Исследователи разрабатывают легированные сурьмой кремниевые слитки n-типа для повышения механической прочности солнечных модулей

Аккумулятор FIAMM FG 20451

Международная группа учёных предлагает использовать кремний, выращенный по методу Чохральского и легированный сурьмой, в качестве альтернативы кремнию n-типа для фотоэлектрических систем. Их анализ показал, что пластины толщиной 140 мкм, легированные сурьмой, обладают немного более высокой механической прочностью по сравнению с обычными пластинами, легированными фосфором.

Группа учёных под руководством Австралийского национального университета исследовала легированный сурьмой (Sb) кремний, выращенный по методу Чохральского, в качестве альтернативной подложки n-типа для солнечных фотоэлектрических систем. Исследование включало в себя определение распределения осевого удельного сопротивления, донорных свойств и механической прочности.

«Это исследование показало, почему в кремниевых слитках n-типа, легированных сурьмой, может достигаться равномерное распределение удельного сопротивления, несмотря на очень низкий коэффициент сегрегации сурьмы. Мы продемонстрировали, что ключевым фактором является контролируемая скорость испарения сурьмы во время роста по методу Чохральского, а не совместное легирование фосфором, как часто предполагают», — рассказал автор исследования Рабин Баснет журналу PV.

Исследование, опубликованное в статье «Распределение удельного сопротивления и донорные свойства легированных сурьмой слитков кремния n-типа по методу Чохральского» в журнале «Материалы для солнечной энергетики и солнечные элементы», по словам Баснета, помогает «объяснить, как промышленности удалось производить однородные слитки, легированные сурьмой, и предоставляет научную основу для оптимизации однородности легирования в пластинах следующего поколения».

По словам исследователей, хотя использование сурьмы для легирования пластин в фотоэлектрических системах является новым подходом, сурьма — это «хорошо зарекомендовавший себя легирующий элемент n-типа» в производстве полупроводниковых устройств.

В предыдущей работе на эту тему «Высококачественные кремниевые пластины n-типа, легированные сурьмой, для солнечных батарей», опубликованной в Solar RLL, группа исследователей показала, что «замена допанта с фосфора на сурьму не влияет на срок службы» пластин n-типа, выращенных методом Чохральского (Cz), по словам Баснета.

«Исходя из этого, в данной статье показано, что легирование сурьмой также обеспечивает высокую однородность удельного сопротивления вдоль осевого направления слитка Cz-Si. В совокупности эти результаты свидетельствуют о том, что пластины Cz n-типа, легированные сурьмой, являются перспективными кандидатами на роль отраслевого стандарта для следующего поколения пластин n-типа», — сказал Баснет.

Исследователи использовали кремниевые пластины, легированные сурьмой и фосфором (P-легированные), которые были выращены с помощью перезаряжаемого процесса выращивания слитков Cz и поставлялись китайским производителем Longi Green Energy Technology. Для тестирования использовалась спектроскопия электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) для оценки характеристик доноров и легирующих примесей, а также удельного электрического сопротивления. Стандартное тестирование прочности на изгиб проводилось с помощью установки для трёхточечного изгиба.

Что касается моделирования, команда отметила, что для оценки пригодности сурьмы для этого применения необходимо было модифицировать традиционную модель, основанную на уравнении Шейла, чтобы учесть «эффекты сегрегации и испарения как механизмы включения».

«Изначально было удивительно, что Лонги удалось добиться такого равномерного распределения удельного сопротивления, используя только легирование сурьмой. Учитывая, что коэффициент сегрегации сурьмы почти на порядок ниже, чем у фосфора, можно было бы ожидать значительных осевых вариаций. Однако наш анализ показал, что наблюдаемая однородность объясняется точным контролем испарения сурьмы во время роста кристалла, а не совместным легированием (как показал ЭПР-анализ), что является неожиданным и технически элегантным решением», — пояснил Баснет.

По словам Баснета, значимость полученных результатов для производителей заключается в том, что равномерное распределение удельного сопротивления увеличивает выход годных слитков, повышает эффективность производства пластин и снижает затраты на материалы. Он также добавил, что механическая прочность пластин, легированных сурьмой, снижает вероятность поломки при обработке ячеек, что повышает производительность и выход годной продукции.

Исследовательская группа намерена продолжить изучение легирования сурьмой, в том числе его влияния на время жизни носителей заряда, образование дефектов и рекомбинацию неосновных носителей заряда. По словам Баснет, в планы входит сравнительное изучение термической стабильности пластин, легированных сурьмой и фосфором, в процессе обработки, а также оценка пластин, легированных сурьмой, на уровне устройств в высокоэффективных солнечных батареях для оценки электрических характеристик и надёжности.

В исследовательскую группу вошли представители компании Longi Green Energy Technology, Горной школы Колорадо и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии