Читальный зал -->  Солнечные элементы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 [ 48 ] 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91

4.2. ВЫРАЩИВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

Наша цель - показать основные этапы изготовления материала, достигшие высокой степени технического совершенства, и на этом фоне обсудить перспективы развития возможных методов изготовления других, менее исследованных материалов.

4.2.1. Песок для кремния

Слово кремний (silicon) происходит от латинского silex, что означает кремень, кремневая галька. Масса земной коры приблизительно на 20% состоит из кремния, в основном в виде SiOz-содержащих минералов (кварцита, агата, яшмы, опала и кремня) и силикатов (слюды, полевого шпата, цеолитов, гранатов и глиноземов). Хотя еще Лавуазье в 1787 г. предполагал, что Si02 - оксид не известного тогда элемента, элементарный кремний бьш выделен Берцелиусом только в 1823 г.

В настоящее время элементарный кремний главным образом применяется в сталелитейном производстве, для изготовления абразивов SiC и получения кремнийорганических соединений. Стимулом для развития технологии выращивания монокристаллов послужили свойства элементарного кремния пропускать ИК-излучение. Лишь впоследствии кристаллический кремний в оптических компонентах ИК-техники бьш заменен на поликристаллические материалы с малыми потерями.

Впервые кремний использовали как компонент электронного устройства в 1906 г. в выпрямителе с точечным контактом. Несмотря на быстрое развитие полупроводниковой промышленности, использование его бьшо относительно невелико: в 1964, 1972, 1978 гг. по 45, 500, 1500 т соответственно.

Кремний - легкий элемент, пластичный только при нагреве до температур, близких к температуре плавления 1410°С, он очень стоек к химическому воздействию. На его поверхности на воздухе практически мгновенно образуется слой Si02 толщиной 1-2 нм, затем толщина окисла постепенно возрастает до 5-6 нм. Кремний не подвержен воздействию большинства кислот, за исключением смеси HF + HNO3, но легко растворяется в КОН или NaOH с выделением Н2. Материал относительно легко поддается оптической полировке, однако из-за большого показателя преломления на вьшолненные из него оптические элементы необходимо наносить просветляющие покрытия.

Превращение исходного песка в высокочистый кремний происходит через следующие основные этапы:

1) восстановление SiOz до Si в электродуговой печи с графитовыми электродами;

2) получение промежуточного химического продукта, например три-хлорсилана;

3) очистка дистилляцией или другими способами;

4) восстановление промежуточного химического продукта до чистого кремния в высокочистых условиях;

5) отливка в формы, удобные для последующего выращивания кристаллов ;

6) выращивание кристалла, предусматривающее дополнительную очистку за счет сегрегации определенных примесей.

После указанных этапов концентрация примесей снижается от 1-10 примерно до 10 %. Стандартные аналитические методы (оптический спектральный анапиз) становятся слишком грубыми для измерения таких уровней концентраций, и требуются более тонкие методы, например масс-спектроскопия или нейтронный активационный анализ. Часто для оценки максимальной концентрации примесей в выращенном кристалле или в готовом приборе измеряют их электрические свойства. Особое внимание уделяют элементам III и V групп периодической таблицы элементов, которые являются в кремнии легирующими примесями, а также примесям Аи, Си и Fe, образующим эффективные рекомбинационные центры, резко уменьшающие время жизни неравновесных носителей заряда.

Восстановление SiOj до Si в электродуговой печи с графитовыми электродами - промышленный процесс, используемый в больших масштабах (в США в 1973 г. - 200000 т в год), дающий до 98-99%чистого кремния по ценам примерно 1 долл. за 1 кг. Известны попытки предварительной очистки кремния для полупроводниковых источников тока ме-, годом ненаправленной кристаллизации расплава в дуговой печи [Hunt е. а., 1976].

