Термическая обработка полупроводниковых подложек в диффузионной печи производится следующим образом. Сначала печь выводят на заданный температурный режим. Время разогрева печи до максимальной температуры с установлением теплового режима составляет не менее 2,5 ч. После этого в печь вводятся полупроводниковые пластины, помещенные в молибденовую лодочку. После определенной выдержки пластин при заданной температуре лодочку с пластинами извлекают из реактора.

Необходимо обратить внимание на требование к стабильности поддержания заданной температуры диффузионных печей. Если проанализировать зависимость коэффициента диффузии от температуры, то можно заметить, что небольшое изменение температуры может привести к значительному увеличению коэффициента диффузии, а значит, и глубины залегания легирующего слоя. Так, при увеличении температуры через каждые 100°С, начиная от 900°С, коэффициент диффузии увеличивается примерно в пять раз [17].

Кроме того, при введении в реактор лодочки с полупроводниковыми пластинами, имеющими комнатную температуру, вносятся длительные возмущения в температурный статический режим диффузионной печи. Точность поддержания температуры в рабочей зоне диффузии будет меняться, что приведет к изменениям глубины и профиля распределения примесей в подложке. А быстрая загрузка или выгрузка пластин из высокотемпературной зоны может привести к их растрескиванию в результате термоудара.

Нанесение поверхностного источника диффузанта на поверхность полупроводниковых пластин осуществлялось в основном методом центрифугирования. Сущность данного метода заключается в том, что на пластину, закрепленную на центрифуге пипеткой наносится слой раствора. За счет вращательного движения пластины вокруг своей оси достигается равномернрсть нанесенного слоя. Скорость вращения центрифуги, которая использовалась в экспериментах, составляет 2750 об/мин.

В данном дипломном проекте контроль параметров диффузионных слоев производился путем измерения глубины залегания p - n перехода. Для определения глубины залегания p - n перехода применялся метод сферического шлифа, известный также под названием метода лунки. Этот метод удобен для измерения тонких диффузионных слоев, он является универсальным и при необходимости может быть использован для измерения толщин окисных пленок на кремнии.

Метод основан на получении в пластинке кремния сферической лунки, выявлении диффузионных слоев окрашиванием или осаждением металла и измерения под микроскопом линейных размеров лунки. После проведения этих простейших измерений глубина диффузионного слоя легко рассчитывается.

Необходимо заметить, что между процессом диффузионного отжига и контролем глубины залегания p - n перехода методом лунки обязательным является химическая обработка пластин. Когда пластины извлекаются из диффузионной печи, то на их поверхности присутствует пленка примесносиликатного стекла, которое необходимо удалить. Если пленка получилась цветная, то ее легко удалить путем погружения пластин в разбавленный водный раствор плавиковой кислоты. Если химическую обработку не проводить, то лунка шлифоваться не будет.

Рис. 2.2. Функциональная схема установки для изготовления шар-шлифа: 1 - полупроводниковая подложка, 2 - стальной шар, 3 - электродвигатель, 4 - блок управления.

Для изготовления шар-шлифа использовалась установка ЕТМ 2.600.047, функциональная схема которой приведена на рис. 2.2. Методика получения лунки такова. Исследуемый образец (пластинка кремния с диффузионным слоем) помещается на столик и закрепляется на нем с помощью вакуумной системы. Для шлифовки пластину приводят в соприкосновение с стальным шаром, на поверхность которого наносится абразив, который находится в масляной суспензии. В качестве абразива использовался алмазный порошок (размер зерна порядка одного микрона). Стальной шар соединен с электродвигателем, включение которого приводит шар во вращение и таким образом вышлифовывается лунка. Блок управления предназначен для регулирования работы установки, в том числе управлением скорости вращения электродвигателя, давлением пластины к шару, а также позволяет задавать автоматический режим.

После того как лунки сделаны, пластину следует обезжирить, например, кипячением в изопропиловом спирте. Далее следует окрасить лунку. Окрашивание шлифов в специальных растворах происходит за счет различия электродных потенциалов p- и n-областей, которое обуславливает избирательное осаждение меди на p-область или избирательное оксидирование n-области. В результате проведенных экспериментов было установлено, что эффективное окрашивание происходит, если пластины кремния с вышлифованными лунками поместить в раствор плавиковой кислоты с небольшим добавлением азотной кислоты. Практика показала, что если азотную кислоту добавлять прямо в раствор плавиковой, то это приводит к травлению поверхности пластины. Поэтому можно рекомендовать предварительно разбавлять азотную кислоту в дистилированной воде и уже этот раствор пипеткой добавлять в плавиковую кислоту, где уже находится пластинка кремния. Ободок у шлифов окрасится в темный цвет в случае n⁺ - p перехода.

Окрашенные шлифы позволяют под микроскопом измерить не истинную толщину диффузионного слоя xj, а существенно большую величину - хорду L между двумя окружностями, внешняя из которых образована пересечением лунки с поверхностью пластины, а внутренняя является выявленной границей p - n перехода (рис. 2.3). Глубина расположения p - n перехода определяется по формуле [5,6]:

, (2.1)

где D - диаметр шара.

Рис. 2.3. Пояснение к способу изготовления сферического шлифа.

Точность измерений описанным методом составляет примерно ± 3 % и определяется в основном тщательностью приготовления и окрашивания шлифа. От глубины приникновения шара в кремний точность в первом приближении не зависит, однако рекомендуется делать шлиф таким образом, чтобы внутренняя окружность имела малый (по сравнению с внешней) диаметр, т.е. шлиф должен быть неглубоким. Для повышения точности измерений обычно делают несколько (2 - 5) шлифов и результат усредняют [6].

Для установки ЕТМ 2.600.047 диаметр стального шара составляет 26,5 мм. Подставляя это значение в формулу (2.1) получим эмпирическую формулу пересчета глубины залегания p - n перехода от значения хорды L:

, [мкм] (2.2)

где L - длина хорды, [мкм].

3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ДИФФУЗИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ БОРОМ И ФОСФОРОМ И ИХ ИССЛЕДОВАНИЕ

В данном разделе будет проведено исследование нескольких поверхностных источников для диффузионного легирования кремния, также будет рассмотрен твердый планарный источник бора - нитрид бора. Кроме поверхностных источников на основе простых неорганических соединений рассмотрен источник на основе легированного окисла.

Контроль параметров осуществлялся путем определения глубины залегания p - n перехода (x_j) методом сферического шлифа. Методика измерений такова: на пластине кремния делается несколько лунок, после проявления на каждой из лунок измеряется длина хорды L_i, после чего по формуле (2.2) производится пересчет на глубину залегания x_ji. Принятая глубина залегания x_j определяется как усредненное значение от x_ji.

Диффузионный отжиг проводился в атмосфере воздуха при температурах ниже 1000°С. Это связано с тем, что при более низких температурах диффузии образуется меньше дефектов на полупроводниковой пластине кремния, соответственно увеличится время жизни неосновных носителей тока и, в конечном итоге, коэффициент полезного действия солнечного элемента.

3.1. Разработка и испытание поверхностного источника бора на основе спиртового раствора борной кислоты

Борная кислота (H₃BO₃) в безводном виде представляет собой безцветное кристаллическое вещество. Для приготовления раствора заданное количество порошка борной кислоты растворяется в этиловом спирте (C₂H₅OH), процентное содержание H₃BO₃ в приготовленном растворе составило 5 %.

Полупроводниковые пластины кремния до нанесения слоя диффузанта обезжиривались кипячением в изопропиловом спирте.

Нанесение раствора осуществлялось методом центрифугирования. На практике осуществление этого метода заключается в том, что на пластины кремния, закрепленные на центрифуге, пипеткой наносится раствор, содержащий диффузант. Скорость вращения центрифуги составляет 2750 об/мин. С помощью вращательного движения, сообщаемого пластине центрифугой, достигается большая равномерность получаемого слоя.

После нанесения раствора пластины кремния необходимо высушить, для чего их помещают на нагретую электрическую печь. Это осуществляется для удаления растворителя (в данном случае этилового спирта).

Далее следует диффузионный отжиг в диффузионной печи. Для исследований было взято четыре образца кремния n-типа (111) с с = 2 Ом•см. Диффузионный отжиг проводился в диффузионной печи при температуре 950°С в течение заданного времени. После выдержки на поверхности пластин кремния образовывалась цветная пленка боросиликатного стекла, которая удалялась в слабом растворе плавиковой кислоты.

В табл. 3.1 приведены результаты по исследованию зависимости глубины залегания p - n перехода (x_j) от времени проведения диффузии.

Таблица 3.1.

Зависимость глубины залегания p - n перехода от времени проведения диффузии при использовании 5 % раствора борной кислоты

№ образца	Температура,°С	Время диффузии, мин	Li, мкм	xji, мкм	Среднее значение xj, мкм
1	950	20	170	0,272	0,28
			175	0,289
			170	0,272
			175	0,289
			180	0,306

Продолжение таблицы 3.1.

№ образца	Температура,°С	Время диффузии, мин	Li, мкм	xji, мкм	Среднее значение xj, мкм
2	950	40	240	0,543	0,55
			240	0,543
			245	0,566
			240	0,543
			245	0,566
3		60	295	0,820	0,80
			290	0,793
			290	0,793
			295	0,820
			290	0,793
4		80	315	0,936	0,96
			320	0,966
			320	0,966
			320	0,966
			320	0,966

Для окрашивания шлифа применялся состав на основе плавиковой кислоты с добавлением небольшого количества азотной кислоты. После окрашивания исследуемые образцы помещались под микроскоп (в данной работе использовался микроскоп ММУ 4) и определялась величина хорды. Как видно, на каждом образце было сделано по 5 шлифов, что дает представление о среднем значении глубины залегания p - n перехода. Принятое значение x_j является средним арифметическим от значений x_ji.

Результаты, приведенные в таблице 3.1 можно представить в виде графика (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Зависимость глубины залегания p - n перехода от времени дифффузии при использовании поверхностного источника на основе борной кислоты (Т=950°С).

Относительно применения в качестве поверхностного источника бора спиртового раствора борной кислоты следует сделать одно важное замечание. В результате экспериментов было установлено, что после проведения процесса диффузии на поверхности пластины могут образоваться пленки темного цвета, которые не удаляются в химических травителях, в том числе и на основе плавиковой кислоты. Эти пленки образуются из-за того, что процесс диффузии проводится в атмосфере воздуха, а не в окислительной среде.

Образования таких пленок можно избежать, применяя разбавленный раствор борной кислоты. Результаты можно считать удовлетворительными, если после проведения процесса диффузии на поверхности полупроводниковой пластины кремния образуется цветная пленка, которая легко травится в водном растворе плавиковой кислоты.

3.2. Разработка и испытание поверхностного источника фосфора на основе спиртового раствора ортофосфорной кислоты

Для приготовления источника на основе спиртового раствора ортофосфорной кислоты растворы этилового спирта и кислоты смешивались в отношении 1:1.

Данный раствор наносился на полупроводниковые пластины кремния методом центрифугирования. После нанесения раствора пластины помещались на электропечь для удаления растворителя.

Далее проводился диффузионный отжиг при температуре 950°С. После проведения процесса диффузии на поверхности пластин кремния образовывалась цветная пленка фосфоросиликатного стекла. Опыт показал, что p - n переход в полупроводниковой пластине кремния при использовании данного источника примеси получится только в том случае, если после диффузии на поверхности пластин образуется цветная пленка.

Окрашивание после шлифовки лунок удобно проводить в смеси плавиковой и азотной кислот. При этом в раствор плавиковой кислоты необходимо добавить несколько капель разбавленной азотной кислоты. В результате на поверхности пластины кремния ободок у лунок потемнеет и можно под микроскопом легко определить хорду.

Для исследований источника были взяты четыре образца кремния p-типа с удельным сопротивлением с = 7 Ом•см, ориентации (111). После нанесения источника описанным способом данные образцы выдерживались в диффузионной печи заданное время.

Далее в таблице 3.2 приводятся результаты по определннию глубины залегания p - n перехода.

Таблица 3.2.

Зависимость глубины залегания p - n перехода от времени проведения диффузии для источника на основе ортофосфорной кислоты

№ образца	Температура,°С	Время диффузии, мин	Li, мкм	xji, мкм	Среднее значение xj, мкм
1	950	20	190	0,340	0,35
			195	0,359
			200	0,377
			190	0,340
			195	0,359
2		40	240	0,543	0,55
			240	0,543
			240	0,543
			245	0,566
			245	0,566
3		60	270	0,688	0,69
			265	0,663
			270	0,688
			275	0,713
			270	0,688
4		80	295	0,820	0,83
			295	0,820
			295	0,820
			300	0,849
			295	0,820

По результатам, приведенным в таблице 3.2, можно построить график зависимости x_j от времени диффузии.

Рис. 3.2. Зависимость глубины залегания p - n перехода от времени проведения диффузии (Т=950°С).

3.3. Исследование твердого планарного источника на основе нитрида бора

Диффузия с использованием твердого планарного источника носит также название диффузии из параллельного источника, так как полупроводниковые пластины кремния и твердый источник размещаются параллельно друг другу.

Для исследований был взят кремний n-типа (111) с удельным сопротивлением с = 2 Ом•см.

Особенностью твердого планарного источника на основе BN является то, что перед проведением процесса диффузии его необходимо окислить, чтобы на поверхности образовался тонкий слой B₂O₃. Во время проведения процесса диффузии пары B₂O₃ переходят в газовую фазу, реагируют с кремнием с образованием слоя боросиликатного стекла, из которого уже и идет диффузия бора в кремний.

