Заключение
Неуклонный рост интереса к солнечной энергетике в последние годы наблюдается во всём мире и в России в частности. Поддержание тенденции удешевления солнечной энергетики и увеличения её мощностей уменьшает риск теплового и экологического загрязнения планеты. Этому способствует применение новых технологий, материалов и конструкционных решений СЭ. Хотя сегодня ее доля в мировом энергобалансе менее одного процента, однако, эксперты дают прогноз, что к 2050 году она составит не менее 27 процентов. Основным материалом для изготовления солнечных элементов в настоящее время продолжает оставаться кристаллический кремний. Наименее затратным является развитие кремниевой и совместимой с ней солнечной энергетики. Поскольку кремниевая технология является частью мощной отрасли современной мировой экономики целесообразно максимально использовать её потенциал.
Использование в конструкции кремниевых фотовольтаческих приборов новых экологически чистых и дешёвых материалов является одним из путей удешевления вырабатываемой в СЭ электроэнергии.
Карбиды и нитриды кремния применяются в электронных приборах в качестве пассивирующих слоёв. Электрическая пассивация заключается в уменьшении поверхностной рекомбинации носителей заряда в кремниевых пластинах или пленках. Наличие в нитриде и карбиде кремния большого количества ловушек приводит к резкому уменьшению на поверхности поглощающего слоя количества одного из двух типов носителей заряда и снижению вероятности их рекомбинации, что способствует увеличению разности потенциалов в приборах генерирующих фото или термоэдс. В многослойных гетероструктурах солнечных элементов карбиды и нитриды кремния часто используются в качестве антирефлекторных слоёв и в качестве защиты от механических и химических повреждений.
На основании анализа научной литературы посвящённой методам нанесения тонких плёнок карбида и нитрида кремния был выбран вч-магнетронный нереактивный метод нанесения плёнок. Другие методы, такие как молекулярно лучевая эпитаксия даёт хорошие результаты, но является дорогим методом и для широкого производства дешёвых солнечных элементов, а следовательно дешёвой электроэнергии не подходит. Более дешёвые CVD технологии (Chemicalvapor deposition - химическое парофазное осаждение), а именно - химическое парофазное осаждение с горячей нитью HWCVD/HFCVD (Hot wire chemical vapor deposition/hot filament CVD), также известное как каталитический Cat-CVD (Catalitic chemical vapor deposition) [109]. Известны работы по получению однопереходная фотовольтаической структуры на основе микрокристаллической гидрогенизированной пленки 3C-SiC:H, полученной методом химического осаждения с горячей нитью (HWCVD). Эффективность данной структуры составила 14.2%. Недостатком является сложная технология получения и значительная толщина пленки карбида кремния.
Таким образом, в настоящей диссертационной работе были решены следующие задачи; использована и усовершенствована технология вч-магнетронная нереактивная технология нанесения наноразмерных плёнок карбида и нитрида кремния на монокристаллические подложки кремния p-Si(100); создание гетероструктур однопереходных солнечных элементов на основе SiC и Si3N4; исследование свойств тонких плёнок SiC и Si3N4 и фотовольтаических структур на их основе.
К основным результатам полученным в настоящей диссертации следует отнести следующие:
1) впервые методом вч-магнетронного нереактивного напыления получен однопереходный солнечный элемент Cu(Ag)/SiC/p-Si(100)/Cu(Ag) на основе наноразмерных плёнок SiC.
2) впервые на основании исследования спектральных характеристик и фотовольтаических свойств гетероструктуры однопереходного солнечного элемента Cu(Ag)/SiC/p-Si(100)/Cu(Ag), в том числе на солнечном имитаторе по методике АМ 1.5 установлено, что вся область пространственного заряда расположена в Si. Высота барьера на границе Si / SiC, оцененная по темновым измерениям ВАХ, составила порядка 0.9-1.0 эВ, преобразование солнечной энергии составило 7.22%.
