Сурьма — перспективный легирующий элемент для фотоэлектрических пластин Чохральского

Аккумулятор Challenger A12-40

Исследователи из Австралийского национального университета и компании Longi использовали метод фотолюминесцентной визуализации для анализа распределения легирующих примесей в кремниевых пластинах, выращенных методом RCz и легированных сурьмой, фосфором и галлием. Они обнаружили, что радиальные профили концентрации имеют высокую однородность и подходят для высокоэффективных солнечных батарей. Исследование также показало, что пластины, легированные сурьмой, обеспечивают более стабильное осевое легирование вдоль слитка, что указывает на их потенциал для производства фотоэлектрических элементов нового поколения.

Изображения распределения легирующих примесей по всей пластине (182 × 182 мм2) на основе PL-сканирования пластин с затравкой, легированных сурьмой, фосфором и галлием.

Исследовательская группа из Австралийского национального университета и китайского производителя солнечных модулей Longi использовала метод стационарной фотолюминесценции (ФЛ) с высоким разрешением для оценки концентрации легирующих элементов в кремниевых пластинах, выращенных методом Чохральского (RCz). Ученые обнаружили, что сурьма (Sb), фосфор (P) и галлий (Ga) имеют практически одинаковые радиальные профили концентрации, что является ключевым фактором для достижения высокой эффективности солнечных батарей.

“Наши результаты показывают, что поперечное, радиальное распределение легирующей примеси по пластинам находится в пределах допусков, требуемых для высокоэффективных солнечных элементов”, - сказал Афсане Кашизаде. “Результаты также показывают, что сурьма приемлема с точки зрения боковой однородности легирующей примеси по всей пластине и превосходит ее с точки зрения осевой однородности по длине слитка. Наша предыдущая работа показала, что пластины, легированные сурьмой, обладают превосходной осевой однородностью и высоким качеством. Благодаря этим характеристикам сурьма может стать основным легирующим элементом в промышленности в будущем.

Исследовательская группа использовала пластины, взятые из центральных частей слитков, выращенных методом RCz в ходе отдельных циклов выращивания и легированных сурьмой, фосфором и галлием. Чтобы обеспечить корректное сравнение различных типов легирующих элементов, пластины были взяты из сопоставимых участков каждого слитка. Затем пластины с псевдоквадратным сечением были разрезаны лазером на четыре части для удобства обработки и измерений в лабораторных условиях.

Для оценки распределения легирующих примесей при низком уровне инжекции и высокой поверхностной рекомбинации использовалась флуоресцентная микроскопия. Интенсивность флуоресценции пропорциональна концентрации легирующих примесей в пластине, что позволяет проводить анализ с пространственным разрешением. Для подготовки образцов пластины подвергались химической обработке гидроксидом тетраметиламмония (TMAH) и горячей деионизированной водой для устранения повреждений, полученных при шлифовке, и усиления поверхностной рекомбинации.

Изображения в режиме флуоресцентной микроскопии были получены с помощью системы BT Imaging LIS-R1 при лазерном освещении с длиной волны 808 нм и зарегистрированы с помощью ПЗС-камеры. Для улучшения соотношения сигнал/шум было сделано несколько снимков, которые затем усреднили. Для количественного анализа интенсивность флуоресцентного свечения была откалибрована в соответствии с концентрацией легирующих элементов, измеренной с помощью вихретокового тестера Sinton WCT-120.

Радиальная однородность легирующих примесей оценивалась с помощью многократного сканирования от центра к краю по всей площади пластины. Также были проведены дополнительные эксперименты по отжигу, чтобы определить, вызваны ли наблюдаемые полосы различиями в концентрации легирующих примесей или эффектом термических доноров, а также проверить чувствительность метода фотолюминесцентной визуализации к образованию и аннигиляции термических доноров.

На фотографиях, полученных с помощью метода фотолюминесценции, видна явная структурная асимметрия вблизи центров пластин, в то время как на остальных участках наблюдается в основном равномерное распределение легирующих примесей в виде кругов. Эти центральные неровности, скорее всего, связаны с конвекцией в расплаве под действием выталкивающей силы во время роста кристаллов.

При вытягивании затравочных кристаллов взаимодействующие тороидальные конвекционные ячейки в расплаве могут создавать нестабильность потока, которая приводит к асимметрии легирующих примесей в кремниевых пластинах, выращенных методом Чохральского. Пластины, легированные сурьмой, демонстрируют наиболее выраженные центральные неоднородности, что, вероятно, связано с высокой скоростью испарения сурьмы и низким коэффициентом сегрегации.

Чтобы проверить, вызваны ли наблюдаемые изменения легирующими примесями или термическими донорами кислорода (ТКД), были проведены дополнительные эксперименты по отжигу. Эталонные пластины отжигали при температуре 1050 °C — достаточно высокой, чтобы избавиться от ТКД. Отсутствие изменений удельного сопротивления подтвердило, что изменения, наблюдаемые на изображениях с помощью фотолюминесцентной спектроскопии, вызваны самими легирующими примесями, а не термическими донорами.

В ходе дальнейших экспериментов в образце пластины, легированной сурьмой, путем отжига при температуре 450 °C в течение 72 часов были намеренно созданы термодоноры, что привело к увеличению концентрации основных носителей заряда. Последующий отжиг при температуре 650 °C устранил термодоноры и восстановил исходную концентрацию носителей заряда, подтвердив, что временные изменения были вызваны исключительно образованием и последующим исчезновением термодоноров.

«Стандартные отклонения радиальной концентрации легирующих примесей от центра пластины к краю составляли менее 10 %. Ожидается, что такой уровень отклонений окажет незначительное влияние на производительность солнечных батарей, — пояснили ученые. — Среди изученных легирующих примесей пластины с примесями фосфора продемонстрировали самую высокую радиальную однородность: стандартные отклонения составляли менее 4 % по сравнению с 5 % для образцов с примесями сурьмы и 8 % для образцов с примесями галлия».

«Напротив, осевые профили по всей длине слитка показали более сильную зависимость от типа легирующей примеси, — продолжили они. — В пластинах, легированных сурьмой, осевое распределение оставалось относительно стабильным и составляло менее 10 %, в то время как в пластинах, легированных фосфором, наблюдалось заметное увеличение по направлению к хвостовой части слитка».

Исследователи пришли к выводу, что с помощью метода RCz можно производить кремниевые пластины с очень низким радиальным разбросом легирующих элементов. В частности, пластины, легированные сурьмой, демонстрируют более равномерный профиль легирования по всей длине слитка, что указывает на их потенциал для создания высокоэффективных фотоэлектрических устройств нового поколения.

В ноябре та же исследовательская группа опубликовала еще одну статью, в которой объясняется, почему слитки кремния n-типа, легированные сурьмой, могут иметь однородное распределение удельного сопротивления, несмотря на очень низкий коэффициент сегрегации сурьмы.