Технология ионно-лучевого синтеза открывает путь к созданию кремниевых солнечных батарей с низким уровнем дефектов

Аккумулятор FIAMM 12 FGL 80

Исследователи из Индии продемонстрировали, что имплантация ионным пучком позволяет точно легировать кремниевые солнечные элементы бором, уменьшая количество дефектов и улучшая транспорт зарядов. Предложенный подход может способствовать созданию более эффективных и воспроизводимых p–n-переходов, открывая путь к созданию более производительных кремниевых фотоэлектрических элементов.

Исследователи из Пенджабского университета в Индии продемонстрировали новый метод легирования кремниевых солнечных элементов с использованием технологии ионно-лучевого легирования, который позволяет улучшить электронные свойства и снизить потери, связанные с дефектами.

«Дефекты в солнечных элементах на основе TOPCon и PERC часто возникают из-за традиционных производственных процессов, таких как термодиффузия, радиочастотное (РЧ) распыление и плазменные методы, при которых ограниченный контроль над концентрацией легирующих примесей приводит к неравномерному формированию p–n-перехода, — рассказала автор исследования Моника Верма. — Эти традиционные методы могут приводить к деформации кристаллической решётки, неравномерному распределению легирующих примесей и образованию дефектных комплексов, которые сокращают время жизни носителей заряда и ограничивают перенос заряда, что в конечном итоге снижает эффективность».

Имплантация ионным пучком позволяет решить эти проблемы, обеспечивая точный контроль над глубиной и концентрацией легирующих примесей, уменьшая количество дефектов, связанных с примесями, и улучшая транспортные свойства носителей заряда. Кроме того, этот метод позволяет создавать сложные архитектуры устройств за счет равномерного и воспроизводимого формирования соединений.

Этот метод предполагает воздействие на материал высокоэнергетическими ионами для изменения его состава и структуры на атомном уровне. Он широко используется при производстве полупроводников для имплантации легирующих примесей, что позволяет контролировать формирование p–n-переходов с минимальным количеством дефектов и улучшенными электронными характеристиками.

«Технология ионно-лучевого синтеза уже давно используется в производстве интегральных схем, а теперь она снова становится перспективным инструментом для фотоэлектрических систем, — говорит соавтор исследования Санджив Гаутам. — Она позволяет точно контролировать концентрацию легирующих примесей, обеспечивает равномерное распределение ионов и регулируемую глубину перехода в зависимости от энергии и плотности потока ионов, что повышает воспроизводимость результатов».

Имплантация бора в кремний n-типа (100) создает в кремнии слой p-типа, формируя диффузионный слой p-n-перехода.

Исследователи создали p–n-переход, имплантировав ионы бора в кремниевые пластины n-типа при энергии 35 кэВ. По сравнению с традиционными термическими или плазменными методами, ионно-лучевая имплантация позволяет точно контролировать распределение легирующих примесей, сводя к минимуму структурные повреждения.

Они подтвердили внедрение бора с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), зафиксировав измеримый сдвиг в энергии связи кремния. Согласно результатам исследования, РФЭС оказалась более чувствительным методом, чем традиционные методы, такие как рентгеновская дифракция (XRD) и спектрометрия обратного рассеяния Резерфорда (RBS), для обнаружения имплантированных легирующих элементов. Дополнительный анализ с помощью спектроскопии тонкой структуры рентгеновского поглощения вблизи края (NEXAFS) выявил изменения в локальной электронной структуре, свидетельствующие о встраивании бора в кристаллическую решетку кремния.

«Имплантация бора в кремний n-типа (100) создает слой p-типа, формируя p–n-переход, — говорит Верма. — Измерение концентрации легирующих примесей — сложная задача, поскольку многие традиционные методы не позволяют обнаружить их в малых количествах. Метод рентгеновской спектроскопии с возбуждением электронов позволяет напрямую исследовать химическую среду на границе раздела, обнаруживая легирующие примеси в количестве, составляющем миллионные доли, и подтверждая внедрение бора сдвигами энергии связи на уровне ядра».

Электрические испытания показали, что вольт-амперные характеристики соответствуют диодной модели Шокли, что подтверждает формирование функционального p–n-перехода. Устройства показали низкий ток утечки — около 0,63 мА, что свидетельствует о снижении рекомбинационных потерь и улучшении переноса заряда.

Исследователи связывают эти улучшения с минимизацией дефектов кристаллической решетки — ключевого ограничения при производстве стандартных кремниевых солнечных батарей. Такие дефекты обычно действуют как центры рекомбинации, сокращая время жизни носителей заряда и общую эффективность.

«В этой работе мы демонстрируем, как с помощью ионной имплантации можно создавать p–n-переходы в контролируемых условиях, — говорит Гаутам. — Примеси вводятся в кремний (100) при определенной энергии и флюэнтности, образуя тонкий слой нанометрового масштаба. Цель состоит в том, чтобы свести к минимуму повреждения кристалла, многие из которых можно устранить после имплантации, что открывает путь к созданию высокоэффективных кремниевых солнечных батарей следующего поколения».

Новый подход был представлен в статье «Точное определение легирующих примесей и транспортных свойств кремниевых солнечных элементов, имплантированных ионами бора», опубликованной в RSC Advances.