Существует много способов, в соответствии с которыми из металлургически чистого кремния получают соединения, более легко поддающиеся очистке. В большинстве случаев имеют дело с галогеносодержащими соединениями, поскольку они при низкой температуре находятся в газообразном или жидком состоянии и позволяют достичь высокой степени очистки простой дистилляцией. Очищенное соединение затем восстанавливают водородом, активным металлом или путем пиролиза.

Типичная схема таких реакций:

SiCU + Zn, Al или Нг Si + ZnCb , ACl или HCl

SiHCb + Н Si + HCl

SiH4 (пиролиз) -> Si + Hz Sil4 или SiBr4 + Нг (или пиролиз) Si + HI или HBr (или Ь или Вгг) SiCU + LiAlH4 -* SiH4 + LiCl + AICI3

пиролиз -> Si + Нг.

Недостаток многих из этих реакций состоит в том, что в них используют дорогие исходные вещества (Sil4 или 81Вг4),мал выход реакций, а применяемые реактивы требуют особых мер безопасности при работе с ними. Более детальную информацию об этих и других процессах можно найти в [Runyan, 1965] и [Wolfe, а., 1976].

В промышленности наиболее распространен метод, основанный на упрощенной реакции

SiCU или

2SiHCl3

+ 2H2

нагрев

Si + 4HC1 или

2Si + 6HC1.

Газ SiCU, образующийся при хлорировании кремния в жидкой ванне, дистиллируют примерно при 58°С (в ряде случаев применяют промежуточные операции очистки) и затем осаждают на нагретые подложки из кварца или тантала, а чаще на стержни из кремния, нагретые с помощью ВЧ-индукционной печи в присутствии водорода примерно при QSCC.

В ряде случаев для придания кремнию формы, необходимой для выращивания кристалла, применяют литье. Введение этой операции сопряжено со значительными трудностями. Горячие литейные формы являются источниками примеот, поскольку расплавленный кремний растворяет в различной степени все без исключения металлы и даже немного растворяет тигли из Si02, примеси из которого переходят в расплав. При охлаждении объем, занимаемый кремнием, увеличивается на 9%, что приводит к разрушению литейной формы, изготовленной из Si02. Некоторые преимущества дают формы, изготовленные из SisN4 и SiC. При использовании охлаждаемых форм удается локализовать примеси в приповерхностных слоях [Runyan, 1965].

На рис. 4.2 показана зависимость стоимости кремния от содержания в ней примесей. Проведены специальные исследования для вьзделения отдельной марки солнечного кремния, критерием качества которого является время жизни, а не требования высокой степени очистки и малой концентрации дефектов, предъявляемые к кремнию, идущему на изготовление интегральных схем [Wakefield е. а., 1975]. Цель этих исследований - определить, какие примеси и при каких концентрациях ухудшают КПД солнечных элементов [Hill е. а., 1976].

Существует множество способов выращивания монокристаллов Si из газовой и жидкой фаз и расплава [Runyan, 1965]. Кратко будут рассмотрены два наиболее распространенных из них: выращивание кремния методом Чохральского и методом зонной плавки. Упомянуты будут также некоторые необычные методы, предназначенные для выращивания тонких слоев, минуя операции резки слитков на пластины.

Рис. 4.2. Зависимость стоимости Si от степени очистки, используемая для выделения марки солнечного кремния, применяемого в дальнейшем для выраи]ивания кристалла:

1 - для сплавов; 2 - металлургически-чистый; 3 - солнечный ; 4 - полупро-водниково-чистый; 5 - для детекторов [Wakefield, Мауооск, Chu. Рюс. U-th Photovoltaic Specialists Conf., 1975]

Содержание примесей

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 [ 48 ] 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91

ООО «Мягкий Дом» - это Отечественный производитель мебели. Наша профильная продукция - это диваны еврокнижка. Каждый диван можем изготовить в соответствии с Вашими пожеланияи (размер, ткань и материал). Осуществляем бесплатную доставку и сборку.



Звоните! Ежедневно!
 (926)274-88-54 
Продажа и изготовление мебели.

Копирование контента сайта запрещено.
Авторские права защищаются адвокатской коллегией г. Москвы.