Новый низкотемпературный подход к формированию многопереходных солнечных элементов на основе интеграции соединений АIIIВV и кремния

по Соглашению от «16» октября 2015 № 14.616.21.0040 с Минобрнауки России

(уникальный идентификатор прикладных научных исследований: RFMEFI61615X0040)

1 этап

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 16 октября 2015 г. № 14.616.21.0040 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №1 в период с 16.10.2015 по 31.12.2015 выполнялись следующие работы:

По п. 1.1 "Аналитический обзор информационных источников" ПГ:

По п. 1.2 "Проведение патентных исследований по ГОСТ 15.011-96." ПГ:

Выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96 по направлениям: «Многопереходные солнечные элементы на основе интеграции соединений А3В5 и кремния», «Метод атомно-слоевого плазмохимического осаждения», «Методы исследования многопереходных солнечных элементов», «Пассивация кремниевых подложек», «Контактные и барьерные металлические слои на GaP».

Выбраны направления проводимых исследований на основании аналитического обзора литературы и патентных исследований.

По п. 1.3 "Разработка технологии осаждения нелегированных слоев GaP на подложках кремния методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения" ПГ:

Проведена адаптация установки плазмохимического осаждения Oxford Plasma lab 100 PECVD для реализации метода атомно-слоевого плазмохимического осаждения. Разработана технология осаждения нелегированных слоев GaP на подложках кремния методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения. Полученные гетероструктуры продемонстрировали перспективность их использования для создания фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения. Впервые с помощью технологии плазмохимического атомно-слоевого осаждения при температуре подложки 350 °С были выращены нелегированные слои GaP на Si подложке.

По п. 1.4 "Разработка промежуточного отчета о проведении исследований (выполнения проекта)" ПГ:

Подготовлен промежуточный отчет о ПНИ "Новый низкотемпературный подход к формированию многопереходных солнечных элементов на основе интеграции соединений AIIIBV и кремния" по теме: «Выбор направления исследований» (этап 1)

Иностранным партнером выполнялись следующие работы:

По п. 1.5 "Разработка программы-методики испытаний качества пассивации экспериментальных образцов кремниевых подложек с нанесенными слоями GaP (нелегированные, легированные n- и p- типа проводимости" ПГ:

Разработана программа-методика испытаний качества пассивации экспериментальных образцов кремниевых подложек с нанесенными слоями GaP (нелегированных, легированных п- и р- типа проводимости).

По п. 1.6 "Разработка новых конструкций фотопреобразовательных структур на основе гетеропереходов GaP/Si" ПГ:

Разработаны новые конструкции фотопреобразовательной структуры на основе гетероперехода GaP/Si, обладающая наибольшим значением КПД.

Основные результаты, полученные в отчётный период

Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей проблему формирования гетероструктур для создания многопереходных солнечных элементов на основе интеграции соединений А3В5 и кремния. Выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96 по направлениям: «Многопереходные солнечные элементы на основе интеграции соединений А3В5 и кремния», «Метод атомно-слоевого плазмохимического осаждения», «Методы исследования многопереходных солнечных элементов», «Пассивация кремниевых подложек», «Контактные и барьерные металлические слои на GaP». Выбраны направления проводимых исследований на основании аналитического обзора литературы и патентных исследований. Проведена адаптация установки плазмохимического осаждения Oxford Plasma lab 100 PECVD для реализации метода атомно-слоевого плазмохимического осаждения. Разработана технология осаждения нелегированных слоев GaP на подложках кремния методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения. Впервые с помощью технологии плазмохимического атомно-слоевого осаждения при температуре подложки 350 °С были выращены нелегированные слои GaP на Si подложке. Полученные гетероструктуры продемонстрировали перспективность их использования для создания фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения.

Выполненные работы и полученные результаты полностью соответствуют Требованиям к работам и их результатам

2 этап

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 16 октября 2015 г. № 14.616.21.0040 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №2 в период с 01.01.2016 по 30.06.2016 выполнялись следующие работы:

По п. 2.1 «Разработка технологии осаждения легированных кремнием (п-типа проводимости) слоев GaP на подложках кремния методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения» ПГ:

Разработана технологии осаждения легированных кремнием (n-типа проводимости) слоев GaP на подложках кремния методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения.

По п. 2.2 «Испытания качества пассивации экспериментальных образцов кремниевых подложек с нанесенными нелегированными и легированными кремнием (п-типа проводимости) слоями GaP» ПГ:

Проведены испытания качества пассивации экспериментальных образцов кремниевых подложек с нанесенными нелегированными и легированными кремнием (n-типа проводимости) слоями GaP.

