Большие потери при резке моно — и поликристаллических слитков кремния на пластины заставляли и заставляют исследователей искать и разрабатывать способы, оборудование и технологии получения крем­ниевых пластин "непосредственно из расплава". Такие исследования и разработки интересны и важны тем более, что и моно-, и поликристап — лические литые слитки исходно получаются из расплава, т. е. проходят стадию жидкого состояния кремция. К настоящему времени предложе­но и опробовано более 20 таких способов, довольно разнородных. Формообразование плоского слоя расплава достигается за счет сил поверхностного натяжения расплава, постоянного контакта расплава с формообразователем (ФО) в процессе кристаллизации, формы предва­рительной заготовки.

В разных способах формообразование осуществляется как при по­мощи отдельного фактора, так и совместного использования несколь­ких факторов.

С помощью сил поверхностного натяжения, передающих расту­щему кристаллу форму ФО или создающих форму, работают способы Степанова (прямой — ST, EFG, CAST, обратный — IS), стабилизации краев пленки (при помощи дендритов — D-Web или струн — ESR, ESP), роста с поверхности (HRG, LASS). Постоянный контакт с ФО обеспе­чивает работу всех литейных способов: роста в кристаллизаторе (HCRP, HSCT), литья на подложки (SOC, SCIM, RAD, RAFT, RGS, RCSR, RQ). Силами поверхностного натяжения и постоянным контак­том с ФО осуществляется рост лент в способах литья: на ткань — TSE, на сетку — S-Web. Способы RTR, SSP, EPR сохраняют форму предвари­тельной заготовки за счет сил поверхностного натяжения, а способ BRG — за счет трех формообразующих факторов: поверхностного на­тяжения, ФО в виде подложки и предварительной заготовки ленточной формы.

Прежде всего, большинство способов непосредственного получе­ния листов и/или лент кремния могут быть объединены в методы вы­ращивания на затравку и методы литья. Различие их состоит в следую­щем. При выращивании на затравку только наиближайшая к затравке часть свободной поверхности расплава вступает в непосредственный контакт с привлеченным извне материалом затравки, и кристаллизация остального расплава происходит на закристаллизовавшуюся ранее часть изделия. При литье же плоских изделий большая часть поверхно­сти расплава вступает в контакт с материалом формы, которая является в дальнейшем носителем кристаллизующегося вещества. При этом обычно скорость кристаллизации в способах литья выше, чем при за­травочном росте, что объясняется, в частности, более высокой интен­сивностью теплоотвода.

Несколько обособленно от этих двух методов находятся способы, которые можно объединить в метод локального плавления плоской заготовки. При этом способы получения заготовки могут принципи­ально различаться.

Преодоление двух "недостатков": высокой стоимости переработки поликристаплических стержней кремния в монокристаплические слит­ки и пластины и "пониженного" кпд солнечных батарей, составляемых из круглых СЭ, достигается применением обычных способов литья в формы. В работах [17, 18], например, кремниевые слитки получали литьем в прямоугольные формы с размерами около 43x43x28 см по технологии SILSO. Затем их резали на заготовки -10x10x28 см или "15x15x28 см, а в конце разрезали эти заготовки на пластины толщи­ной около 200 мкм (см. табл. 1.2). Потери на резку здесь также дости­гали 50% исходной массы, но все же часть их отсутствовала. При этом максимальный кпд СЭ составлял до 17,8 (20×20 мм2) [17] или 16,4% (15×15 см2) [19], несмотря на поликристалличность литого кремния и его "солнечное" химическое качество (см. разд. 1.3).

Заметим, что при литье крупных слитков в большей части их объ­ема обычно получается крупнозернистая структура (средний размер зерна d~ см), что благоприятно для кпд СЭ. Укрупнение зеренной структуры достигается подогревом форм и медленным затвердеванием и охлаждением, что технически легко осуществимо в традиционной литейной технологии. Кроме того, в литейной технологии прямоуголь­

ных блоков для шихтования возможно использовать истинные отходы чистого кремния, т. е. дефектные n-Si стержни; концы монокристаллов; обрезки или обломки пластин; стержни и слитки, не имеющие серти­фиката (и Т. Д.).

При кпд получаемых СЭ порядка 17% такое производство будет безусловно конкурентоспособным по сравнению с производством, ос­нованном на круглых пластинах монокристаплического кремния.

Следует отметить, что литье поликристаплических блоков являет­ся также энергосберегающей технологией по сравнению с выращива­нием монокристаллов по Чохрапьскому, поскольку время нахождения материала в расплавленном состоянии значительно сокращается.

На рис. 3 дано сравнение эффективности СЭ, изготавливаемых на кремниевых материалах различной структуры. Несмотря на различную технологию производства СЭ, сравнение данных показывает, что кпд промышленно производимых nK-Si/СЭ не очень уступает кпд MK-Si/СЭ, что, в первую очередь, объясняется крупнозернистой структурой литых слитков (см. рис. 1.6 и [20-22]).

Необходимо отметить, что стандартные процессы шлифовки отре­занных поликристаллических пластин литого кремния иногда приводят к выкрашиванию зерен, поэтому предъявляются более высокие требо­вания к технологии при обработке пластин пк-Si.

В настоящее время существуют три основных направления в полу­чении кремниевых пластин для СЭ (см. рис. 1.2):

1 — использование отходов микроэлектронного производства, на­чиная с операции резки пластин и кончая получением твердотельных структур [1], в результате чего в производство СЭ может попадать ос­новная масса пластин мк-Si;

2 — специальное литье блоков пк-Si с последующей резкой их на пластины [2-5];

3 — получение лент и пластин (л-Si) непосредственно из расплава [6].

Кремний типа л-Si может быть как поли-, так и монокристал-

лическим, причем различного качества. Это в значительной степени и определяет эффективность изготовляемых из него солнечных элементов.

РЕЗКА СЛИТКОВ МОНОКРИСТАЛПИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

В отечественном производстве солнечных элементов (например, [7]) могут применяться кремниевые пластины диаметром 100 мм, полу­чаемые резкой слитков мк-Si, исходно предназначавшихся для микро­электроники. При этом возможны варианты:

1) утилизируются пластины, не прошедшие контроль микроэлек­троники (не удовлетворившие каким-то специфическим требованиям, см. табл. 1.2-1.7);

2) организованно специальное производство пластин, получаемых из слитков или частей слитков кремния, изначально не удовлетворив­ших требованиям по УЭС (см. табл. 1.9) или др. (это 30-50% монокри — сталлических слитков [8]);

3) в этом же производстве используются слитки, пригодные для микроэлектроники;

4) используются пластины, пригодные для микроэлектроники (но не имеющие, например, сбыта из-за отсутствия заказов на МЭП).