Окисление твердого планарного источника на основе нитрида бора проводилось в диффузионной печи в атмосфере воздуха при температуре 950°С в течение 40 - 60 мин.

Расстояние между пластинами кремния и твердым источником нитрида бора выбиралось равным 1 -1,5 мм.

Диффузия проводилась в диффузионной печи в атмосфере воздуха, где пластины с источником выдерживались заданное время. Для исследований было взято двенадцать образцов, чтобы выявить зависимость глубины залегания p - n перехода не только от времени проведения, а также и от температуры проведения процесса.

Результаты по испытанию твердого планарного источника на основе нитрида бора приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3.

Зависимость глубины залегания p - n перехода от времени проведения диффузии для ТПИ на основе нитрида бора

№ образца	Температура,°С	Время диффузии, мин	Li, мкм	xji, мкм	Среднее значение xj, мкм
1	920	20	145	0,198	0,2
			145	0,198
			150	0,212
			145	0,198
			150	0,212
2		40	180	0,396	0,32
			185	0,323
			190	0,345
			180	0,306
			180	0,306

Продолжение таблицы 3.3.

№ образца	Температура,°С	Время диффузии, мин	Li, мкм	xji, мкм	Среднее значение xj, мкм
3	920	60	240	0,543	0,54
			240	0,543
			235	0,520
			240	0,543
			240	0,543
4		80	275	0,713	0,7
			275	0,713
			275	0,713
			270	0,687
			275	0,713
5	950	20	205	0,396	0,40
			210	0,416
			210	0,416
			205	0,396
			205	0,396
6		40	260	0,638	0,63
			260	0,638
			255	0,613
			255	0,613
			260	0,638
7		60	300	0,849	0,85
			300	0,849
			300	0,849
			295	0,821
			305	0,878

Продолжение таблицы 3.3.

№ образца	Температура,°С	Время диффузии, мин	Li, мкм	xji, мкм	Среднее значение xj, мкм
8	950	80	335	1,058	1,06
			335	1,058
			335	1,058
			340	1,09
			335	1,058
9	980	20	260	0,638	0,62
			250	0,590
			260	0,638
			255	0,613
			255	0,613
10		40	305	0,878	0,90
			310	0,907
			310	0,907
			315	0,936
			310	0,907
11		60	350	1,156	1,16
			355	1,189
			350	1,156
			350	1,156
			350	1,156
12		80	390	1,435	1,45
			390	1,435
			395	1,472
			395	1,472
			390	1,435

Результаты, приведенные в таблице 3.3 можно представить на графике (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Зависимость глубины залегания p - n перехода от времени проведения диффузии: 1 - Т = 920°С; 2 - Т = 950°С; 3 - Т = 980°С.

Следует заметить, что дифузию с использованием твердого планарного источника на основе нитрида бора необходимо проводить в окислительной среде, для чего необходима газовая система. Это объясняется тем, что в процессе испытаний данного источника (при диффузии в атмосфере воздуха) после диффузии на поверхности полупроводниковых пластин кремния можно было наблюдать темные пленки, которые не удаляются химической обработкой. Эти пленки аналогичны приведенным в пункте 3.1 для диффузии с использованием поверхностного источника на основе спиртового раствора борной кислоты.

3.4. Разработка и испытание источника на основе легированного окисла

Для устранения недостатков диффузии с применением простых неорганических соединений их смешивают с SiO₂, используя метод совместного осаждения из тетраэтоксисилана (ТЭС) - Si(OC₂H₅)₄.

Здесь будет рассмотрен метод диффузии из легированного окисла при использовании в качестве исходного легирующего соединения ортофосфорной кислоты.

Исследование этого метода диффузии показало, что исключительно важное значение имеет технология приготовления пленкообразующего раствора. В исходный раствор на основе смеси этилового спирта, ортофосфорной кислоты, воды и нескольких капель сильно разбавленной соляной кислоты добавляется ТЭС. Количества взятых C₂H₅OH, H₃PO₄, H₂O и Si(OC₂H₅)₄ были взяты в соотношении соответственно 4 : 10 : 5 : 1.

Данный раствор обладает пленкообразующей способностью и применение его следует после некоторого времени, которое называется временем созревания раствора. В нашем случае раствор наносился на полупроводниковую пластину кремния после 1 - 2 минут отстаивания. Опыт показал, что после приготовления раствора в нем происходят изменения, которые приводят к существенному увеличению вязкости раствора.

В качестве исходной пластины кремния была взята пластина p-типа (100) с удельным сопротивлением 10 Ом•см. Раствор наносился на пластину методом центрифугирования при скорости вращения центрифуги 2750 об/мин.