По п. 2.3 «Разработка технологии формирования контактных и барьерных металлических слоев на поверхности гетероструктур методом ваккумного напыления» ПГ:

Разработаны технологии формирования контактных и барьерных металлических слоев на поверхности гетероструктур методом вакуумного напыления.

По п. 2.4 «Изготовление экспериментальных образцов нелегированных и легированных кремнием (n-типа проводимости) слоев GaP и на подложках кремния и барьеров Шоттки к ним» ПГ:

Изготовлены экспериментальные образцы нелегированных и легированных кремнием (n-типа проводимости) слоев GaP на подложках кремния и барьеры Шоттки к ним.

По п. 2.5 «Разработка технологии изготовления фотопреобразовательных структур на основе гетероперехода n-GaP/p-Si» ПГ:

Разработана технология изготовления фотопреобразовательных структур на основе гетероперехода n-GaP/p-Si.

По п. 2.6 «Разработка промежуточного отчета о проведении исследований (выполнения проекта)» П.Г.:

Разработан промежуточный отчет о проведении исследований

По п. 2.7 «Теоретическое исследование путей создания однопереходных и многопереходных фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения на основе интеграции материалов AIIIBV и кремния» П.Г.:

Проведено теоретическое исследование путей создания однопереходных и многопереходных фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения на основе интеграции материалов AIIIBV и кремния.

Иностранным партнером выполнялись следующие работы:

По п. 2.8 «Разработка программы-методики испытаний экспериментальных образцов слоев GaP на подложках кремния с диодами Шоттки» П.Г.:

Разработана программа-методика испытаний экспериментальных образцов слоев GaP на подложках кремния с диодами Шоттки.

По п. 2.9 «Проведение испытаний экспериментальных образцов слоев GaP на подложках кремния с диодами Шоттки» П.Г.:

Проведены испытания экспериментальных образцов слоев GaP на подложках кремния с диодами Шоттки

Основные результаты проекта

Исследования проводятся в рамках совместного российско-французского проекта. С французской стороны участником проекта выступает лаборатория электротехники и электроники Парижа, основная роль которого заключается в решении задач по разработке методов и проведению исследований электрофизических свойств формируемых слоев и структур.

С российской стороны на втором этапе проекта

Разработана технология осаждения легированных кремнием (n-типа проводимости) слоев GaP на подложках кремния методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения.

Разработана технология изготовления фотопреобразовательных структур на основе гетероперехода n-GaP/p-Si.

С французской стороны разработаны программы-методики испытаний экспериментальных образцов слоев GaP на подложках кремния с диодами Шоттки.

С помощью методов полной проводимости и нестационарной спектроскопии глубоких уровней проведены исследования электрофизических свойств структур с диодами Шоттки на основе легированных и нелегированных слоев GaP, осажденных на подложках кремния.

Для подложек кремния с нанесенными нелегированными и легированными (n-типа проводимости) слоями GaP достигнуто значение эффективного времени жизни носителей заряда порядка 0.8 мс.

Впервые с помощью метода атомно-слоевого плазмохимического осаждения при температуре менее 400 С получены легированные кремнием слои GaP n-типа проводимости.

Выполненные работы и полученные результаты полностью соответствуют условиям Соглашения, в том числе Требованиям к работам и их результатам, Плану-графику исполнения обязательств.

3 этап

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 16 октября 2015 г. № 14.616.21.0040 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №3 в период с 01.07.2016 по 31.12.2016 выполнялись следующие работы:

По п.3.1 "Проведение патентных исследований по ГОСТ 15.011-96" ПГ:
Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96.

По п.3.2 "Изготовление экспериментальных образцов фотопреобразовательных структур на основе гетероперехода n-GaP/p-Si" ПГ:
Изготовлены экспериментальные образцы фотопреобразовательных структур на основе гетероперехода n-GaP/p-Si.

По п.3.3 "Разработка программы-методика испытаний экспериментальных образцов фотопреобразовательных структур на основе гомо- и гетеропереходов на основе GaP(N) и Si, однопереходных фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения и многопереходных солнечных элементов на основе интеграции материалов AIIIBV и кремния" ПГ:
Разработана программа-методика испытаний экспериментальных образцов фотопреобразовательных структур на основе гомо- и гетеропереходов на основе GaP(N) и Si, однопереходных фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения и многопереходных солнечных элементов на основе интеграции материалов AIIIBV и кремния.

По п.3.4 "Проведение испытаний экспериментальных образцов фотопреобразовательных структур на основе гетероперехода n-GaP/p-Si" ПГ:
Проведены испытания экспериментальных образцов фотопреобразовательных структур на основе гетероперехода n-GaP/p-Si.