Еще недавно в отечественном производстве монокристаплическо — го кремния разрешался сравнительно широкий допуск (до 30%) по раз­бросу удельного сопротивления [9] (табл. 2.1), что позволяло использо­вать практически всю бездислокационную часть слитка (особенно для p-Si). В настоящее время в связи с ужесточением требований (допуска­ется разброс УЭС в пределах лишь 5%) полезная длина кристалла, на­пример марки КДБ-12 диаметром до 100 и 150 мм, сокращается до 1/3 его общей длины независимо от исходной загрузки [8] Это приводит к тому, что в производстве СЭ может использоваться до 60% массы мо- нокристаплических слитков, выращиваемых для целей микроэлектро­ники.

В технологии производства тонких пластин из слитков мк-Si присутствуют следующие операции (кроме контроля):

1) калибровка с целью придания монокристаллу цилиндрической формы;

2) формирование базового и дополнительного срезов;

3) резка слитка на пластины;

4) шлифовка пластин до требуемых толщин (табл. 1.1-1.3);

5) полировка пластин до требуемого микрорельефа (R2 » 0,1+1 мкм) [Ю,11];

6) травление пластин между операциями 3, 4, 5.

Потери материала при резке кремниевых слитков на пластины очень велики (рис. 2.1 [12]). Пусть средняя толщина пластины после рез­ки составляет 800 мкм. При ширине реза 200 мкм потери составят 20% от полезной (для МЭП) части слитка (рис. 2.1). Последняя, в свою оче­редь, составляет только 33% от длины выращенного монокристалла [8].

После резки пластина поступает на операцию шлифовки. Как правило проводится двусторонняя шлифовка, чтобы избежать искривления пла­стин из-за разницы величин остаточных механических напряжений на фронтальной и тыльной сторонах [13]. Припуск (снимаемый слой) на обработку определяется глубиной нарушенного поверхностного слоя, образовавшегося на предыдущей операции обработки пластины (табл. 2.2). Обычно припуск должен быть на несколько микрометров больше глубины нарушенного слоя, а также учитывать отклонение пластины от заданной формы (см. табл. 1.5). Припуск чаще всего снимают в два или три этапа, что позволяет получать лучшее качество поверхности и фор­мы пластин и меньшую глубину нарушенного поверхностного слоя (Ah).

Величина Ah при шлифовке связанным абразивом зависит от зер­нистости шлифовального круга, скорости его вращения и скорости съема кремния, что подтверждается данными табл. 2.3 [13]. Толщина слоя, снимаемого на каждой стадии, должна быть не менее утроенного размера зерен абразивного порошка [14]. По расчетам [9, 10, 14] при двусторонней шлифовке в соответствии с табл. 2.2-2.3 толщина пла­стины уменьшается на 120-350 мкм.

Двустороннее травление на глубину 25 мкм за 2 раза снижает тол­щину пластины на 100 мкм [10]. Полировка уничтожает нарушенный слой еще до глубины ~30 мкм [10]. В конце концов получается готовая пластина толщиной 6 = 300+500 мкм (при первоначальной толщине 800 мкм). Таким образом, потери при обработке составляют от 40 до 60% материала пластины, полученной после резки.

В результате всех операций получается, что только 11-16% выра­щенного монокристаллического слитка кремния доживает до стадии полированной пластины, пригодной для изготовления МЭП. Весь ос­тальной кремний составляет отходы электронной промышленности. Однако надо учесть, что в дальнейшем, как и в процессе выполнения вышеприведенных операций, отбраковывается еще некоторая часть пластин по дефектам табл. 1.5, 1.7. Большинство их может пойти на производство СЭ, как и 60% от оставшейся части кремниевого слитка, поскольку требования к пластинам для СЭ много ниже (сравним табл. 1.6 с табл. 1.2-1.4).

В работе [15] приводится структура себестоимости монокристалла кремния по данным на 1975 г. (табл. 2.4). С достаточным основанием можно предполагать, что соотношения затрат до настоящего времени мало изменились (за исключением, возможно, возрастания доли затрат на энергию и топливо).

Больше половины себестоимости, как видно, составляет собствен­но исходный материал — n-Si (см. табл. 1.8).

При выполнении дальнейших операций (резка, шлифовка, поли­ровка и им сопутствующих) доля исходного для каждой последующей операции материала в структуре себестоимости пластин уменьшается, но все равно будет составлять значительную часть (не менее 30%, см. [16]). Брак на уровне полированной пластины уже совершенно разори­телен (см. табл. 2.5) [10].

Таким образом, использование отходов Si-пластин в производстве СЭ существенным образом "исправляет" экономичность микроэлек­тронного производства. В то же время потери кремния при резке, шли­фовке и полировке пластин для СЭ сказываются на цене последних самым пагубным образом (табл. 2.5) из-за высокой стоимости исходно­го монокристаллического материала (см. рис. 1.3).

При выращивании слитков мк-Si неизбежно образуются собствен­ные точечные дефекты кристаллической структуры:

— одиночные вакансии и междоузельные атомы, количество кото­рых определяется структурой и термодинамикой расплава и кристалла вблизи температуры кристаллизации Тщ. и градиентами температуры вблизи фронта кристаллизации;

—————————————————————————————————————— ч

— кластеры дефектов — скопления точечных дефектов, которые возникают при Тщ, с тенденцией к росту при охлаждении кристалла;

— дислокационные петли, возникающие по тем же причинам, но связанные также с термическими напряжениями в кристалле;

— свирлиевые дефекты в СЧ-Si со спиралевидной формой скоп­лений дефектов, определяемой вращением слитка в процессе роста.

К образованию точечных дефектов приводит также взаимодей­ствие кислорода и углерода с междоузельными атомами, металличес­кими и легирующими примесями. Концентрация кислорода и углерода в мк-Si технологии СЧ-Si составляет 1018-1017 см-3 [13] и на два поряд­ка превышает их содержание в мк-Si, полученном бестигельной зонной плавкой. Поэтому тнн в БЗП-Si на порядок выше, чем в СЧ-Si [30]. Не­которое улучшение электрофизических характеристик достигается при выращивании мк-Si способом Чохральского в магнитном поле (МСЧ). Содержание кислорода в МСЧ-Si может быть таким же низким, как и у БЗП-Si, однако результаты нестабильны. Концентрация кислорода и углерода в литом кремнии (л-Si) в среднем соответствует СЧ-Si. При этом у л-Si, выращенного способом Степанова [31], при содержании кислорода < 51017см~3 улучшается объемное х„н в результате пассива­ции некоторых дефектов или повышения эффективности водородной пассивации.

В л-Si и пк-Si, изготовленных различными способами, обнаружи­ваются дефекты разного типа: агломераты точечных дефектов, дисло­кации, планарные дефекты типа двойников и дефектов упаковки, большеугловые границы зерен и включения другой фазы. Обычно кремниевые ленты выращиваются с большой скоростью, получаются поликристаллическими и поэтому имеют двойники, а также относи­тельно высокую плотность дислокаций, которые сосредоточены вдоль двойниковых границ, макродефектов упаковки или микродвойниковых ламелей на поверхностях {110} ленты. Естественно, что электрическое влияние этих дефектов сильно зависит от наличия примесей [32].