Далее проводился процесс термодеструкции, в результате которого на пластине кремния должен образоваться слой фосфоросиликатного стекла. Для этого пластины кремния помещались в диффузионную печь при температуре 600 - 700°С и выдерживались в ней 1 - 2 мин.

Затем проводился диффузионный отжиг в атмосфере воздуха при температуре 950°С в течение 30 минут. После извлечения пластины кремния из печи ее необходимо обработать в водном растворе плавиковой кислоты. В результате химической обработки удаляется пленка фосфоросиликатного стекла, из которой шла диффузия фосфора в кремний.

Контроль параметров осуществлялся путем измерения глубины залегания p - n перехода методом сферического шлифа. В таблице 3.4 приведены результаты измерений.

Таблица 3.4.

Значение глубины залегания p - n перехода при диффузии из легированного окисла (Т = 950°С, t = 30 мин)

Li, мкм	xji, мкм	Среднее значение xj, мкм
305	0,877	0,84
295	0,821
290	0,793
300	0,849
305	0,877

Если сравнить значение глубины залегания от времени при использовании поверхностного источника на основе легированного окисла с источником на основе спиртового раствора ортофосфорной кислоты, то можно заметить, что при одинаковых температурах и временах проведения диффузии, глубина залегания p - n перехода при использовании легированного окисла значительно выше. Это может быть объяснено зависимостью коэффициента диффузии от поверхностной концентрации легирующей примеси. В результате применения легированного окисла возможно получать более высокие поверхностные концентрации примеси, чем при использовании источника на основе спиртового раствора ортофосфорной кислоты.

Применение этого источника даст возможность получать диффузионные слои с заданными глубинами переходов при сравнительно низких температурах и меньшем времени проведения процесса диффузии, что очень важно в технологии изготовления кремниевых солнечных элементов.

4.ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ДИФФУЗАНТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРУКТУР КРЕМНИЕВЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Источники для диффузии бора и фосфора, разработанные в результате выполнения дипломного проекта могут быть применены в технологии изготовления кремниевых солнечных элементов. Так как были созданы источники как для диффузии бора, так и для диффузии фосфора, то это позволяет создавать кремниевые СЭ на основе исходных пластин кремния n- и p-типов. Кроме того данные источники можно применять для создания кремниевых солнечных элементов на основе кремния p-типа с текстурированной поверхностью.

4.1. Изготовление кремниевого СЭ на основе кремния p-типа

В качестве исходных пластин кремния были взяты пластины p-типа (100) с удельным сопротивлением 10 Ом•см. Особенностью создания солнечного элемента на таких пластинах является возможность проведения процесса диффузии на пластинах с текстурированной поверхностью. Были созданы как n⁺-p, так и n⁺-p-p⁺ СЭ. В качестве поверхностного источника для диффузии фосфора использовался спиртовый раствор ортофосфорной кислоты, в качестве поверхностного источника для диффузии бора - спиртовый раствор борной кислоты. Технология диффузии из этих источников описана в 3 разделе.

При создании СЭ с тыльным подлегированием диффузия проводилась в один процесс. Необходимо заметить, что при таком способе создания диффузионной структуры на фронтальной поверхности пластины образуются затеки после нанесения диффузанта для тыльной стороны пластины кремния.

Режимы проведения процесса диффузии были выбраны таким образом, что глубина эмиттерного перехода в n⁺-p СЭ составила 1 мкм, а в n⁺-p-p⁺ - 0,5 мкм.

4.2. Создание омических контактов на структурах солнечных элементов электрохимическим осаждением никеля

Для создания токосъемных контактов к структуре кремниевого солнечного элемента использовался метод электрохимического осаждения никеля. Фронтальный контакт выполнялся в виде сетки, а тыльный контакт - сплошным слоем.

Для создания маски для последующего осаждения никеля использовался химически стойкий лак ХСЛ. До нанесения ХСЛ пластины кремния обезжиривались кипячением в изопропиловом спирте в течение 10 - 25 сек с последующей сушкой в парах изопропилового спирта.

Осаждение контактного слоя никеля на свободные от ХСЛ участки структуры осуществляли электрохимическим способом с использованием электролита следующего состава (в пересчете на 1 л дистилированной воды):

NiSO₄7H₂O - 45,4 г/л;

Na₂SO₄10H₂O - 60 г/л;

Н₃ВО₄ - 30 г/л.

Схема установки для электрохимического осаждения никеля приведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема установки для электрохимического осаждения никеля: 1 - ванна; 2 - электролит; 3 - пластина кремния; 4 - пластинка никеля; 5 - амперметр; 6 - электронагреватель; 7 - блок питания.

