Monokrystallinsk silicium tynd film til omkostningsbesparende solceller med 10 gange hurtigere væksthastighed fremstillet

Et forskerhold fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) og Waseda University har med succes produceret højkvalitets tyndfilm monokrystallinsk silicium med en reduceret krystaldefektdensitet ned til siliciumwafer-niveauet med en væksthastighed, der er mere end 10 gange højere end før . I princippet, denne metode kan forbedre råvareudbyttet til næsten 100 procent. Derfor, det kan forventes, at denne teknologi vil gøre det muligt drastisk at reducere produktionsomkostningerne og samtidig opretholde energiproduktionseffektiviteten af ​​monokrystallinske siliciumsolceller, som bruges i de fleste højeffektive solceller.

Effektiv konvertering af solenergi til at generere elektricitet er en effektiv løsning på problemet med global opvarmning relateret til CO ₂ emissioner. Ved at gøre de monokrystallinske Si-solceller, der er kernen i solenergiproduktionssystemer, tyndere, det er muligt i høj grad at reducere råvareomkostningerne, som står for omkring 40 procent af omkostningerne ved nuværende moduler. At gøre dem fleksible og lettere ville øge brugen og reducere omkostningerne.

Ud over, som en metode til at reducere produktionsomkostninger, tyndfilm monokrystallinske Si-solceller, der bruger et dobbelt porøst siliciumlag (DPSL) via lift-off, tiltrækker opmærksomhed. Blandt de tekniske udfordringer relateret til monokrystallinske Si-solceller ved hjælp af lift-off er (1) dannelsen af ​​en højkvalitets tyndfilm Si på Si wafer-niveau, (2) opnåelse af en porøs struktur, der let kan løftes af (skrælles af), (3) forbedring af væksthastigheden og Si-råvareudbyttet (nødvendige udstyrsomkostninger bestemmes af væksthastigheden), og (4) at være i stand til at bruge substratet efter afløftning uden spild.

For at overkomme udfordringen (1), det var nødvendigt at afklare de vigtigste faktorer, der bestemmer kvaliteten af ​​tyndfilmkrystaller dyrket på porøst silicium, og at udvikle en teknik til at kontrollere disse.

Et fælles forskerhold bestående af professor Manabu Ihara og adjunkt Kei Hasegawa fra Tokyo Tech, og professor Suguru Noda fra Waseda University har udviklet en højkvalitets tyndfilm monokrystallinsk silicium med en tykkelse på omkring 10 μm og en reduceret krystaldefekttæthed ned til siliciumwafer-niveauet med en væksthastighed, der er mere end 10 gange højere end tidligere. Først, dobbeltlags porøst silicium af nanoorden genereres på overfladen af ​​en monokrystallinsk wafer ved hjælp af en elektrokemisk teknik. Næste, overfladen blev glattet til en ruhed på 0,2 til 0,3 nm via en unik zoneopvarmningsrekrystallisationsmetode (ZHR-metoden), og dette substrat blev brugt til højhastighedsvækst for at opnå en monokrystallinsk tynd film med høj krystalkvalitet. Den dyrkede film kan let pilles af ved hjælp af det dobbeltlags porøse Si-lag, og substratet kan genbruges eller bruges som en fordampningskilde til tyndfilmvækst, hvilket i høj grad reducerer materielle tab. Når overfladeruheden af ​​det underliggende substrat reduceres ved at ændre ZHR-metodens betingelser, defekttætheden af ​​den tynde filmkrystal, der blev dyrket, faldt, og til sidst lykkedes det holdet at reducere det til Si wafer niveauet på omkring 1/10. Dette viser kvantitativt, at en overfladeruhed i området på kun 0,1-0,2 nm (niveau af atomer til flere tiere af lag) har en vigtig indflydelse på dannelsen af ​​krystaldefekter, som også er af interesse som krystalvækstmekanisme.

Filmdannelseshastigheden og omdannelseshastigheden af ​​Si-kilden til tyndfilm-Si er flaskehalse i produktionen af ​​tyndfilm monokrystallinsk Si. Med kemisk dampaflejring (CVD), som hovedsageligt bruges til epitaksi, den maksimale filmdannelseshastighed er nogle få μm/h, og udbyttet er omkring 10 procent. På Noda Laboratory ved Waseda University, i stedet for den almindelige fysiske dampaflejring (PVD), hvor rå Si fordampes ved omkring dets smeltepunkt på 1414 °C, ved at fordampe det rå Si ved meget højere temperatur på> 2000 grader C, en hurtig fordampningsmetode (RVD) blev udviklet med et højt Si-damptryk, der er i stand til at afsætte Si ved 10 μm/min. Forskerne fandt ud af, at ZHR-teknologien løser tekniske problemer og drastisk reducerer produktionsomkostningerne ved lift-off-processen.

Baseret på resultaterne af denne undersøgelse, ikke kun opdagede holdet de vigtigste faktorer for at forbedre kvaliteten af ​​krystaller under hurtig vækst på porøst silicium, der blev brugt til lift-off-processen, det lykkedes dem at kontrollere dem. Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Royal Society of Chemistry (RSC). CrystEngComm og vil blive vist på indersiden af ​​forsiden af ​​nummeret.