В Si-материале и-типа дислокация оказывает акцепторное дейст­вие, а в материале р-типа — донорное. Так как дислокация — линейный дефект, то вдоль дислокационной линии будет существовать цепочка акцепторных или донорных центров соответственно. В результате во­круг дислокации происходит образование области пространственного заряда цилиндрической формы, т. е. возникает потенциальный барьер для НН. Исследования [32] показывают, что электрически активная граница состоит из тесно расположенных дислокаций, возможно деко­рированных примесями. Пересечение линейных дефектов усиливает их

электрическое влияние. В результате уменьшается т:н„ как следствие наличия в кристалле высокой плотности рекомбинационных центров. Электрически неактивные дефекты — границы двойников — не вносят заметных напряжений и потому не аккумулируют примеси.

Требование высокого т:нн предусматривает высокую чистоту ис­ходного материала и накладывает ограничение снизу на размеры зерен d. Зерна в поликристаллическом Si должны иметь d определенно больше, чем толщина пластины, желательно даже больше 1 мм (в соот­ветствии с расчетами работ [33-35]). Размер зерна, степень легирова­ния материала и толщина базы сильно влияют на кпд СЭ (рис. 1.6). В [36, 37] было показано, что наибольшую эффективность nK-Si/СЭ мож­но достичь, если иметь 8б ~ 25-40 мкм, ad> 200 мкм. Материал с очень малым размером зерна (порядка нескольких микрон), по данным [38], можно эффективно использовать для изготовления nK-Si/СЭ, но при этом 8б таких СЭ должна быть ~3 мкм. (Такие толщины 5б характерны для СЭ на a-Si:H и |XK-Si.)

Малые размеры зерна в поликристаллическом материале определя­ют большую площадь межзеренных границ (МЗГ). Мало — и большеугло­вые границы зерен являются, во-первых, крупными рекомбинационными областями для НН из-за большой плотности структурных дефектов, во — вторых, эффективными стоками примесей, в результате чего происходят обеднение, обогащение или инверсия, изменяющие электрические свой­ства материала (кремния) в приграничных объемах МЗГ (рис. 1.7).

При образовании //-областей (рис. 1.7, а) отрицательное влияние МЗГ уменьшается, так как //-область играет роль отражающего тыль­ного р+-слоя и увеличивает вероятность достижения носителями фрон-

Рис. 1.7. Влияние границ зерен.

Образование р+(и+)-областей при декорировании границ зерен акцепторными (а) и донорными (б) примесями.

тального собирающего перехода СЭ. В случае образования и+-областей (рис. 1.7, б) НН будут на них рекомбинировать, обусловливая умень­шение эффективности собирания и Г|сэ. Поскольку заранее нельзя ска­зать, какая примесь будет декорировать МЗГ, то надо уменьшать их поверхность, увеличивая размер зерен. При увеличении размера зерна эффективность собирания начинает определяться 1т в объеме зерен, тогда как при маленьких d доминирует рекомбинация на МЗГ [32].

Примеси оказывают электрическое влияние не только при взаимо­действии со структурными дефектами, но и непосредственно. На при­мере золота в работе [2] показано, что хнн линейно падает с ростом кон­центрации Аи. Влияние концентрации металлических примесей на кпд СЭ показано на рис. 1.8. (Список примесных элементов, образующих активные уровни в середине запрещенной зоны и обусловливающих

уменьшение Хщ, в кремнии, представлен также в приложении 3.) Пред­ставленные данные ясно показывают, что более высокое содержание допустимо для более легких примесей.

Между равновесным коэффициентом распределения примеси ко и примесным порогом деградации Nn СЭ существует определенная корреляция (рис. 1.9) [11). Допустимы более высокие концентрации тех примесей, к0 которых выше. Особенно опасны для кремния примеси Na, Си и Fe, поскольку они имеют высокие коэффициенты диффузии (рис. 1.10) [2]. Несоответствие рис. 1.8 и рис. 1.10 для меди связано с тем, вероятно, что Си присутствует здесь в виде силицидов, тогда как другие металлы остаются в твердом растворе [32], занимая позиции в узлах решетки. Медь в виде выделений практически не влияет на объ­емную диффузионную длину, тогда как их наличие в обедненной об­ласти р-п-перехода оказывает сильное влияние на напряжение холосто­го хода и коэффициент заполнения ВАХ.

В результате того, что при выращивании СЧ-Si и различных типов пк-Si широко используется графитовая оснастка (подложки, нагревате­ли, формообразователи, кристаллизаторы, фидеры и т. п.), особый инте­рес представляет примесь углерода. В основном углерод связан в час­тицы SiC. Сами они обычно электрически нейтральны, но образование вокруг них дефектных областей и примесного окружения переводит их в разряд электрически активных. Таким образом, общая примесная атмосфера влияет на электрическую активность углерода.

Примеси попадают в материал СЭ на различных стадиях его изго­товления, но особое влияние на качество материала оказывают дефекты или примеси, "вводимые" на стадии выращивания кристалла, так как обусловленный ими диапазон уменьшения тнн может быть достаточно велик. Высокие концентрации донорной или акцепторной примеси, вводимые при диффузионном легировании для получения Si п — или p-типа, также приводят к уменьшению 1т и т„н [2].

1.4.2. Способы улучшения свойств материала

Улучшение свойств кремниевых пластин может достигаться про­ведением термообработки с целью:

— снятия термических напряжений и соответствующего снижения концентрации кристаллографических дефектов;

— диффузионного внедрения специальных легирующих компонен­тов и ослабления электрической активности МЗГ.

В работе [39] установлено, что электрическая активность двой­никовых границ — основных дефектов структуры в кремниевых лен­тах (л-Si), — уменьшается в результате высокотемпературного отжига. Однако при этом ухудшаются рекомбинационные характеристики зе­рен — уменьшается хнн за счет легко диффундирующих с поверхности кристалла примесей: Au, Ag, Ni, Си, Fe и др. В то же время могут суще­ствовать некоторые оптимальные параметры отжига. В результате ис­следований [40] для пластин пк-Si (с размерами 30×60 мм2,6 = 400+500 мкм) получены следующие параметры:

— обработка в полирующем травителе СР-4А;

— температура отжига Тот = 200 °С;

— время отжига хопт = 3,5 ч;

— скорость охлаждения иопт « 8 °С/мин.