В качестве анода электролитической ванны использовалась никелевая фольга толщиной порядка 200 мкм. Катодом служила сама кремниевая структура. В качестве источника постоянного тока использовался блок питания Б5-47/1, работающий в режиме стабилизации тока. Осаждение производилось при плотности тока 2 - 5 мА/см² и температуре электролита 35°С в течение 2 - 3 мин.

После нанесения слоя никеля структуры промывались в дистиллированной воде и производилось механическое удаление защитного слоя лака ХСЛ. Для удаления остатков лака применялось кипячение пластин в толуоле.

4.3. Измерение основных параметров на структурах солнечных элементов

Наиболее важными характеристиками солнечных элементов являются световая и прямая темновая вольт-амперные характеристики (ВАХ) и спектральная чувствительность.

Основной параметр СЭ - световая нагрузочная ВАХ - позволяет определить генерируемую электрическую мощность по произведению I_m•U_m (максимальные рабочие ток и напряжение), оценить полноту использования потенциала запрещенной зоны по напряжению холостого хода, получить представление об уровне оптических и фотоэлектрических потерь по току короткого замыкания и коэффициенту заполнения ВАХ; рассчитать коэффициент полезного действия преобразования солнечной энергии в электрическую по отношению мощности, генерируемой СЭ, к мощности падающего солнечного излучения, которую можно измерить с помощью отградуированного эталонного солнечного элемента.

ВАХ идеальных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) может быть описана выражением:

(4.1)

где I и V - ток во внешней цепи и напряжение на сопротивлении нагрузки; I_ф - фототок, генерируемый в полупроводнике солнечным излучением; I_o - ток насыщения ФЭП, определяющийся механизмами генерационно-рекомбинационных явлений; А ? 1 - фактор качества выпрямляющего перехода; е - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

В выражении (4.1) не учитываются некоторые важные характеристики реальных ФЭП, которые могут в значительной степени влиять на эффективность фотоэлектрического преобразования. К числу таких характеристик можно отнести последовательное сопротивление ФЭП R_п, определяющееся сопротивлением объема полупроводниковой базы, контактными сопротивлениями верхнего и нижнего токосъемных электродов и распределенным сопротивлением верхней (освещаемой) области перехода, а также шунтирующее коллекторный переход сопротивление R_ш, на величину которого существенно влияют как технологические факторы, так и параметры используемого полупроводникового материала. Эквивалентная схема реального полупроводникового ФЭП с учетом названных паразитных сопротивлений и сопротивления нагрузки показана на рис. 4.2. Нетрудно показать, что в последнем случае ВАХ может быть описана соотношением [18]:

(4.2)

Рис. 4.2. Эквивалентная схема фотопреобразователя.

Рассмотрим более подробно физические процессы, определяющие эффективность преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию. На рис. 4.3 показана типичная ВАХ полупроводникового ФЭП, описываемая выражением 4.2.

Рис.4.3. Вольт-амперная характеристика солнечного фотопреобразователя.

Можно видеть, что по мере увеличения сопротивления нагрузки напряжение V фотопреобразователя монотонно увеличивается и при R_н > ? достигает определенного значения V_хх, величина которого зависит как от интенсивности солнечного излучения, так и от характеристик самого ФЭП. С другой стороны, ток I во внешней цепи при увеличении R_н вначале изменяется слабо, оставаясь примерно равным току короткого замыкания I_кз, а затем достаточно резко уменьшается при дальнейшем увеличении R_н . На ВАХ существует единственная точка M, в которой мощность P_m, отдаваемая ФЭП во внешнюю цепь, оказывается максимальной и равной площади следующего прямоугольника:

. (4.3)

Для характеристики внутренних потерь ФЭП обычно используют так называемый коэффициент заполнения ВАХ F, равный отношению P_m к произведению тока короткого замыкания ФЭП на напряжение холостого хода:

(4.4)

С учетом (4.4) КПД з полупроводникового фотопреобразователя может быть определен как отношение максимальной мощности, отдаваемой ФЭП во внешнюю нагрузку, к суммарной мощности солнечного излучения P_и, падающей на фотоприемную поверхность:

(4.5)

Определим коэффициент полезного действия n⁺-p СЭ с текстурированной поверхностью (см. 4.1). Для измерения мощности падающего на СЭ солнечного излучения использовался измеритель мощность ИМО 3. В момент измерений мощность падающего излучения составляла P₀ ~ 70 мВт/см².

При измерении световой нагрузочной ВАХ солнечного элемента были получены следующие значения напряжения и тока (табл. 4.1):

Таблица 4.1.

