Кремниевые подложки

Производство гиперчистого кремния начинается с оксида кремния.

Оксид кремния (SiO2) является наиболее распространенным соединением в земной коре. Производство гиперчистого кремния начинается с оксида кремния. Источников оксида кремния обычно является либо кварц либо обычный песок. В идеале, кварц имеет низкое содержание железа, аллюминия и других металлов. Кремний восстанавливают (лишают кислорода) с помощью ракции с углеродом (уголь, древесный уголь) при нагревании до 1500-2000 °C в специальных печах с дуговидными электродами.

В результате получается металлургический кремний (MG-Si). Чистота восстановленного таким образом кремния составляет 98%. Он широко используется в металлургической промышленности.

Производство металлургического кремния и типичные концентрации примесей. Как можно видеть, доля кремния используемого в полупроводниковой промышленности очень мала. А доля солнечного кремния еще меньшая часть от полупроводникового.

Небольшая часть металлургического кремния для полупроводниковой промышленности очищается дальше. Измельченный в порошок металлургический кремний смешивают с соляной кислотой в отсутствие воды при 300 °С в специальном реакторе и получают SiHCl3.

В ходе этой реакции такие примеси, как Fe, Al, и B, образуют свои галоидные соединения ( FeCl3, AlCl3, и BCl3). Низкая температура кипения SiHCl3, составляющая 31.8 °С, используется для его дистилляциии из галоидов примесей. В получившемся таким образом SiHCl3 концентрация электрически активных примесей, таких как Al, P, B, Fe, Cu или Au, составляет меньше 1 на миллиард атомов кремния.

В конце-концов очищенный SiHCl3 реагирует с водородом при 1100 °С в течение 200-300 часов с образованием ультрачистого кремния.

Эта реакция протекает в больших вакуумных камерах, где кремний осаждается в виде тонких поликристаллических (с маленьким размером гранулы монокристалла) стержней, в результате чего образуются бруски ультрачистого поликристаллического кремния диаметром 150-200 мм. Весь процесс был разработан в компании Siemens, поэтому его часто называют сименсовским процессом.

Полученные таким образом слитки полупроводникового кремния затем разбиваются, становясь сырьем для последующего процесса кристаллизации. Производство полупроводникового кремния требует большого количества энергии. Однако для солнечнх элементов концентрация примесей не так критична как для микроэлектроники, поэтому существуют альтернативные процессы производства «солнечного» кремния, специально для солнечных элементов.

Виды кремния

Кремний или другие полупроводниковые материалы, из которых изготавливают солнечные элементы, может быть монокристаллическими, мультикристаллическими, поликристаллическими или аморфным. Разница между всеми этими материалами заключается в том, в какой степени кристаллическая структура полупроводника регулярдно и правильно упорядочена. Поэтому полупроводниковый материал можно классифицировать в соответствиии с размером кристаллов, из которых он состоит.

Названия кристаллических кремниевых солнечных элементов.

Монокристаллический кремний

Абсолютное большинство солнечных элементов делают из кремниевых подложек, которые могут быть либо монокристаллическими, либо мульткристаллическими. Обычно монокристаллические подложки имеют лучшие характеристики, но и более высокую стоимость. Кристаллический кремний имеет упорядоченную кристаллическую структуру, в которой каждый атом находится в точно определенном месте. Поведение кристаллического кремния хорошо предсказуемо, однако, из-за медленности и сложности процесса производства он является самым дорогостоящим видом кремния.

Упорядоченное расположение атомов кремния в монокристаллической решетки кремния создает четкую зонную структуру. Каждый атом кремния имеет 4 электрона на внешней оболочке. Электроны соседних атомов образуют пары, принадлежащие обоим атомам одновременно, таким образом каждый атом имеет 4 связи с сосездними атомами.

Монокристаллический кремний обычно выращивают в виде больших циллиндрических слитков, из которых делают круглые или полуквадратные солнечные элементы. Полуквадратные подложки тоже когда-то были круглыми, но для более плотного расположения в прямоугольном модуле их края обрезали.

Ориентация и легирования

Ориентация кристалла в монокристаллическом кремнии определяется индексами Миллера. Для обозначения определенной кристаллической области используют круглые скобки, например (100). Кремний имеет кубически симметричную структуру, поэтому плоскости с индексами (100) и (010) являются эквивалентными. Всех вместе их обозначают фигурными скобками {100}. Похожим образом квадратными скобками обозначаются кристаллические направления, например, [100] и семейства направлений <100>.

Для солнечных элеметов ориентация <100> является предпочтительной, так как поверхность, ориентированную в этом направлении, можно легко текстурировать, создавая пирамиды, уменьшающие отражение света. Некоторые способы выращивания дают кристаллы с другой ориентацией.

Для обозначения кристаллических направлений монокристаллические подложки обычно имеют срезы вдоль окружности. Наиболее распространенным является стандарт SEMI.

