Наноструктурированный кремний может вывести солнечные батареи за пределы предела Шокли — Квайссера

Аккумулятор Challenger T105

В рамках проекта LEEMONS исследуется наноструктурированный кремний, в котором используется низкоэнергетическое умножение электронов (Low-Energy Electron Multiplication, LEEM), позволяющее одному фотону высокой энергии генерировать несколько электронов, что снижает потери энергии в солнечных элементах. Создавая ультратонкие слои аморфного кремния внутри кристаллического кремния с помощью ионной имплантации, ученые стремятся повысить эффективность солнечных элементов, преодолев предел Шокли — Квайссера, сохранив при этом совместимость с существующими методами производства.

Кремниевая маска для прерывистой имплантации

Европейский исследовательский консорциум изучает новый подход к использованию наноструктурированного кремния, который может помочь кристаллическим кремниевым солнечным элементам преодолеть ограничения по эффективности. Инициатива под названием «Низкоэнергетическое умножение электронов в наноструктурированных солнечных элементах» (Low-Energy Electron Multiplication on Nanostructured Solar Cells, LEEMONS) направлена на использование механизма, называемого низкоэнергетическим умножением электронов (Low-Energy Electron Multiplication, LEEM), который позволяет одному фотону с высокой энергией генерировать множество электронов с низкой энергией, снижая потери энергии, которые обычно происходят при рассеивании избыточной энергии фотона в виде тепла.

LEEM — это разновидность умножения носителей заряда (УНЗ), очень перспективный процесс, который в случае успешного применения может значительно повысить эффективность фотоэлектрических устройств. Этот процесс происходит, когда поглощение одного фотона приводит к возбуждению нескольких электронов. В обычных солнечных элементах один фотон способен возбудить только один электрон в запрещённой зоне элемента, в результате чего все высокоэнергетические свободные носители заряда рассеиваются в виде тепла.

Наноструктурирующий кремний

Утверждается, что умножение носителей заряда может приблизить фотовольтаику к преодолению предела Шокли — Квайссера — максимальной теоретической эффективности, которой может достичь солнечный элемент с одним p-n-переходом, рассчитанной на основе количества электрической энергии, получаемой на один падающий фотон. Однако на сегодняшний день этот метод применяется в солнечной энергетике только в экспериментальных исследованиях. По сравнению с классическим умножением носителей заряда, метод LEEM позволяет умножать носители заряда при более низких энергиях избыточных электронов, что снижает потери на термализацию. Предложенный метод LEEM изменяет свойства самого кремния и не требует использования дополнительных полупроводников, как в тандемных солнечных элементах с перовскитом или другими поглощающими материалами.

Загрузка пластины для имплантации

В своих экспериментах ученые используют наноструктурирование кремния с помощью контролируемой ионной имплантации. В результате этого процесса образуются ультратонкие участки аморфного кремния, встроенные в кристаллическую кремниевую матрицу. В этих наноструктурированных участках высокоэнергетические носители заряда с большей вероятностью генерируют дополнительные электронно-дырочные пары за счет ударной ионизации, прежде чем потеряют свою энергию в процессе термализации. Ключевой этап технологии — формирование скрытых слоев аморфного кремния с помощью ионной имплантации с последующим контролируемым отжигом.

Ионная имплантация

«Наноструктурированный кремний, используемый в проекте LEEMONS, производится путем контролируемой ионной имплантации в обычные пластины из кристаллического кремния, — рассказал координатор проекта Брис Руффи. — Во время имплантации в кристаллическую решетку кремния вводятся энергетические ионы, которые локально повреждают кристаллическую структуру и создают тонкие аморфные области под поверхностью. Поскольку все имплантированные ионы обладают четко определенной кинетической энергией, они проникают в кремний на предсказуемую глубину, прежде чем теряют свою энергию». В результате повреждение кристаллической решетки концентрируется в очень узком участке, что приводит к образованию сверхтонких аморфных слоев».

Последующий этап термического отжига приводит к частичной рекристаллизации кремния, при этом сохраняются очень тонкие аморфные слои, расположенные внутри кристаллической матрицы. Рекристаллизация происходит быстрее в кристаллографическом направлении, чем в других направлениях, что естественным образом сглаживает и выравнивает границы раздела аморфных и кристаллических слоев. Эти слои обычно имеют нанометровую толщину и могут располагаться на контролируемой глубине.

С помощью просвечивающей электронной микроскопии исследовательская группа выяснила, что аморфные слои нанометрового масштаба, созданные на кристаллических кремниевых пластинах, подходят для первых экспериментов с солнечными батареями. Для точного определения зон имплантации используются жесткие маски, в том числе ультратонкие кремниевые маски с отверстиями микрометрового масштаба и металлические сетчатые маски с отверстиями размером до 7 мкм. Эти методы позволяют проводить имплантацию ионов по заданному рисунку без использования фоторезиста, что позволяет избежать загрязнения или повреждения поверхности пластины.