Результаты измерения световой нагрузочной ВАХ

V,B	0	0,008	0,017	0,025	0,031	0,034	0,035	0,036	0,038
I,mA	0,39	0,38	0,35	0,32	0,26	0,17	0,13	0,09	0

По этим данным строится ВАХ фотопреобразователя (рис. 4.4):

Рис. 4.4. ВАХ n⁺-p СЭ с текстурированной поверхностью.

Из графика на рис. 4.2 определяем, что V_m=0,028 B, I_m=0,3 mA. Площадь поверхности СЭ составила S=16 мм², соответственно P_ист=P₀·S= 70 мВт/см²· 0,16 см² = 11,2 мВт.

Фактор заполнения F считаем по формуле (4.4):

Коэффициент полезного действия солнечного элемента определяем по формуле (4.5):

Такой низкий КПД полученного солнечного элемента в большой степени определяется тем, что не удалось создать хорошего омического контакта. Кроме того, при диффузии с применением поверхностного источника на основе спиртового раствора ортофосфорной кислоты при нанесении раствора на пластину на тыльной стороне пластины образуются затеки. При проведении процесса диффузии на тыльной стороне пластины образуется p - n переход. Для снятия с тыльной стороны подложек слоя кремния с находящимся в нем в результате диффузии фосфором, приводящим к увеличению последовательного сопротивления СЭ на тыльном контакте необходимо применять, например, плазмохимическую обработку. Так как такой операции не было проведено, то можно сделать заключение, что образование на тыльной стороне p - n перехода существенно ухудшает электрофизические параметры СЭ.

ВЫВОДЫ

Одним из наиболее перспективных методов диффузионного легирования кремния для производства кремниевых солнечных элементов является диффузия из поверхностного источника. Особенностью этого метода является то, что создание слоя примесносиликатного стекла, из которого будет идти диффузия примеси в кремний, осуществляется до проведения процесса диффузии. Метод прост, не требует сложного оборудования, возможно проведение диффузионного отжига в атмосфере воздуха. Всвязи с этим, применение метода диффузии из поверхностного источника может удешевить технологию производства кремниевых СЭ.

В данном дипломном проекте рассматривалось несколько поверхностных источников диффузии, также был рассмотрен твердый планарный источник. Из поверхностных источников для диффузии бора и фосфора были достаточно полно изучены источники на основе спиртовых растворов борной и ортофосфорной кислот. Предложена технология проведения диффузии с использованием таких источников, которая позволяет надежно получать p - n переход в полупроводниковой пластине кремния.

Также были проведены опыты по наиболее перспективному из поверхностных источников - легированному окислу. Именно метод диффузии из легированного окисла представляет повышенный интерес в связи с промышленным применением в технологии производства кремниевых солнечных элементов. Большое внимание необходимо уделять технологии приготовления пленкообразующего раствора, соотношение компонентов смеси.

При использовании разработанного источника на основе ортофосфорной кислоты создан СЭ на кремнии с текстурированной поверхностью, измерены его электрофизические характеристики.

5. ОХРАНА ТРУДА

Закон Украины "Об охране труда" (новая редакция 2002 г.) определяет основные положения по реализации конституционного права граждан на охрану их жизни и здоровья в процессе трудовой деятельности, регулированием отношений между работником и владельцем предприятия и устанавливает единый порядок организации охраны труда Украины.

Охрана труда - это система правовых, социально-экономических, организационно-технических, санитарно-гигиенических и лечебно-профилактических мер и средств, направленных на сохранение здоровья и трудоспособности человека в процессе труда.

5.1. Анализ условий труда

Во время выполнения экспериментальной части дипломного проекта требуется присутствие в лаборатории технологии полупроводниковых приборов. В лаборатории, где происходит изготовление солнечных элементов согласно определенному технологическому процессу, существует несколько опасных и вредных групп факторов, которые согласно ГОСТ 12.0.003-74, можно разделить на:

- физические;

- химические;

- биологические;

- психологические;

В рабочем помещении имеют место следующие факторы:

1. Группа физических факторов: а) недостаток естественного света; б) электроопасность; в) пожароопасность.

2. Группа химически опасных факторов: а) химические жидкости, например, кислоты (HCI, HNO₃, HF), щелочи (KOH, NaOH) и другие вещества; б) горючие и легковоспламеняющиеся вещества (спирты, ацетон, бензин); в) наличие оловянно-свинцовых припоев в разогретом состоянии.

3. Психологические факторы: а) нервно-психологические перегрузки; б) монотонная работа; в) работа, требующая повышенного внимания.

Недостаток освещения приводит к перенапряжению и быстрому утомлению органов зрения, что влечет за собой производственные травмы, снижает общую работоспособность организма, снижается производительность труда, увеличивается количество брака, способствует потере зрения.