С другой стороны, при проведении отжига в атмосфере Ог+НС1 (когда металлические примеси с поверхности переходят в летучие хло­риды) наблюдается снижение хнн до некоторого минимума при -800 °С и затем возрастание до первоначального значения при -1200 °С [26, 29]. Однако высокотемпературный отжиг, по-видимому, все же не яв­ляется оптимальным способом увеличения эффективности nK-Si/СЭ и л-Бі/СЗ [39]. Более перспективными представляются способы нейтра­лизации примесей и дефектов и пассивации глубоких рекомбинацион­ных состояний с помощью введения атомарных Н-, Li-, Си-добавок, галогенндов, кислорода и других элементов (внешнее геттерирование) [26, 29, 39, 41]. Опробованы различные методы внешнего геттерирова — ния: поверхностными слоями Al, Si3N4, AI2O3, фосфоросиликатным стеклом, диффузионным высоколегированным п — или р — слоем, хлор­содержащей средой, механическими напряжениями. Геттерирование поверхностным нарушенным слоем не всегда годится для технологии СЭ, поскольку при этом возрастает скорость поверхностной рекомби­нации на обратной стороне пластины, что приводит к уменьшению эффективности собирания НН. Внешнее геттерирование может пред­шествовать высокотемпературному отжигу, сопутствовать ему или проводиться после него [32].

Методы внутреннего геттерирования кислородом основаны на об­разовании преципитатов SiC>2 в мк-Si при высокотемпературном отжиге в нейтральной среде (Аг). Преципитаты S1O2 геттерируют примеси и дефекты из приповерхностной области в середину объема, увеличивая Хщ, вблизи поверхности и уменьшая его в объеме [29]. Внутреннее гет — терирование достаточно эффективно только в тех случаях, когда рас­пределение дефектов не является случайным и расстояние между ними достаточно велико. В кристаллах с гомогенно распределенными дефек­тами и в лентах с очень маленькими зернами внутреннее геттерирова — ние не будет результативным. Действительно, примеси, "связанные" гомогенно распределенными дефектами, тоже будут иметь однородное распределение, в результате чего эффективность других методов гетте­рирования окажется ослабленной.

Ряды дислокаций и границы зерен в некоторых случаях способст­вуют увеличению времени жизни НН в расположенных между ними бездефектных областях. Эти дефекты являются стоками для примесей и играют роль внутренних геттеров. Важное требование в этом случае — достаточно большие зерна (бездефектные) или достаточно большое расстояние между дефектами (например, рядами дислокаций), необхо­димое в связи с тем, что диффузионная длина определяется содержани­ем примеси и плотностью дефектов во внутризеренных областях, а не МЗГ и дислокациями. Если размеры зерен будут достаточно велики, то наличие МЗГ не должно оказывать большого влияния на плотность тока короткого замыкания СЭ. Однако большая протяженность МЗГ в обедненной области собирающего /?-я-перехода может уменьшить на­пряжение холостого хода СЭ [32].

* * *

Таким образом, для наземной фотоэлектроэнергетики предпочти­тельнее получать пластины пк-Si или л-Si (по сравнению с пластинами мк-Si) с точки зрения как себестоимости самих пластин, солнечных элементов и батарей, так и себестоимости "солнечной" электроэнергии [42] (рис. 1.11). Солнечный элемент является электронным прибором, а поэтому на определенных стадиях его изготовления можно и целесооб­разно применять стандартное автоматизированное оборудование, ис­пользуемое на начальных этапах производства микроэлектронных при­боров (микросхем), где осуществляются операции с кремниевыми пла­стинами. В связи с этим ряд геометрических и механических парамет­ров поликристаллических кремниевых пластин для СЭ должен соответ­ствовать параметрам пластин мк-Si, используемых в микроэлектрони­ке.

Рис. 1.11. Структура себестоимости кремниевой ленты [42]. а — расчетная 1 м2 кремниевой ленты; б — 1м2 кремниевых подложек, получаемых тра­диционным методом. I — вытягивание штоком; II — непрерывное вытягивание ленты с ростовым циклом 24 ч; III — непрерывное вытягивание трех лент с циклом 48 ч. I — резка и химическая полировка; 2 — формообразователь; 3 — аргон; 4 — заработная плата и эксплуатационные расходы; 5 — поликристаллический кремний; 6 — тигель; 7 — электро­энергия.

В технологии производства пластин л-Si и пк-Si необходимо доби­ваться укрупнения зеренной структуры материала, причем л-Si и пк-Si должны выращиваться в технологических условиях, не ухудшающих чистоты исходного сырья (шихты). Целесообразно искать пути исполь­зования в качестве такого сырья металлургического кремния (без до­полнительной очистки) в массовом производстве пластин для наземных СЭ. В настоящее время выгоднее всего использовать в качестве сырья кремний "солнечного качества". Наиболее чистым, но зато и наиболее дорогим сырьем для производства литых поликристаллических крем­ниевых пластин являются высокочистые пк-Si стержни. Должен быть найден оптимум между чистотой используемого материала (а следова­тельно, кпд будущего СЭ) и его ценой (в основном ценой энергетичес­ких затрат). Поэтому желательно, чтобы процессы восстановления SiCh и очистки Si были "холодными".

Качество СЭ характеризуется кпд, отражающим эффективность преобразования энергии солнечного излучения в электрическую. В конкретных условиях на поверхности Земли

Лсэ =рсэ/л(АМ1, (р),

где рсэ — мощность СЭ с единицы площади; рс — мощность солнечного излучения, приходящего под углом ср на лучевую поверхность СЭ на поверхности Земли в условиях AM — "атмосферной массы", погло­щающей первичное излучение Солнца. Величина рсэ в значительной мере зависит от чистоты и структурного совершенства используемого материала, а также — от рс. Электрофизические параметры, в первую очередь, время жизни или диффузионная длина неосновных носителей заряда, существенно зависят от качества материала.

Структурное совершенство мк-Si достигается на последней стадии получения материала — выращивания монокристалла для МЭП-техно — логий или поликристалла для СЭ-технологии. Необходимая степень чистоты мк-Si и пк-Si получается в результате отмеченных предвари­тельных металлургических операций (см. рис. 1.2) и минимизации по­тока примесей из конструкционных материалов и защитных атмосфер в конкретной ростовой установке.

Для того, чтобы поглотить 90% мощности солнечного излучения в условиях АМО (вне атмосферы Земли) или 93% его в условиях АМ1 (на поверхности Земли [28]), слой бездефектного кремния должен иметь толщину 890% ~ 350 мкм [26]. Это значение достаточно хорошо соответ­ствует толщине пластин, используемых в производстве МЭП (см. табл. 1.1). Но оно значительно выше /нн — длины свободного пробега неос­новных носителей заряда, которая определяется процессами рекомби­нации НН на дефектах мк-Si, в результате чего достижимый Г]СЭ(АМ1) снижается более чем в 3 раза (табл. 1.11) [29].

Толщины активных и пассивных слоев СЭ обычно менее 1 мкм (см. рис. 1.1), так что толщина пластинчатого СЭ определяется в ос­новном толщиной базы. В связи с этим, начиная с определенного уров­ня, 6СЭ незначительно влияет на кпд (табл. 1.11), поэтому выбор толщи­ны пластин происходит исходя из структурных критериев (достижи­мого размера зерна) и требований технологии операций с пластина­ми [2].

w Последнее определяет желательность увеличения толщины пла­стин для СЭ, но это еще в большей мере повышает требования к значе­ниям тнн и /нн. Соответственно, технология исходного материала и са­мих СЭ должна быть направлена на то, чтобы обеспечивать уменьше­ние количества структурных дефектов и примесей. (Зависимость кпд СЭ от вышеуказанных параметров приведена на рис. 1.5.)

