Влияние примеси никеля на эксплуатационные параметры кремниевого солнечного элемента

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Представлены результаты исследований влияния примеси никеля, введенного методом диффузии в монокристаллический кремний, на характеристики солнечных элементов. Установлено, что легирование атомами никеля позволяет увеличить время жизни неосновных носителей заряда в материале до 2 раз, а эффективность солнечных элементов на 20–25%. Показано, что распределение кластеров никеля в объеме материала является практически однородным, а их размер не превышает 0.5 мкм. Концентрация кластеров в объеме составляет ~1011–1013 см–3, а в приповерхностном слое — ~1013–1015 см–3. Выявлены физические механизмы влияния “объемных” и “приповерхностных” кластеров атомов никеля на эффективность кремниевых солнечных элементов. Экспериментально установлено, что в повышении их эффективности определяющую роль играют процессы геттерирования кластерами никеля рекомбинационно-активных технологических примесей, происходящие в обогащенной никелем лицевой приповерхностной области солнечных элементов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

З. Т. Кенжаев

Ташкентский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: zoir1991@bk.ru
Узбекистан, Ташкент

Н. Ф. Зикриллаев

Ташкентский государственный технический университет

Email: zoir1991@bk.ru
Узбекистан, Ташкент

В. Б. Оджаев

Белорусский государственный университет

Email: zoir1991@bk.ru
Белоруссия, Минск

К. А. Исмайлов

Каракалпакский государственный университет

Email: zoir1991@bk.ru
Узбекистан, Нукус

В. С. Просолович

Белорусский государственный университет

Email: zoir1991@bk.ru
Белоруссия, Минск

Х. Ф. Зикриллаев

Ташкентский государственный технический университет

Email: zoir1991@bk.ru
Узбекистан, Ташкент

С. В. Ковешников

Ташкентский государственный технический университет

Email: zoir1991@bk.ru
Узбекистан, Ташкент

Список литературы

  1. Green M., Dunlop E., Hohl-Ebinger J., Yoshita M., Kopidakis N., Hao X. Solar cell efficiency tables (version 58) // Prog Photovolt Res Appl. 2021. V. 29. P. 657–667. https://doi.org/10.1002/pip.3444
  2. Ikhmayies Sh. Advances in Silicon Solar Cells // Springer International Publishing. 2018. P. 337. https://doi.org/10.1007/978-3-319-69703-1
  3. Panaiotti I.E., Terukov E.I. A Study of the Effect of Radiation on Recombination Loss in Heterojunction Solar Cells Based on Single-Crystal Silicon // Tech. Phys. Lett. 2019. V. 45. No. 3. P. 193–196. https://doi.org/10.1134/S106378501903012X
  4. Richter A., Müller R., Benick J., Feldmann F., Steinhauser B., Reichel Ch., Fell A., Bivour M., Hermle M., Glunz S.W. Design rules for high-efficiency both-sides-contacted silicon solar cells with balanced charge carrier transport and recombination losses // Nature Energy. 2021. V. 6. P. 429–438. https://doi.org/10.1038/s41560-021-00805-w
  5. Koval’chuk N.S., Lastovskii S.B., Odzhaev V.B., Petlitskii A.N., Prosolovich V.S., Shestovsky D.V., Yavid V.Yu., Yankovskii Yu.N. Influence of Structural Defects on the Electrophysical Parameters of pin-Photodiodes // Russian Microelectronics. 2023. V. 52. No. 4. Р. 276–282. DOI: S054412692370045X.
  6. Yatsukhnenko S., Druzhinin A., Ostrovskii I., Khoverko Yu., Chernetskiy M. Nanoscale Conductive Channels in Silicon Whiskers with Nickel Impurity // Nanoscale Res Lett. 2017. V. 12. Nо. 78. P. 1–7. https://doi.org/10.1186/s11671-017-1855-9
  7. Liu A., Phang S.P., Macdonald D. Gettering in silicon photovoltaics: A review // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2022. V. 234. P. 111447. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2021.111447
  8. Chistyakova A.A., Bazhanov D.I. The Study of Nickel Impurity Segregation on LSNT Perovskite Open Surfaces by Ab Initio Molecular Dynamics // Russ Microelectron. 2022. V. 51. P. 654–658. https://doi.org/10.1134/S1063739722080121
  9. Bayrambay I., Kanatbay I., Khayratdin K., Gulbadan S. Suppression of harmful impurity atoms with clusters of nickel impurity atoms in a silicon lattice // AIP Conference Proceedings. 2022. V. 2552. P. 060015. https://doi.org/10.1063/5.0129486
  10. Spit F.H.M., Gupta D., Tu K.N. Diffusivity and solubility of Ni (63Ni) in monocrystalline Si // Phys. Review B. 1989. V. 39. P. 1255–1260.
  11. Lindroos J., Fenning D.P., Backlund D.J., Verlage E., Gorgulla A., Estreicher S.K., Savin H., Buonassisi T. Nickel: A very fast diffuser in silicon // J. Appl. Phys. 2013. V. 113. P. 204906. https://doi.org/10.1063/1.4807799
