单晶Si的生产中的瓶颈。使用主要用于外延的化学气相沉积(CVD),最大成膜速率为几μm/ h,产率约为10%。在早稻田大学野田实验室,不是常规的物理气相沉积(PVD)方法,而是通过在> 2000ºC的更高温度下蒸发硅原料,在1414ºC的熔点附近蒸发硅原料的方法。 (RVD)被开发为具有高的Si蒸气压,能够以10μm/ min的速度沉积Si。

已经发现,这次开发的ZHR技术可以解决技术问题并大大降低提离工艺的制造成本。

未来发展

根据这项研究的结果,研究小组不仅发现了用于剥离工艺的多孔硅快速生长过程中提高晶体质量的主要因素,而且还成功地控制了这些因素。将来,将以实用化为目标,进行与太阳能电池的性能直接相关的薄膜的载流子寿命的测定以及太阳能电池的制造。还将考虑将该Si薄膜用作串联型太阳能电池中的低成本底部电池,其效率超过30%。

结果发表在皇家化学学会(RSC)期刊CrystEngComm上,并将刊登在该期刊的封面内页。

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