Как уже было отмечено (см. разд. 1.1), солнечный элемент является электронным полупроводниковым прибором, поэтому для его произ­водства может быть использован кремний:

— специально изготавливаемый для нужд микроэлектроники и си­ловой электроники;

— с разных стадий его производства (очистки и др.), поскольку граница предельного содержания примесей в материале для СЭ лежит иа 2-4 порядка ниже, чем для основной массы МЭП (рис. 1.2) [2, 11];

— пластины и слитки мк-Si обычной высокой чистоты, забракован­ные по каким-либо признакам в микроэлектронике.

Традиционное производство

Производство кремния для нужд микроэлектроники можно подраз­делить на несколько последовательных этапов (см. рис. 1.2):

1) добыча чистого кварца;

2) выплавка металлургического (технического) кремния (м-Si);

3) получение и очистка кремнийсодержащих газов (силанов);

4) производство высокочистых поликристаллических стержней (n-Si);

5) выращивание монокристаллических слитков (мк-Si).

Стержни n-Si производятся в основном из трихлорсилана высокой

чистоты (рис. 1.2). Существуют технологии его получения из тетра — хлорсилана и моносилана[12, 14].

Слитки-заготовки монокристаллического кремния (мк-Si) произво­дятся большей частью (-85%) по способу Чохральского (СЧ-Si) [14]. Исходным материалом (шихтой) для этого процесса служат:

1) мерные куски поликристаллического кремния высокой чистоты (n-Si, табл. 1.8), получаемые из стержней n-Si, изготавливаемых по ГОСТу или ТУ;

2) оборотный кремний, т. е. остатки, образующиеся после вырезки марочного монокристалла из слитков СЧ-Si и БЗП-Si (в оборот входят отрезки шеек после калибровки, обломки после растрескивания пла­стин и т. п.);

3) легирующие присадки: соединения бора, фосфора, сурьмы и т. д. в виде сплавов с кремнием (с чистотой лучше 10’4-10-7%) [14].

Во всех компонентах шихты должно быть достаточно точно из­вестно содержание примесей и легирующих элементов. (Размеры мер­ных кусков поликремния пк-Si для загрузки в ростовые установки мо­нокристаллов СЧ-Si также представлены в табл. 1.8-1.10.)

Диаметры пластин по стандарту СЭВ 4281-83 (см. табл. 1.1) прак­тически соответствуют номинальным диаметрам слитков монокристал — лического кремния по ГОСТ 19658-81 "Кремний монокристаллический в слитках. Технические условия". Ряд номинальных диаметров состав­ляет 60, 76, 100, 125, 150 мм с допуском ±0,5 мм. Эти цифры относятся к калиброванным слиткам, уже обработанным механически путем со — шлифовки наружной поверхности исходных слитков-заготовок мк-Si и отрезания их концов [12]. Специально могут быть изготовлены слитки с допуском на диаметр ±0,1 мм; длина таких слитков не регламентиру­ется. В зарубежной литературе как обычный указывается допуск на диаметр ±0,05 мм [9,13].

На всех этапах производства кремния высокой (полупровод­никовой) чистоты чрезвычайно важны обеспечение технологической чистоты процессов и оборудования и контроль химического состава продуктов [12,14, 15].

На методы определения химсостава кремния и некоторых сопут­ствующих материалов разработаны специальные стандарты: ГОСТы 26239.0-84, 19014.0-73, 24392-80 и др. Однако качество монокристал­лических слитков СЧ-Si определяется как химическим составом ших­ты, применяемых материалов и атмосферы ростовых установок, так и параметрами процессов выращивания:

— температурным полем и его флуктуациями в расплаве, в расту­щем и остывающем кристалле, зависящими от параметров ростовой установки и размеров слитка;

— конвекционными потоками в тигле и соответствующим полем концентраций;

— скоростью выращивания;

— способом и характеристиками управления технологическим про­цессом.

На характер распределения примесей влияет также кристаллографи­ческое направление вытягивания слитка.

Кремний техни­ческий чистый [14], вес. %

Высокочистый

99,9999

Для кремнийорганических соединений В, Р <110"5;

Ni, Cr, Си, Pb, Sn, Mn, Mg <510-7;

Са, Ті <510"5;

Fe <1,5-10′

А1 <510^

Марка ТХС

Трихлорсилан (ТХС) (основной промежуточный продукт техноло­гии MK-Si)

[12,14,16], ет. %

В

Р

1пр(Ме + С) As Х„Р(СНГ)

Длина стержня (/) 45 см, остальных 1м. Диаметр стержня (0) 3-17 см. Диаметр стержня (0) 2,5-4,5 см.

Т аблица 1.10

Марки и размеры стержней n-Si

На этапе получения n-Si стержней начинается контроль УЭС кремния и типа проводимости, определяющих пригодность материала для создания конкретных МЭП. Для производства СЭ в большинстве случаев используются слитки Si p-типа, причем их УЭС играет менее существенную роль, чем для МЭП. Ввиду этого для СЭ может приме­няться кремний, при получении которого исключаются очень дорого­стоящие операции хлорирования м-Si, дистилляционной очистки сила — нов и их термического разложения до n-Si.

Имеющиеся данные показывают, что для производства СЭ может быть использован и металлургический кремний как с дополнительной очисткой (ом-Si [14, 17, 18]), так и без нее [19].

1. В [18] были применены следующие стадии дополнительной очистки (экстракции) металлургического кремния м-Si: 1) жидкожид­костная через поверхность расплава Si; 2) твердожидкостная; 3) жидко­газовая.

На первой стадии осуществляется очистка расплавленного крем­ния флюсами на основе силикатов щелочноземельных металлов. Имен­но здесь происходит основная очистка от излишнего бора. Продукт этого процесса — чистый кремний марки Pl-Si (который также соответ­ствует квалификации слитков ом-Si, получаемого направленной кри­сталлизацией из M-Si [17]).

На второй стадии кристаллический Pl-Si измельчается в тонкий порошок, который затем подвергается кислотному выщелачиванию в растворе HF+HC1 [20]. При этом происходит основная очистка м-Si от металлических примесей. В результате получается высокочистый кремний марки HPl-Si (рис. 1.3, 5).

Третья стадия — удаление летучих оксидов и силикатов из расплава HPl-Si в высоком вакууме или атмосфере инертного газа. В резуль­тате получается высокочистый кремний марки HP2-Si (рис. 1.3, 3, 4).

Этот сырьевой кремний используется далее для отливки крупных поли — кристаллических блоков [18, 21-23], из которых затем вырезаются квадратные пластины для производства nK-Si/СЭ.