3) впервые на основании исследования фазового состава, морфологии поверхности плёнок SiC, и поперечного сечения гетероструктуры Cu(Ag)/SiC/p-Si(100)/Cu(Ag) методами атомносиловой и электронной микроскопии, рамановской спектроскопии установлено, что тонкие пленки SiC состоят преимущественно из аморфных островков с нанокристаллическими включениями, а средний квадрат шероховатости плёнки, Sq, увеличивается от 0.3 нм до 9 нм, когда толщина пленки SiC увеличивается c 2 нм до 56 нм соответственно;
4) Впервые получена методом вч-магнетронного напыления из твердофазной мишени гетероструктура солнечного элемента Cu(Ag)/Si3N4/p-Si(100)/Cu(Ag) на основе наноразмерных плёнок Si3N4 и оформлен патент на изобретение РФ;
5) Расширен диапазона нагрева подложек в диапазоне температур, ТS = 40 - 800ºС с целью более гибкого управления процессом получения плёнок карбида и нитрида кремния с различным размером зерна, проведена модернизацию установки УкрРосприбор ВН-2000 и разработана приставка для оптического нагрева подложки и получен патент на изобретение РФ.
6) Проведены исследования фазового состава, морфологии поверхности плёнок Si3N4, и поперечного сечения гетероструктуры Cu(Ag)/Si3N4/p-Si(100)/Cu(Ag) методами атомносиловой, электронной микроскопи и рамановской спектроскопии. Установлено, что плёнка Si3N4 представляет собой смесь аморфного и микрокристаллического состояния (a +mс), расчёты межплоскостных расстояний, сделанные на основе электронной дифракции, показывают, что Si3N4 нанокристаллы принадлежат к кубической пространственной группе Fd-3m, а положение максимума на спектре комбинационного рассеяния соответствует соединению Si3N4, а форма спектра характерна для нано кристаллического состояния;
7) Проведены исследования, морфологии поверхности плёнок Si3N4 полученных методом вч-магнетронного напыления при температурах подложки ТS = 40, 300, 630, 750ºС. Установлено, что увеличение температуры подложки, ТS, с 40 до 800ºС позволяет увеличить относительную поверхность плёнки Si3N4 более чем на порядок.
8) впервые проведены исследования фотовольтаических свойств полученной методом вч-магнетронного напыления гетероструктуры однопереходного солнечного элемента Cu(Ag)/Si3N4/p-Si(100)/Cu(Ag), в том числе на солнечном имитаторе по методике АМ 1.5, высота барьера на границе Si / Si3N4, была оценена по темновым измерениям ВАХ в диапазоне температур 300-450 К, она варьировалась от 0.9 эВ до 1.0 эВ, нами был получен солнечный элемент типа металл-изолятор –полупровоник/ инверсный слой (MIS / IL) и вся зона пространственного заряда, где происходит поглощение света, генерируются и разделяются носители заряда, находится в Si. Преобразование солнечной энергии составило 7.41% ;
9) Был изучен способ получения наноразмерных плёнок карбида кремния с использованием магнетронного напыления углерода и карботермического восстановления диоксида кремния, получены наноразмерные плёнки и исследованы их свойства.
Таким образом, были проведены широкомасштабные исследования полученных вч-магнетронным методом наноразмерных плёнок карбида и нитрида кремния на большом количестве образцов тщательно отобранных и проконтролированных методами просвечивающей, сканирующей и атомносиловой микроскопии, рамановской спектроскопии. В результате проведённых исследований были впервые получены однопереходные солнечные элементы Cu(Ag)/Si3N4/p-Si(100)/Cu(Ag), Cu(Ag)/SiC/p-Si(100)/Cu(Ag) и по стандартной методике АМ 1.5 определены основные параметры, в том числе эффективность преобразования света в электроэнергию 7.41 и 7.22 %, соответственно.
В рамках диссертации были предложены пути повышения эффективности полученных фотовольтаических структур на основе карбида и нитрида кремния, например создание термофотовольтаических приборов на основе уникальных высокотемпературных свойствах этих материалов.
Таким образом, проведенные исследования, углубляют наши знания о путях применения экологически чистых материалов, карбида и нитрида кремния, в солнечной энергетике с использованием дешёвой технологии вч-магнетронного напыления.