Если меньший срез повернут на 180° от большего среза, значит это подложка n-типа с ориентацией <100>
Если меньший срез сделан на 90° слева или справа, то подложка p-типа с ориентацией <100>
Если меньший срез сделан на 45° слева или справа, то это n-типа, <111>
Если срезов нет совсем, то это p-тип, <111>

Метод Чохральского

Подложки монокристаллического кремния обычно различаются по технологии их производства. Наиболее часто используемым, как в солнечной так и в электронной промышленности, является кремний, выращенный по технологии Чохральского. Ниже показан процесс получения большого монокристааллического кремниевого слитка по методу Чохральского.

Описание процесса Чохральского.
1. Затравка (монокристалл кремния) приводится в соприкасновение с поверхностью расплава кремния.
2. При выращивании больших слитков монокристаллического кремния необходимо очень тщательно контролировать температуру и скорость извлечения кристалла из расплава. Цилиндрическая форма слитка достигается за счет вращения. Процесс роста проходит в течении нескольких часов, а не нескольких десятков секунд, как показано в этой анимации.
3. В результате можно получить практически идеальный монокристаллический слиток диаметром до 300 мм и 2 метра длиной.

Верхний кусок слитка, выращенного по технологии Чохральского. Оставшееся часть пошла на производство подложек. Такие «верхушки и кончики», остающиеся в микроэлектронной промышленности, можно использоваться для производства солнечных элементов.

Метод зонной плавки

Не смотря на то, что метод Чохральского повсеместно используется для выращивания подложек в промышленных масштабах, полученный с его помощью кремний обладает некоторыми недостатками, которые не желательны, если ваша цель — максимально возможный КПД, как, например, в лабораториях или на некоторых нишевых рынках. Подложки Чохральского содержат большое количество кислорода. Кислород уменьшает время жизни неосновных носителей в солнечном элементе, таким образом снижая напряжение, ток и КПД. Кроме того при больших температурах кислород или соединения кислорода с другими веществами могут стать активными, что делает подложки чувствительными к высокотемпературной обработке. Чтобы избавиться от этих проблем, используют метод зонной плавки. Суть метода заключается в том, что расплавленная область медленно движется вдоль всего кремниевого слитка. Примеси при этом не кристаллизируются а стараются остаться в расплавленной области. Таким образом после ее прохождения кристалл очищается от примесей.

Схема выращивания кристаллов методом зонной плавки.

Мультикристаллический кремний

Вырастить мультикристаллы кремния гораздо проще, чем монокристаллы, поэтому их стоимость ниже. Однако, качество мультикристалла по сравнению с монокристаллом также ниже из-за наличия множества границ зерен монокристаллов, из которых состоит мультикристалл. Границы зерен создают дополнительные дефектные уровни в запрещенной зоне полупроводника, являясь локальными центрами с высокой скоростью рекомбинации, что приводит к уменьшению общего времени жизни неосновных носителей. Кроме того границы зерен уменьшают производительность препятствуя току носителей и создавая шунтирующие пути для тока, текущего через p-n переход.

Выращивание мультикристаллической кремниевой плиты.

3,2.JPG 3,5.JPG

Выращенная плита мультикристаллического кремния. Далее эту плиту разрезают на бруски, которые в свою очередь распиливают на подложки.

Чтобы избежать слишком больших рекомбинационных потерь на границах зерен, размер зерен долежн быть как минимум несколько миллиметров (Card, Yang). Это условие также означает, что размеры одного зерна будут больше, чем толщина солнечного элемента, что уменьшит сопротивление току носителей и общую протяженность пограничных областей в солнечном элементе. Такой мультикристалличнеский кремний широко используется в коммерческих солнечных элементах.

На границе между двумя кристаллическими зернами существует напряжение между связями, ухудшающее электронные свойства.

Подложка мультикристаллического кремния 10 на 10 см2. После текстурирования зерна с различной ориентацией стали казаться более темными или более светлыми.

Изготовление подложек

После того, как слиток выращен, из него нужно сделать подложки. В случае мультикристаллического кремния выращенные плиты вначале распиливают на небольшие бруски.

Большой кусок мультикристаллического кремния, распиливаемый на более мелки бруски. Эти бруски затем разрезают на подложки с помощью специальной проволочной пилы.

Брусок мультикристаллического кремния, вырезанный из большой плиты, перед нарезкой на подложки.

Нарезка мультикристаллического бруска на подложки.

Другие технологии производства подложек

На сегодняшний день процесс выращивания больших слитков кремния и их последующего разрезания на подложки продолжает доминировать на фотоэлектрическом рынке. Однако, существует множество других технологий, с помощью которых пытаются выращивать подложки не прибегая к разрезке слитков.

Метод выращивания с пленочной подпиткой при краевом ограничении роста (EFG)

Большие кристаллические цилиндры, выращенные по технологии EFG

PVCDROM Christiana Honsberg и Stuart Bowden

Технологии обработки→

← Первые фотоэлектрические устройства