2. Другой пример очистки металлургического кремния для полу­чения материала, пригодного для создания СЭ, — пятистадийная очист­ка [24], включающая: 1) направленную кристаллизацию с высоким градиентом температуры для удаления основной доли алюминия;

2) плавку в вакууме в графитовом тигле при 1770 К для очистки от фосфора; 3) обработку поверхности расплава аргоновой плазмой, со­держащей водяной пар, для удаления основной доли бора; 4) фильтра­цию для удаления частиц карбида кремния и окисление углерода вве­дением диоксида кремния; 5) направленную кристаллизацию для уда­ления других примесей.

3. Для снижения энергозатрат в [25] рассмотрена схема доочистки кремния марки КрЗ, включающая следующие основные этапы: 1) очи­стка шлаком и зонная перекристаллизация в процессе электрошлаково — го переплава (ЭШП), позволяющие провести очистку по бору (ЭШП дает возможность объединить две высокотемпературные операции с жидким кремнием); 2) кислотное выщелачивание кремниевого порош­ка с целью основного удаления примесей переходных металлов (а так­же снижения требований к изначальной чистоте шлака); 3) переплав с направленной кристаллизацией в инертной атмосфере при высоком градиенте температуры, позволяющий очистить кремний от остаточной примеси алюминия и других металлов, удалить летучие оксиды и полу­чить слиток нужной формы.

Основная проблема ЭШП кремния — его низкая плотность, близкая к плотности шлака Поэтому был предложен состав шлака на основе оксидов элементов первых четырех групп Периодической системы Д. И. Менделеева, обладающий более низкими значениями плотности, вязко­сти и температуры плавления, чем у кремния.

Кремний, получаемый такими способами, обычно имеет р-тип проводимости. Вообще для производства СЭ в большинстве случаев используется /?-Si [26]. Это связано с тем, что k0 — равновесный коэф­фициент распределения В в кремнии — очень близок к 1, тогда как ko для Р на 1-2 порядка ниже, не говоря уже о для As, Sb, Bi (см. при­ложение 3). Соответственно в такое же количество раз меньше и кон­центрация доноров. (Очистка от бора — одна из самых дорогостоящих операций очистки. При производстве мк-Si для микроэлектроники за­данный уровень чистоты по донорам достигается после одного прохода расплавленной зоны при БЗП контрольного стержня n-Si, а по бору — после шести-восьми проходов [14-16].)

Данные разных авторов по /г0 несколько различаются (см. прило­жение 3). Экспериментальные значения ко зависят от температуры, способа проведения технологического процесса или эксперимента, так как при кристаллизации могут возникать метастабильные состояния вещества и неравновесные с большим временем релаксации. Поэтому в справочниках обычно приводятся "эффективные" коэффициенты рас­пределения &,фф, не всегда отражающие реальную ситуацию и не по­зволяющие достаточно точно оценить концентрации примесей в слит­ках и пластинах мк-Si. Эффективный коэффициент распределения примеси &эфф сильно зависит от скорости роста кристалла vK и стремит­ся к 1 при ее росте (рис. 1.4) [27]. Значение &эфф стремится к 1 также при отсутствии конвекции, что имеет место в узких каналах (применяемых в некоторых способах выращивания лент, см. далее). Поэтому при выращивании листового или ленточного кремния разли­чия в &эфф для разных элементов не существенны, а имеет значение чистота исходного сырья и конструкционных материалов. Различия в допустимых концентрациях примесей в значительной мере связаны с применяемой технологией изготовления СЭ.

Оборудование, применяемое на определенных стадиях производ­ства СЭ, приспособлено для операций над пластинами, применяемыми при изготовлении МЭП, а следовательно, отвечает очень жестким тре­бованиям. Некоторые из этих требований к геометрическим характерис­тикам и качеству поверхности Si-пластин для МЭП представлены ниже. По ряду параметров требования к пластинам для СЭ могут быть слегка заниженными, поскольку после превращения в СЭ такая пластина бу­дет представлять собой цельный прибор (очень большой по меркам микроэлектроники), что допускает больший разброс электрических характеристик по поверхности пластины.

Производство кремниевых СЭ, рекламируемое в [4, 8], основано на применении пластин мк-Si, которые по каким-то причинам оказа­лись не пригодными для производства МЭП. На этом же основана и значительная часть зарубежного производства MK-Si/СЭ. Используются и забракованные на каком-то этапе технологии МЭП пластины кремния.

В зарубежной практике они составляли 10-20% от количества произ­водимых [9]; из них более половины могут быть регенерированы путем удаления с их поверхности диффузионных, эпитаксиальных и оксид­ных слоев (травление, шлифовка, полировка и термообработка). После регенерации пластины становятся пригодными для изготовления СЭ. Применяются и пригодные для МЭП пластины, как специально, так и ввиду отсутствия нормального сбыта.

Основные размеры пригодных для МЭП пластин должны регули­роваться в России стандартом СЭВ 4281-83 "Пластины кремниевые… Размеры…" (табл. 1.1). Определенные габариты — одна из основ налад­ки и работы автоматизированных производств. Как видно, стандартные пластины — круглые (в обиходе называются "шайбами"); для СМ это обстоятельство считается недостатком из-за уменьшения полезной пло­щади и мощности.

У круглых пластин для микроэлектронной техники имеются срезы в виде сегментов, остающиеся от базового и дополнительного срезов монокристалла, создаваемых для ориентации подложки и идентифика­ции типа проводимости [9]. (Это еще уменьшает полезную площадь СМ.) Стандартные пластины для микроэлектроники имеют обработан­ную кромку с фасками определенного профиля. Наличие определенных фасок — тоже одно из требований работоспособности автоматизирован­ного оборудования.

Зарубежные стандарты (табл. 1.2-1.4) в основном указывают на большие диаметры пластин (100 мм и более [9, 10]). Для производства СЭ пластины диаметром более 200 мм, по-видимому, не применя­ются [9].

Сравнение табл. 1.2 с табл. 1.3 и 1,.4 показывает, что требования фирм к качеству изделия зачастую более высокие, чем требования стандартов.

В микроэлектронной технике необходимо контролировать еще несколько геометрических параметров пластин, от которых зависит качество изготовления МЭП.

Их перечень в соответствии с американским стандартом SEMI представлен в табл. 1.5. Большая часть из них, безусловно, существенна и для производства СЭ на автоматизированном оборудовании, где тре­буется строгая фиксация положения пластины в ходе технологических операций и при перемещении между ними.

