Автор: Горбатова Анна, STRF.ru
Источник: http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=222&d_no=52427
Аморфный кремний давно используется в производстве солнечных элементов, но у него есть недостатки. Один из них – ухудшение свойств под действием света. Разработанный учёными МГУ имени М.В. Ломоносова и ФТИ имени А.Ф. Иоффе метод получения нанокомпозитных плёнок путём контролируемого введения нанокристаллов кремния в кремниевую аморфную матрицу позволяет избежать такого ухудшения свойств и повысить КПД солнечных элементов.
Борьба с недостатками
Основной недостаток аморфного гидрированного кремния – фотоиндуцированная деградация его оптических и фотоэлектрических свойств, что со временем приводит к уменьшению КПД тонкоплёночных солнечных элементов на его основе. Для устранения этого недостатка можно добавлять в аморфный кремний кристаллы нанометрового размера. Но если их объёмная доля будет слишком большой, то изменятся свойства самого аморфного кремния. «Наша первая задача состояла в том, чтобы найти такие пропорции добавления кристаллического кремния, при которых все необходимые для применения в солнечной энергетике свойства аморфного кремния сохраняются, а деградации нет. Вторая немаловажная задача: разработать такой метод получения аморфного кремния, который был бы совместим с уже имеющимися промышленными технологиями. Поскольку если придумать совершенно иной метод, то его будет довольно трудно внедрять. Обе эти задачи можно решить, добавляя в аморфный кремний небольшое количество кремниевых нанокристаллов – такое, чтобы объёмная доля кристаллической фазы составляла 5–10%», – объяснил Павел Форш, заместитель руководителя проекта, доцент физического факультета МГУ.
В ходе проекта отрабатывались методы получения такого материала. Это и стандартные методы разложения моносилана и водорода в тлеющем разряде, и менее стандартные – металлоиндуцированная кристаллизация и фемтосекундная лазерная кристаллизация. Учёные исследовали большое количество полученных различными способами плёнок наномодифицированного аморфного кремния, выясняя, какой из этих способов наиболее благоприятен для применения в солнечной энергетике.
«В результате мы остановились на методе плазмохимического разложения моносилана в тлеющем разряде, или методе PECVD, как его ещё часто называют. Но для получения данным методом тонкоплёночного материала с оптимальными для использования в солнечной энергетике характеристиками, нужно было подобрать технологические параметры осаждения плёнок, например соотношение объёмов моносилана и водорода, давление в реакционной камере, мощность и частоту разряда», – уточнил Павел Форш.
Обязательное условие получения качественного материала, по его словам, – равномерное распределение нанокристаллов по всему образцу, что достигается путём использования повышенного давления в реакционной камере. В случае неравномерного распределения кремниевых нанокристаллов по аморфной матрице предсказывать свойства образца будет весьма затруднительно.
«В этом проекте мы исследовали свойства плёнок и пытались создать материал, который по своим качествам является оптимальным для производства солнечных батарей», – сказал главный научный сотрудник кафедры полупроводников физического факультета МГУ профессор Андрей Казанский. Он отвечал за идеологию проекта и разработку научных направлений проводимых исследований. Аморфный кремний, по словам учёного, используется не только для создания солнечных батарей, но и для производства матриц управления жидкокристаллическими дисплеями.
Превзошли аналоги
О результатах научно-исследовательской работы рассказал руководитель проекта, директор ЦКП МГУ «Технологии получения новых наноструктурированных материалов и их комплексное исследование», заведующий кафедрой общей физики и молекулярной электроники физического факультета МГУ профессор Павел Кашкаров: «Проведённые исследования позволили определить технологию контролируемого введения нанокристаллов кремния в кремниевую аморфную матрицу и условия получения плёнок нанокомпозитного материала на основе аморфного кремния, физические параметры которых оптимальны для создания дешёвых, эффективных и деградационностойких тонкоплёночных кремниевых солнечных элементов».
По оценке Павла Кашкарова, «оптические и фотоэлектрические параметры полученных по разработанному методу плёнок заметно лучше, чем у используемых в настоящее время в тонкоплёночной солнечной энергетике материалов на основе аморфного кремния».
«Проект проходил на удивление неплохо. В науке редко бывает, что результат оправдывает ожидания хотя бы на 80%. Как правило, происходит наоборот. Нам же удалось получить практически всё, что мы прогнозировали. К тому же участие в таком проекте – хорошая школа для аспирантов и молодых учёных, которые приобрели научно-исследовательский опыт», – добавил Павел Форш.
Наряду с этим под задачи проекта была модернизирована экспериментальная техника, что привело к улучшению лабораторного оборудования, созданы новые методики исследования фотоэлектрических и оптических свойств образцов.
Фундаментальные и побочные результаты
В ходе проекта были получены интересные для фундаментальной науки результаты, связанные с механизмами генерации, переноса и рекомбинации носителей заряда в двухфазной системе аморфной матрицы с внедрёнными кристаллами. «Мы сильно продвинулись в понимании свойств такой системы», – утверждает заместитель руководителя проекта.