  12. Bakhadyrkhanov M.K., Isamov S.B., Kenzhaev Z.T., Koveshnikov S.V. Studying the Effect of Doping with Nickel on Silicon-Based Solar Cells with a Deep p–n-Junction // Tech. Phys. Lett. 2019. V. 45. Nо. 10. P. 959–962. https://doi.org/10.1134/S1063785019100031
  13. Bakhadyrkhanov M.K., Isamov S.B., Kenzhaev Z.T., Melebaev D., Zikrillayev Kh.F., Ikhtiyarova G.A. Silicon Photovoltaic Cells with Deep p–n-Junction // Appl. Sol. Energy. 2020. V. 56. Nо. 1. P. 13–17. https://doi.org/10.3103/S0003701X2001003X
  14. Bakhadyrkhanov M.K., Kenzhaev Z.T. Optimal Conditions for Nickel Doping to Improve the Efficiency of Silicon Photoelectric Cells // Tech. Phys. 2021. V. 66. Nо. 7. P. 851–856. https://doi.org/10.1134/S1063784221060049
  15. Bakhadirkhanov M.K., Kenzhaev Z.T., Turekeev Kh.S., Isakov B.O., Usmonov A.A. Gettering properties of nickel in silicon photocells // Tech. Phys. 2022. V. 67. Nо. 14. P. 2217–2220. doi: 10.21883/TP.2022.14.55221.99-21.
  16. Zikrillayev N., Kenzhaev Z., Ismailov T., Kurbanova U., Aliyev B. Effect of nickel doping on the spectral sensitivity of silicon solar cells // E3S Web of Conferences. 2023. V. 434. P. 01036 (1–3). https://doi.org/10.1051/e3sconf/202343401036
  17. Kenzhaev Z.T., Zikrillaev N.F., Ayupov K.S., Ismailov K.A., Koveshnikov S.V. & Ismailov T.B. Enhancing the Efficiency of Silicon Solar Cells through Nickel Doping // Surf. Engin. Appl. Electrochem. 2023. V. 59. Nо. 6. P. 858–866. https://doi.org/10.3103/S1068375523060108
  18. Kerimov E.A. Study of Photodetectors with Schottky Barriers Based on the IrSi – Si Contact // Russ Microelectron. 2023. V. 52. P. 32–34. https://doi.org/10.1134/S1063739722030040
  19. Dubovikov K.M., Garin A.S., Marchenko E.S., Baigonakova G.A., Shishelova A.A., Kovaleva M.A. Effect of Annealing Temperature on the Surface Structure and Properties of Porous TiNi // Inorg. Mater. 2021. Nо. 57. P. 1242–1249. https://doi.org/10.1134/S0020168521120050
  20. Koveshnikov S., Kononchuk O. Gettering of Cu and Ni in mega-electron-volt ion-implanted epitaxial silicon // Appl. Phys. Lett. 1998. V. 73. Nо. 16. P. 2340. https://doi.org/10.1063/1.122455
  21. Togatov V.V., Gnatyuk P.A. A method for measuring the lifetime of charge carriers in the base regions of high-speed diode structures // Semiconductors. 2005. V. 39. P. 360–363. https://doi.org/10.1134/1.1882802
  22. Mil’vidskii M.G., Chaldyshev V.V. Nanometer-size atomic clusters in semiconductors – a new approach to tailoring material properties // Semiconductors. 1998. V. 32. Nо. 5. P. 457–465. https://doi.org/10.1063/1.4807799
  23. Gafner Y.Y., Gafner S.L., Entel P. Formation of an icosahedral structure during crystallization of nickel nanoclusters // Phys. Solid State. 2004. V. 46. No. 7. P. 1327–1330. https://doi.org/10.1134/1.1778460
  24. Tanaka Sh., Ikari T., Kitagawa H. In-Diffusion and Annealing Processes of Substitutional Nickel Atoms in Dislocation-Free Silicon // Jpn. J. Appl. Phys. 2001. V. 40. No. 5R. P. 3063–3068. doi: 10.1143/JJAP.40.3063.
  25. Ismaylov B.K., Zikrillayev N.F., Ismailov K.A., Kenzhaev Z.T. Clusters of impurity nickel atoms and their migration in the crystal lattice of silicon // Physical Sciences and Technology. 2023. V. 10. Nо. 1. P. 13–18. https://doi.org/10.26577/phst.2023.v10.i1.02
  26. Серафина Б. Преобразование солнечной энергии. М.: Энергоиздат, 1982. 320 с.
  27. Эмсли Дж. Элементы. Справочник: пер. с. англ. М.: Мир, 1993. 256 с.
  28. Афанасьева Н.П., Бринкевич Д.И., Просолович В.С., Янковский Ю.Н. Легирование кремния лантаноидами как способ оптимизации параметров детекторов ионизирующих излучений // Приборы и техника эксперимента. 2002. № 2. С. 24–26.
  29. Дутов А.Г., Комар В.А., Петров В.В., Просолович В.С., Чесноков С.А., Янковский Ю.Н. Геттерирование технологических примесей редкоземельными элементами в кремнии // Материалы 7-й междунар. конф. по микроэлектронике. Минск, 1990. Т. 1. С. 34–36.
  30. Егоров С.Н. Расчет поверхностной энергии металлов в твердом состоянии // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. 2003. № 3. С. 132–136.
  31. Dellis S., Christoulaki A., Spiliopoulos N., Anastassopoulos D.L., Vradis A.A. Electrochemical synthesis of large diameter monocrystalline nickel nanowires in porous alumina membranes // J. Appl. Phys. 2013. V. 114. P. 164308. https://doi.org/10.1063/1.4826900