Т аблица 1.5

Геометрические параметры круглых полупроводниковых пластин по американскому стандарту SEMI [9]

Параметр

Толщина

Расстояние между верхней и нижней поверхностями пластины по пер­пендикуляру к касательной плоско­сти в точке измерения. Если точка измерения расположена в центре пластины, эту величину называют фактической толщиной

Изменение толщины

Измеряется толщина в центре и четырех точках по окружности. Определяется наибольшая разность толщин в измеряемых точках

Полное изменение толщины Разность между максимальным и ми­нимальным значениями толщины, из­меряемыми при непрерывном скани­ровании по поверхности пластины. Пластина прижата вакуумом к по­верхности стола (п. п. 3-6, 8-10)

Нелинейное изменение толщины

Расстояние между выступом и впа­диной относительно средней плос­кости пластины

Локальное-отклоиеиие толщины

Изменение толщины в точке изме­рения в пределах линейного размера измерительного зонда. Толщина из­меряется по всей поверхности плас­тины. Пластина прижата к поверх­ности стола

Локальный наклон Максимальный наклон измеряемой поверхности прижатой пластины относительно фокальной плоскости при выровненной обратной стороне

Параллельность

Максимальное и минимальное от­клонения толщины от фактического значения

Неплоскостность (пик — седловина)

Расстояние от наивысшей до самой низшей точки поверхности пласти­ны при прижатой к эталонной плос­кости обратной стороне пластины

Фокальная плоскостность (итоговая)

Расстояние между наивысшей и са­мой низкой точками на поверхнос­ти относительно фокальной плос­кости в установках проекционной фотолитографии

Отклонение от фокальной плоскости

Максимальное отклонение от фо­кальной или эталонной плоскости при выровненной обратной стороне, совпадающей с эталонной плоско­стью

Прогиб

Максимальное отклонение централь­ной точки поверхности пластины вверх или вниз относительно эта­лонной плоскости. Пластина в сво­бодном состоянии

Коробление

Половина расстояния между самой высокой и самой низкой точками пластины (относительно средней ли­нии)

В технологии солнечных элементов используются менее жесткие, чем в табл. 1.5, требования к геометрическим размерам монокристал­лических кремниевых пластин [9], в частности по прогибу, клиновид — ности и толщине. Это позволяет уменьшить сложность процесса кон­троля (табл. 1.6).

Таблица 1.6

Требования к размерам круглых пластин для солнечных элементов по стандарту SEMI

У пластин для СЭ (но не более чем у 4%) допускается также неко­торая дефектность поверхности: следы от пилы глубиной до 20 мкм, краевые сколы длиной до 1 мм и др. Трещины на поверхности не до­пускаются [9].

К поверхности пластин для микроэлектронных приборов и инте­гральных схем предъявляются гораздо более жесткие требования [9, 10] (табл. 1.7). Вид дефектов загрязнения может включать "водяные" пятна, инородные включения, отпечатки пальцев, осадки травителей и промы — вателей и др. От множества дефектов такого рода можно "избавиться" только при использовании безлюдной автоматизированной технологии, в "чистых" комнатах, дри тщательной очистке технологических газов, жидкостей и оборудования и при постоянном пооперационном контро­ле технологии. Контроль подложек для микроэлектронной техники — весьма дорогостоящая задача [10].

Нерабочая сторона пластин для МЭП не должна иметь загрязнений, следов от пилы глубиной более 5 мкм, сколов по краям и трещин. Ино­гда допускается шероховатость травленой поверхности ~20 мкм на длине 25 мм с глубиной наружного слоя 8-9 мкм.

Солнечный элемент представляет собой полупроводниковый фо­тоэлектрический преобразователь (рис. 1.1). Он отличается от типично­го микроэлектронного прибора только тем, что имеет большую пло­щадь /7-и-переходов, простирающуюся по всей поверхности пластины [2, 3]. Поскольку СЭ — электронный прибор, то многие проблемы, свя­занные с его производством, аналогичны общим вопросам изготовле­ния микроэлектронных приборов (МЭП), начиная с производства сырья и оборудования.

В основе фотоэлектрического эффекта лежит процесс поглощения света в объеме полупроводника (в базовой области 5, см. рис. 1.1), при котором рассеиваемый фотон рождает электронно-дырочную пару. Электродвижущая сила (ЭДС), возникающая за счет разности коэффи­циентов диффузии носителей заряда — электронов и дырок, в однород­ном полупроводнике обычно очень мала. Значительную ЭДС при

поглощении света получают в неоднородном полупроводнике, в кото­ром обеспечивается пространственное разделение носителей заряда разного знака (электронов (-) и дырок (+)) за счет встроенного элект­рического поля, создаваемого конструкционно на основе ^-«-переходов (3 и 5 на рис. 1.1, а и 11 и 5 на рис. 1.1, б). Области р-проводимости (дырочной) и «-проводимости (электронной) получают за счет диффу­зионного легирования основного вещества (Si) акцепторами (В, А1) и донорами электронов (Р, As, Sb) соответственно. Разница работ выхода носителей заряда на ^-«-переходе образует потенциальный барьер для основных носителей (равновесных носителей заряда в базовом мате­риале, т. е. дырок в базе р-‘типа). Для работы СЭ основную роль играют неосновные носители заряда (НН), т. е. неравновесные носители, появ­ляющиеся в результате поглощения фотонов. Неосновные носители, проходя через ^-«-переход, ускоряются и создают фототок, отвод кото­рого обеспечивают контакты (1, 7, 8, 9 на рис. 1.1, а и 7, 14 на рис. 1.1,6). Величина фототока в значительной мере зависит от времени жизни тнн (или от "диффузионной длины" /нн) неосновных носителей.

В настоящее время уже предложено большое число конструкций солнечных элементов как на основе кремния, так и с использованием других полупроводниковых материалов [2, 3]. Различия конструкций во многом обусловлены стремлением повышения кпд за счет применения эффективных оптических систем светособирания и светопоглощения [2]. Но конструкции на базе плоской поверхности пластин тоже суще­ствуют благодаря относительной простоте технологии [2, 4]. На рис.

1.1, а показана одна из простейших конструкций солнечного элемента, созданного на пластине кремния [2].

Элемент, изображенный на рис. 1.1, б, имеет лучшие характерис­тики светопоглощения, чем элемент на рис. 1.1, а, и соответственно более заполненную вольтамперную характеристику (ВАХ) и больший кпд, а также — большую площадь р-и-перехода, что обеспечивает менее крутой наклон ВАХ в рабочей области.

Основная технологическая цепочка производства СЭ на пластинах кремния включает следующие этапы [2]:

1) обезжиривание и очистка пластин (начальные и промежуточ­ные);

2) полировка пластин;

3) травление для создания текстурированной поверхности (см., рис. 1.1, 6)

4) газодиффузное внедрение фосфора для создания и-слоя на обеих сторонах пластины кремния;

5) травление для удаления стеклообразного слоя диффузанта;

6) осаждение (напыление) слоя алюминия на тыльную поверхность

СЭ в вакууме;

7) термодиффузионная обработка для создания p-слоя на тыльной стороне путем проведения диффузии А1 через «-слой при -800 °С;

8) маскирование для создания рисунка токосъемной сетки на све­товой стороне с помощью фотолитографии или теневой маски;

9) осаждение токосъемных слоев (в частности, из Ni, Ті, Pd или Ag) на световую и тыльную поверхности;

10) удаление маски (стравливание);

11) отжиг токосъемных слоев при -550 °С;

12) погружение в расплавленный припой для создания под соеди­нительных контактов;

13) осаждение просветляющего покрытия из Та205 (или др.) и по­следующее его впекание при 450 °С;

14) резка на прямоугольники (при необходимости) и обработка торцов для удаления диффузионных закороток;

15) контроль качества — определение кпд и сортировка.