По п.3.5 "Разработка технологии осаждения легированных слоев GaP p-типа проводимости на подложках кремния методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения" ПГ:
Разработана технология осаждения легированных слоев GaP p-типа проводимости на подложках кремния методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения.

По п.3.6 "Изготовление экспериментальных образцов слоев GaP p-типа проводимости на подложках кремния и барьеры Шоттки к ним" ПГ:
Изготовлены экспериментальные образцы слоев GaP p-типа проводимости на подложках кремния и барьеры Шоттки к ним.

По п.3.7 "Разработка промежуточного отчета о проведении исследований (выполнении проекта)" ПГ:
Разработан промежуточный отчет о проведении исследований (выполнении проекта).

По п.3.8 "Выполнение расчетов математического моделирования фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения на основе интеграции материалов AIIIBV и кремния" ПГ:
Выполнены расчеты математического моделирования фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения на основе интеграции материалов AIIIBV и кремния.

Иностранным партнером выполнялись следующие работы:

По п.3.9 "Проведение испытаний экспериментальных образцов легированных слоев GaP p-типа, выращенных методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения на подложках кремния" ПГ:
Проведены испытания экспериментальных образцов легированных слоев GaP p-типа, выращенных методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения на подложках кремния.

По п.3.10 "Разработка новых конструкции фотопреобразовательных структур на основе гетеропереходов n-GaP/p-GaPN, n-GaPN/p-GaPN" ПГ:
Разработаны новые конструкции фотопреобразовательных структур на основе гетеропереходов n-GaP/p-GaPN, n-GaPN/p-GaPN.

Основные результаты проекта

С российской стороны:
Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96 и составлен отчет опатентных исследованиях инв. №340.
Изготовлены экспериментальные образцы фотопреобразовательных структур на основе гетероперехода n-GaP/p-Si.
Разработана программа-методика испытаний экспериментальных образцов фотопреобразовательных структур на основе гомо- и гетеропереходов на основе GaP(N) и Si, однопереходных фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения и многопереходных солнечных элементов на основе интеграции материалов AIIIBV и кремния.
Проведены испытания экспериментальных образцов фотопреобразовательных структур на основе гетероперехода n-GaP/p-Si и составлены протоколы испытаний № 210 от 30.11.2016 и № 211 от 07.12.2016.
Разработана технология осаждения легированных слоев GaP p-типа проводимости на подложках кремния методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения и оформлена «Технологическая инструкция по осаждению легированных цинком (p-типа проводимости) слоев GaP на подложках кремния методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения» РНБМ.25171.00030.
Изготовлены экспериментальные образцы слоев GaP p-типа проводимости на подложках кремния и барьеры Шоттки к ним.
Выполнено математическое моделирование фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения на основе интеграции материалов AIIIBV и кремния.

С французской стороны:
Проведены испытания экспериментальных образцов легированных слоев GaP p-типа, выращенных методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения на подложках кремния.
Разработаны новые конструкции фотопреобразовательных структур на основе гетеропереходов n-GaP/p-GaPN, n-GaPN/p-GaPN.

Таким образом, впервые с помощью метода атомно-слоевого плазмохимического осаждения при температуре менее 400 °C изготовлены экспериментальные образцы фотопреобразовательных структур на основе гетероперехода n-GaP/p-Si. Продемонстрирована их высокая внутренняя квантовая эффективность, превышающая 90 %, в широком спектральном диапазоне. Результаты исследований подтверждают перспективность использования низкотемпературного атомарно-слоевого плазмохимического осаждения слоев GaP на подложках кремния для создания высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения.

4 этап

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 16 октября 2015 г. № 14.616.21.0040 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №4 в период с 01.01.2017 по 31.12.2017 выполнялись следующие работы:

По п.4.1 ПГ Разработана технология изготовления экспериментальных образцов фотопреобразовательных структур на основе гомо- и гетеропереходов со слоями GaP(N).
По п.4.2 ПГ Изготовлены экспериментальные образцы фотопреобразовательных структур на основе гомо- и гетеропереходов со слоями GaP(N).
По п.4.3 ПГ Проведены испытания экспериментальных образцов фотопреобразовательных структур на основе гомо- и гетеропереходов со слоями GaP(N).
По п.4.4 ПГ Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96.
По п.4.5 ПГ Разработана технология изготовления экспериментальных образцов многопереходных солнечных элементов на основе интеграции материалов AIIIBV и кремния.
По п.4.6 ПГ Изготовлены экспериментальные образцы многопереходных солнечных элементов на основе интеграции материалов AIIIBV и кремния.
По п.4.7 ПГ Проведены испытания однопереходных фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения и многопереходных солнечных элементов на основе интеграции материалов AIIIBV и кремния.
По п.4.8 ПГ Проведены обобщение и оценка полученных результатов.
По п.4.9 ПГ Разработаны рекомендации по использованию результатов проведенных исследований (выполнении проекта) в дальнейших исследованиях и разработках.
По п.4.10 ПГ Проведена технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов.
По п.4.11 ПГ Разработан проект ТЗ на прикладную НИР.
По п.4.12 ПГ Разработан заключительный отчет о проведении исследований (выполнении проекта).