Технологии производства

Ученые объяснили, что для интеграции кремниевых наноструктур в практические устройства необходимо тщательно скорректировать несколько производственных процессов. Одна из ключевых проблем — металлизация, поскольку при стандартном обжиге солнечных элементов температура обычно превышает 400 °C, что может привести к разрушению имплантированных наноструктур. Чтобы решить эту проблему, ученые изучают методы низкотемпературной металлизации, в том числе нанесение серебряных контактов методом магнетронного распыления при температуре ниже 100 °C. Еще одним направлением исследований является пассивация. Команды из ISC Konstanz в Германии и Швейцарского центра электроники и микротехнологий (CSEM) изучают диэлектрические слои и процессы диффузии, чтобы продлить время жизни носителей заряда и при этом сохранить имплантированные структуры.

«Предварительная работа все еще продолжается, и проект еще не дошел до стадии тестирования полностью интегрированных прототипов солнечных батарей M6, — сказал Руффи. — В настоящее время в ISC в Констанце мы сосредоточились на оптимизации процесса металлизации, чтобы обеспечить сохранность наноструктурированных областей, созданных с помощью ионной имплантации, на этапе высокотемпературного обжига, используемого при промышленном производстве солнечных батарей». Предварительные испытания показали, что слои аморфного кремния могут сохранять стабильность при обжиге, а также при использовании соответствующих конфигураций тестовых пластин и оптимизации контакта с помощью лазера (LECO), что является обнадеживающим результатом с точки зрения совместимости процессов.

Параллельно с этим в CSEM ведется работа по изучению влияния наноструктур LEEM на время жизни носителей заряда. «Первая экспериментальная кампания, проведенная в январе 2026 года, не дала ожидаемых результатов, поэтому сейчас проводится вторая кампания по оптимизации, цель которой — усовершенствовать условия имплантации и отжига и лучше понять механизмы, влияющие на время жизни», — рассказал он. «После завершения оптимизации срока службы и стабилизации технологического процесса консорциум планирует приступить к созданию и тестированию первых прототипов ячеек M6 с наноструктурами LEEM, начиная с середины 2026 года».

Дорожная карта эффективности

Руффи объяснил, что в подробном балансе, составленном Шокли и Квайссером, предполагается, что каждый поглощенный фотон может создать не более одной электронно-дырочной пары. Это предположение является одним из основных факторов, ограничивающих максимальную эффективность традиционных фотоэлектрических устройств.

«Процессы умножения носителей заряда позволяют преодолеть это ограничение, поскольку один высокоэнергетический фотон может генерировать несколько носителей заряда, — подчеркнул он. — Теоретически это может значительно повысить эффективность по сравнению с 31,0 % и 40,8 %, рассчитанными для устройств без умножения носителей заряда при освещении одним источником и максимальной концентрации соответственно». Согласно подробным расчетам, при использовании одного источника света эффективность может достигать 44,7 %, а при использовании концентрированного света — 85,9 %, при условии, что Солнце ведет себя как абсолютно черное тело с температурой 5762 К.

«Эти результаты подтверждают более ранние расчеты Рофля Бренделя, генерального директора Института исследований солнечной энергии в Хамельне (ISFH) в Германии, который получил сопоставимые значения при несколько иных допущениях, а именно 43,6 % при оптимальной ширине запрещенной зоны 0,768 эВ и 85,4 % при 0,048 эВ, — сказал Руффи. — Аналогичные показатели были получены и при стандартных условиях освещения». В целом для однопереходных фотоэлектрических элементов теоретический КПД увеличивается примерно с 33,7 % без умножения носителей заряда до примерно 44,4 % с учетом эффекта умножения.

«Ожидается, что LEEM превзойдет другие известные процессы умножения носителей заряда, такие как генерация множественных экситонов, поскольку низкий порог активации может позволить использовать большую часть солнечного спектра для достижения этого эффекта, — подчеркнул он. — Кроме того, снижение потерь на термализацию позволит снизить рабочую температуру солнечных элементов и тем самым еще больше повысить общую производительность устройства. Таким образом, технология LEEM может значительно повысить эффективность кремниевых солнечных элементов, возможно, удвоив теоретический предел эффективности без необходимости в принципиально новых производственных процессах».

В перспективе исследователи планируют продемонстрировать экспериментальные устройства на основе известных архитектур солнечных элементов, в том числе солнечных элементов с пассивированным эмиттером и тыльным контактом (PERC) и гетероперехода (HJT).

«На данном этапе проект не нацелен на достижение конкретного показателя коммерческой эффективности, — подытожил Фурри. — Основная цель — экспериментально проверить, можно ли индуцировать механизм LEEM в наноструктурированном кремнии и приведет ли это к измеримому улучшению генерации носителей заряда. Если такие эффекты удастся продемонстрировать, то станет возможным достижение эффективности кремниевых устройств с одним переходом на уровне 30-35 %, учитывая более высокие теоретические показатели, прогнозируемые с учетом механизмов умножения носителей заряда».

Проект LEEMONS финансируется в рамках программы ЕС «Горизонт Европа» и продлится с ноября 2024 года по октябрь 2027 года. В консорциум входят шесть партнеров: Segton Advanced Technology, CEA-Leti, ISC Konstanz, CSEM, Roltec и Университет Франш-Конте