Цепочка 2-14 обычно содержит еще промежуточные этапы очистки, сушки и контроля параметров. Если для улучшения светособирания фронтальная поверхность элемента делается текстурированной — с ка­навками, бороздками и т. п. (рис. 1.1, б), то между этапами 2-4 сущест­вует еще специальная операция образования поверхности сложной формы — вытравливание, лазерное или механическое скрайбирование [5,6].

Как видно из изложенного, производство солнечных элементов очень сходно с отдельными этапами изготовления МЭП [7], поэтому на многих его стадиях может применяться оборудование, предназначен­ное для изготовления МЭП. Это предполагает наличие очень близких требований к исходным материалам (кремниевым пластинам), издели­ям промежуточных этапов и оборудованию.

Задача создания технологий получения пластин кремния, исклю­чающих выращивание монокристаллических слитков и их резание, бы­ла поставлена давно, задолго до программы [26, 27]. В России начало было положено в 50-х годах заявлением технологии вытягивания полу­проводниковых пластин из расплава по методу А. В. Степанова, совер­шенствование которого продолжается и до настоящего времени [94]. Очевидно, что прямое получение кремниевых лент, листов и пластин из расплава является ресурсосберегающей технологией высокого уровня. Как отмечалось выше, до появления технологии a-Si/СЭ литье кремние­вых лент рассматривалось как единственная сырьевая альтернатива для создания солнечной фотоэлектроэнергетики массового наземного приме­нения. Позднее выявились и другие достоинства литых пластин л-Si.

В частности, как видно на рис. 3, наименьший разрыв между лабора­торным и коммерческим кпд наблюдается у nK-Si/СЭ и л-Зі/СЗ. При этом коммерческий кпд nK-Si/СЭ вплотную приближается к кпд MK-Si/СЭ. (Достижение кпд -20% у nK-Si/СЭ будет возможно только у тонких (-30 мкм) пленок или пластин в специальных конструкциях СЭ [49, 95-96].) Коммерческий кпд СЭ на основе поликристаллического л-Si колеблется от 5 до 13% в зависимости от способа его получения (что обсуждается далее) и чистоты использовавшегося сырья (отходы моно­кремния и поликремния "полупроводникового" качества, c-Si, ом-Si).

Ресурсосбережение, достаточно высокая эффективность конечных изделий (л-8і/СЗ) и практическая "всеядность" к сырью у технологий получения кремниевых лент, листов и пластин непосредственно из рас­плава кремния поставили их в свое время наравне с двумя другими (a-Si/СЭ, MK-Si/СЭ) в мировом производстве солнечных элементов (см. рис. 2). В принципе, непрерывными методами можно получать и пластины монокристаллического бездислокационного кремния, однако при этом резко снижается производительность и, как результат, не про­исходит существенного выигрыша в стоимости материала. В то же время производительность непрерывных способов получения поликри­сталлического л-Si является значительно более высокой, хотя и имеет ограничения. Для реализации масштабных программ (подобных [26]) требуется много "машин непрерывного получения кремниевых лент", а для реализации рекомендаций МИРЭС для СНГ или отечественных программ ([97] и др.) — только единицы типа [94].

Как отмечалось, нынешняя ситуация в России все еще отличается практически полным отсутствием отечественного производства исход­ных материалов для солнечной фотоэлектроэнергетики как по моно­кремнию для MK-Si/СЭ, так и по высокочистому силану SiH,}, необхо­димому для a-Si:H/C3. В то же время многие уже опробованные техно­логии непрерывного получения кремниевых лент и пластин непосред­ственно из расплава [55, 94], естественно, позволяют использовать в качестве сырья не только "полупроводниковый" и "солнечный", но и обогащенный металлургический кремний, включая отходы, и просто технический металлургический кремний, производство которого суще­ствует в России и, вероятно, не упадет до нуля. Некоторый опыт ис­пользования обогащенного металлургического кремния в солнечных элементах уже имеется. Поэтому может оказаться, что применение ка­ких-то относительно простых металлургических способов доочистки технического кремния [98] и литейных способов получения кремние­

вых пластин [55, 94] позволит организовать новые производства срав­нительно эффективных и дешевых солнечных элементов задолго до организации новых производств высокочистых поликремния, моно­кремния и силана.

Обе исходные проблемы (ресурсная и технологическая) сущест­венно важны для развития отечественной фотоэлектроэнергетики. В ведущих зарубежных странах успешно развиваются работы обоих на­правлений [8, 24, 55, 56]; в России — гораздо слабее [7,18,39].

От решения указанных проблем многое зависит не только в элек­троэнергетике. Главная цель дальнейшей (технологической) части об­зора — информационная подготовка совершенствования существующе­го оборудования и новых отечественных разработок для создания соот­ветствующих производств не только тонких лент кремния, но также и металлических материалов уникального структурного качества, кон­центрированное изложение достижений и опыта многих разработчиков. В первом обзоре, посвященном проблемам непрерывного получения кремниевых лент и пластин [55], главным образом содержатся краткие описания методов формщювания лент. Этого мало для разработчиков технических схем и конструкций. Очень часто бывает важно иметь де­тальные данные о "вспомогательных" узлах установок, которые не от­ражаются ни в статьях, ни в патентах, являясь информацией "ноу-хау" или коммерческой тайной. В новых работах важно ресурсосбережение во всех смыслах, в том числе — экономия времени и интеллектуальных ресурсов при поиске нужной информации.

Лучшие электрофизические характеристики поликристаллического кремния по сравнению с аморфным стимулируют развитие тонкопле­ночных технологий получения nK-Si/СЭ. Пленки осаждаемого поли­кристаллического кремния имеют размер зерен от 1 до 50 нм, и такой кремний носит название микрокристаллического (|XK-Si) [93]. Разработ­ка |xfc-Si/C3 — одно из современных перспективных направлений в кон­струировании солнечных элементов. Уже в настоящее время на тонко­пленочных каскадных гетероструктурах с использованием слоев на ос­нове a-Si и цк-Si удается получить кпд СЭ до 21% [100]. Кристалличес­кий кремний (моно — и поли-) пока занимает определяющее место в производстве солнечных элементов. Однако темпы развития тонко­пленочных технологий позволяют предсказывать им большое буду­щее [101] (рис. 4). Характерным здесь является то, что основное

производство будет использовать "новые" тонкопленочные техноло­гии. К ним сейчас следует отнести гибридные каскадные структуры с использованием a-Si и (Хк-Si слоев. Однако необходимо отметить, что подобные прогнозы слишком оптимистичны. Например, NREL (National Renewable Energy Laboratory — Национальная лаборатория США по во­зобновляемой энергии) [102] в 1994-1995 гг. представила прогноз раз­вития производства фотоэлектрических-систем (рис. 5). Сравнение с данными 1997 г. (рис. 4) показывает, что он оказался выше реальных цифр в 3 раза!