Иностранным партнером выполнялись следующие работы:

По п.4.13 ПГ Проведена оценка путей повышения качества свойств фотопреобразовательных структур на основе гетеропереходов со слоями GaP(N).
По п.4.14 ПГ Разработаны новые конструкции многопереходных солнечных элементов AIIIBV на подложках кремния.
По п.4.15 ПГ Проведены экспериментальные и теоретические исследования фотоэлектрических свойств образцов фотопреобразовательных структур на основе гомо- и гетеропереходов со слоями GaP(N).
По п.4.16 ПГ Проведена оценка путей повышения качества свойств многопереходных солнечных элементов.
По п.4.17 ПГ Разработаны новые конструкции фотоэлектрических преобразователей на основе системы Si/GaP(N)/GaP(NAs).

Основные результаты проекта

С российской стороны:
Разработана технология изготовления экспериментальных образцов фотопреобразовательных структур на основе гомо- и гетеропереходов со слоями GaP(N), описанная в технологических документах:
- РНБМ.10171.00017МК1. Технологический маршрут изготовления экспериментальных образцов фотопреобразовательных структур на основе гомо- и гетеропереходов со слоями GaP(N);
- РНБМ.25171.00031. Технологическая инструкция по осаждению нелегированных слоев i-GaP(N) на подложки кремния методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения ТИ № 31.
Изготовлены экспериментальные образцы фотопреобразовательных структур на основе гомо- и гетеропереходов со слоями GaP(N) в количестве 3 шт.
Проведены испытания экспериментальных образцов фотопреобразовательных структур на основе гомо- и гетеропереходов со слоями GaP(N), результаты которых отражены в протоколах испытаний №№218, 219, 220 от 28.06.2017 и разделе 3 настоящего отчета.
Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96.
Подана заявка на изобретение № 2017140035 от 16.11.2017 «Конструкция многопереходного фотоэлектрического преобразователя с вертикально-ориентированной столбчатой структурой на основе интеграции полупроводниковых соединений А3В5 и кристаллического кремния и способ его изготовления».
Разработана технология изготовления экспериментальных образцов многопереходных солнечных элементов на основе интеграции материалов AIIIBV и кремния, отраженная в технологических документах:
- РНБМ.10171.00017МК2. Технологический маршрут изготовления экспериментальных образцов многопереходных солнечных элементов на основе интеграции материалов А3В5 и кремния;
- РНБМ.25171.00032. Технологическая инструкция формированию вертикальных упорядоченных структур на подложке кремния ТИ № 32;
- РНБМ.25171.00033. Технологическая инструкция по формированию просветляющего покрытия на поверхности структуры А3В5/Si ТИ № 33.
Изготовлены экспериментальные образцы многопереходных солнечных элементов на основе интеграции материалов AIIIBV и кремния в количестве 5 шт.
Проведены испытания однопереходных фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения и многопереходных солнечных элементов на основе интеграции материалов AIIIBV и кремния, результаты которых отражены в протоколах испытаний № 219, 220 от 03.10.2017 и №221, 222 от 04.10.2017 и разделе 7 настоящего отчета.
Проведены обобщение и оценка полученных результатов.
Разработаны рекомендации по использованию результатов проведенных ПНИ в дальнейших исследованиях и разработках.
Проведена технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов.
Разработан проект ТЗ на прикладную НИР.

С французской стороны:
Проведена оценка путей повышения качества свойств фотопреобразовательных структур на основе гетеропереходов со слоями GaP(N).
Разработаны новые конструкции многопереходных солнечных элементов AIIIBV на подложках кремния.
Проведены экспериментальные и теоретические исследования фотоэлектрических свойств образцов фотопреобразовательных структур на основе гомо- и гетеропереходов со слоями GaP(N).
Проведена оценка путей повышения качества свойств многопереходных солнечных элементов.
Разработаны новые конструкции фотоэлектрических преобразователей на основе системы Si/GaP(N)/GaP(NAs).

Наука

Новый низкотемпературный подход к формированию многопереходных солнечных элементов на основе интеграции соединений АIIIВV и кремния