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Распределение атомов никеля в лицевом (1) и тыльном (2) слое кремния после диффузии из металлической пленки никеля, напыленной на лицевую поверхность пластины (Тдифф = 1200C, t = 30 мин).

Скачать (78KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Элементный состав лицевой поверхности образцов кремния образцов, диффузионно-легированных атомами никеля.

Скачать (145KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Снимок поверхности кремния, легированного никелем, полученный методом SIMS для ионов: а — Ni+ (яркие точки соответствуют скоплениям атомов никеля); б — Si+ (яркие точки соответствуют кремнию).

Скачать (631KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изображение точек исследования состава в образцах кремния, легированных никелем, в приповерхностной области (а) и объеме (б) образцов.

Скачать (131KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Изображение и элементный состав “поверхностных” (а) и “объемных” (б) кластеров никеля (получены с помощью рентгеновского локального зондового микроанализа) после дополнительного термического отжига при Tотж = 800C.

Скачать (517KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Вольт-амперные характеристики солнечных элементов и электрофизические параметры (таблица) элементов I и III группы после дополнительного термоотжига при Тотж = 750–800C (ΔРmах / Рmах — относительное изменение максимальной мощности по сравнению с контрольными образцами).

Скачать (115KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Изменение Jк.з, Uх.х, Рmах и τ солнечных элементов в зависимости от толщины удаленного приповерхностного обогащенного никелем слоя относительно СЭ без удаления обогащенного никелем слоя.

Скачать (88KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024