Также был опробован способ получения модифицированного аморфного кремния с нанокристаллами путём облучения фемтосекундным лазером обычного аморфного кремния. И хотя он не стал основным способом получения материалов для солнечных элементов, но вывел учёных на любопытный результат. «Мы увидели, что при облучении фемтосекундным лазером аморфного кремния на воздухе при больших интенсивностях на поверхности материала формируется слой, который может люминесцировать в видимой области спектра. В солнечной энергетике такой материал можно использовать для переизлучения, то есть задействовать его для увеличения преобразования в электроэнергию солнечного света», – прокомментировал полезный побочный эффект Павел Форш.
Партнёрство с практическим прицелом
Выполнялся проект силами нескольких кафедр физического факультета Московского университета и ЦКП МГУ в сотрудничестве с учёными Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН. В исследованиях участвовали не только научные сотрудники университета, но и студенты, аспиранты – всего 25 человек.
Технологические параметры формирования материала отрабатывались в ФТИ имени А.Ф. Иоффе, являющемся соисполнителем проекта. Там же создавались и образцы нанокомпозитного материала на основе аморфного кремния. ФТИ имени А.Ф. Иоффе уже много лет специализируется на технологиях получения аморфного кремния и имеет тесные связи с производителями. С одним из них – ООО «Хевел», проектной компанией ОАО «Роснано» и ГК «Ренова», – ФТИ имени Иоффе создал Научно-технический центр, получивший в декабре 2010 года статус участника инновационного центра «Сколково».
«Для нас важно, чтобы полученные в ходе проекта результаты нашли практическое применение. Например, на заводе компании “Хевел” по производству тонкоплёночных солнечных модулей, который вскоре откроется в Новочебоксарске», – подчеркнул прикладное значение исследования Павел Форш. Разработанная технология получения наномодифицированного аморфного кремния полностью совместима с технологией получения плёнок аморфного кремния швейцарской фирмы Oerlikon Solar, которая будет использоваться на заводе в Чувашии.
Чтобы внедрить разработки учёных Московского университета, нужно провести ещё ОКР, и это может сделать тот же НТЦ ФТИ имени А.Ф. Иоффе.
Справка STRF.ru:
Проект «Разработка методов получения нанокомпозитных плёнок на основе аморфного кремния, содержащего кремниевые нанокристаллы, для солнечных элементов» поддержан ФЦП «Исследования и разработки» на 2007–2013 годы. Начало научно-исследовательских работ – 20 апреля 2011 года, окончание – 15 декабря 2012 года.
Объём финансирования – 10 миллионов рублей.
Статьи по теме исследования:
О.Б. Гусев, Ю.С. Вайнштейн, Ю.К. Ундалов, О.С. Ельцина, И.Н. Трапезникова, Е.И. Теруков, О.М. Сресели. Люминесценция аморфных нанокластеров кремния. Письма в ЖЭТФ, 2011, т. 94, с. 402–405.
A.V. Emelyanov, A.G. Kazanskii, M.V. Khenkin, P.A. Forsh, P.K. Kashkarov, M. Gecevicius, M. Beresna, P.G. Kazansky. Visible luminescence from hydrogenated amorphous silicon modified by femtosecond laser radiation. Applied Physics Letters, 2012, v. 101, 081902 – 081902-3.
А.В. Емельянов, А.Г. Казанский, П.К. Кашкаров, О.И. Коньков, Е.И. Теруков, П.А. Форш, М.В. Хенкин, А.В. Кукин, M. Beresna, P. Kazansky. Влияние фемтосекундного лазерного облучения пленок аморфного гидрогенизированного кремния на их структурные, оптические и фотоэлектрические свойства. ФТП, 2012, т. 46, с. 769–774.
А.В. Емельянов, П.А. Перминов, П.А. Форш, С.В. Заботнов, А.Г. Казанский, М.В. Хенкин, П.К. Кашкаров. Фемтосекундная лазерная кристаллизация пленок гидрогенезированного аморфного кремния. Наноматериалы и нанотехнологии, 2012, т. 1, с. 40–46.
А.В. Емельянов, Н.В. Швыдун, Д.М. Жигунов, В.Ю. Тимошенко, В.Н. Семиногов, П.К. Кашкаров. Исследование зависимости фотолюминесцентных свойств кремниевых нанокластеров от их объемной доли в матрице оксида кремния. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2012, т. 6, с. 80–84.
М.В. Хенкин, А.В. Емельянов, А.Г. Казанский, П.К. Кашкаров, П.А. Форш. Фотоэлектрические и оптические свойства пленок полиморфного кремния, полученных при различных температурах. Вестник РГРТУ, 2012, т. 42, с. 47–51.
В 2012 году подана заявка на патент «Способ получения пленок аморфного кремния, содержащего нанокристаллические включения».
Соисполнитель работ – Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе