Использование сурьмы вместо фосфора при производстве солнечных батарей

Аккумулятор FIAMM 12FGH65

Международная исследовательская группа, в которую входят учёные из китайской компании Longi, производящей модули, изучила распределение удельного сопротивления пластин, легированных сурьмой и фосфором, которые используются в производстве солнечных батарей, и обнаружила, что они обладают сопоставимой механической прочностью. Однако их работа также показала, что пластины, легированные сурьмой, имеют более равномерное удельное сопротивление с небольшим увеличением ближе к краю.

Международная исследовательская группа под руководством Австралийского национального университета и китайского производителя модулей Longi изучила кремниевые слитки, выращенные по методу Чохральского и легированные сурьмой (Sb), в качестве альтернативы слиткам, легированным фосфором (P), при производстве фотоэлектрических пластин и обнаружила, что они обладают немного более высокой механической прочностью.

«Наше исследование показало, почему в кремниевых слитках n-типа, легированных сурьмой, может достигаться равномерное распределение удельного сопротивления, несмотря на очень низкий коэффициент сегрегации сурьмы, — рассказал автор исследования Рабин Баснет. — Мы продемонстрировали, что ключевым фактором является контролируемая скорость испарения сурьмы во время роста по методу Чохральского, а не совместное легирование фосфором, как часто предполагают». Это открытие помогает объяснить, как промышленности удалось наладить производство однородных слитков, легированных сурьмой, и даёт научную основу для оптимизации однородности легирования пластин следующего поколения.

«Сурьма — очень перспективная альтернатива фосфору в качестве легирующей примеси n-типа для кремниевых пластин, — заявил соавтор исследования Дэниел Макдональд. — Она обеспечивает более равномерный профиль удельного сопротивления по длине слитка по сравнению с обычным фосфором в качестве легирующей примеси n-типа и позволяет получать пластины очень высокого качества, близкие к пределу Ошера, даже в свежевыращенном состоянии».

В настоящее время сурьма дороже фосфора с точки зрения стоимости сырья. Однако более высокая первоначальная цена не обязательно означает более высокую общую стоимость фотоэлектрических пластин. С учётом таких факторов, как выход продукции, общая производительность пластин и их надёжность в долгосрочной перспективе, кремниевые слитки, легированные сурьмой, могут иметь преимущества, компенсирующие первоначальные затраты.

В своей работе, представленной в статье «Распределение удельного сопротивления и донорные свойства легированных сурьмой n-типных кремниевых слитков Чохральского», опубликованной в Solar Energy Materials and Solar Cells, учёные объяснили, что они проводили испытания на пластинах размером 182 мм × 182 мм, легированных сурьмой и фосфором, которые были предоставлены самой компанией Longi, которая недавно начала использовать легирование сурьмой при производстве слитков.

Пластины, легированные P-элементом и сурьмой, имели удельное сопротивление 1 Ом·см и 0,8 Ом·см соответственно. Оба типа пластин были вырезаны лазером в виде образцов размером 30 мм × 50 мм с гребенчатой структурой. Затем эти образцы были протравлены в гидроксиде тетраметиламмония (TMAH), чтобы устранить повреждения от пилы и остатки от лазерной абляции. После очистки методом атомно-слоевого осаждения (АСЛ) при температуре 150 °C был нанесён слой оксида алюминия (AlOx) толщиной 15 нм, после чего образец был отожжён при температуре 400 °C в течение 30 минут.

Используя метод T/CSTM 00587–2023, который позволяет измерить прочность на изгиб фотоэлектрических элементов из кристаллического кремния с помощью четырёхточечной установки для изгиба, исследовательская группа провела измерения прочности пластин M10. Они также использовали спектроскопию электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) для анализа дефектов и уровней легирования.

Анализ показал, что пластины, изготовленные из легированных сурьмой слитков, имели более равномерное удельное сопротивление с небольшим повышением в хвостовой части по сравнению с пластинами, легированными фосфором.

Для дальнейшего анализа команда использовала EasySpin — набор инструментов MATLAB для моделирования и подгонки спектров ЭПР. В пластинах, легированных сурьмой, были обнаружены «более слабые» сверхтонкие линии, что объясняется наличием кластеров атомов сурьмы.

Команда отметила, что в настоящее время пластины, легированные сурьмой и фосфором, обладают сопоставимыми механическими характеристиками. Основные результаты их работы заключаются в выявлении высокой однородности удельного сопротивления и уникальных характеристик ЭПР образцов, легированных сурьмой и фосфором.

«Однако ожидается, что выход слитков увеличится при легировании сурьмой, что приведёт к значительному снижению затрат на пластины n-типа», — заключил Баснет.

В исследовательскую группу вошли учёные из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США и Горной школы Колорадо (США).