Воздействие электрического тока может вызвать тяжелые последствия для организма человека, вплоть до смертельных случаев.

Химические вещества, используемые в технологических процессах, представляют опасность для здоровья, вызывают ожоги, головную боль, тошноту, различного рода отравления, сердцебиения. Например, специфика дипломного проекта предусматривает частое использование плавиковой и азотной кислот. Плавиковая кислота сильно ядовита, пары вызывают раздражение кожи, глаз и дыхательных путей. Азотная кислота при непосредственном контакте с кожей вызывает кислотный ожог, при вдыхании паров слабое отравление выражается в головной боли, головокружении, шума в ушах, сонливости.

Не правильное применение легковоспламеняющихся веществ может привести к пожару. Пожар опасен как вследствие возможности получения термического ожога, так и вдыхание вредных продуктов горения.

Нервно-психологические перегрузки, монотонная работа могут привести к депрессии, перевозбуждения мозга и как следствие - к снижению производительности труда.

Выявленные опасные и вредные факторы вызывают необходимость технических, технологических, организационных и противопожарных мероприятий.

Технические мероприятия: оснащение технического и вспомогательного оборудования ограждениями, предупредительными приспособлениями, сигнальными приборами, постоянный контроль за состоянием узлов и механизмов, органов управления, своевременный ремонт и испытания, применение спецодежды.

Организационные мероприятия: улучшение работы по обучению и инструктажу персонала, усиление надзора по охране труда, правил и норм безопасности.

Противопожарные мероприятия: блокировки, сигнализация, герметизация электроустановок.

5.2. Электробезопасность

Согласно ПУЭ и ГОСТ 12.1.013-78 помещение лаборатории технологии полупроводниковых приборов относится к первому классу - без повышенной опасности. Основным оборудованием, используемым в экспериментальной части дипломного проекта является электропечь СУОЛ-044 12-М2-У42. Технические характеристики электропечи: напряжение 220 В, мощность 2,5 кВт. Согласно ГОСТ 12.2.007.0-75.ССБТ. данная электропечь относится к I классу.

Согласно ГОСТ 12.1.019-79 электробезопасность в рабочем помещении обеспечивается: конструкцией установок и технически-организационными мероприятиями.

Должны применяться следующие технические способы и средства: защитное заземление, малое напряжение, выравнивание потенциалов.

5.3. Расчет защитного заземления

Согласно ГОСТ 12.1.030-81 защитное заземление должно обеспечить защиту людей от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением.

Заземлением называется преднамеренное соединение электроустановок с заземляющим устройством.

Заземлителем называется проводник, находящийся в соприкосновении с землей или ее эквивалентом.

Заземляющим проводником называется проводник, соединяющий заземленные части с заземлителем.

Совокупность соединяющих проводников и заземлителей называется заземляющим устройством. Для установок мощностью не более 100 кВт сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 10 Ом, для установок мощностью более 100 кВт - 4 Ом.

Рассчитаем сопротивление одиночного заземлителя (электрода). Для вертикального электрода из круглой арматуры сопротивление растекания тока одиночного заземлителя рассчитывается по формуле :

, (5.1)

где - удельное сопротивление грунта, Ом м;

l - длина электрода, м;

t- заглубление электрода, м;

d - диаметр одиночного вертикального заземлителя, м.

Заглубление электрода t равно:

, (5.2)

где h - расстояние от вершины электрода до поверхности земли, м.

При проектировании заземляющих устройств учитывается коэффициент сезонности (f), который показывает изменение удельного сопротивления грунта в зависимости от погодных и климатических условий. С учетом длины электрода и климатической зоны III f =1,2

;

l = 5 м;

d = 0,03м;

h = 0,6 м;

₀= 100 .

Подставим указанные значения в формулу (5.2) и вычислим значение t:

м

Подставляем найденные значения в формулу (5.1) и получаем результат:

Необходимое количество заземлителей определим, исходя из наибольшего допустимого сопротивления заземляющего устройства. Примем коэффициент использования заземлителей равным 0,63.

; (5.3)

где N_З - необходимое количество заземлителей, шт.;

R_ЗАЗ - наибольшее допустимое сопротивление заземления, Ом;

_З - коэффициент использования заземлителей.

Примем значение R_ЗАЗ = 10 Ом ; _З= 0,63.

Рассчитаем теперь сопротивление растекания тока горизонтальных заземляющих соединительных проводников:

, (5.4)

где R_Г - сопротивление горизонтальных соединительных проводников, Ом;

- удельное сопротивление грунта с учетом f, Омм;

l₁ - длина заземляющего проводника, м;

b - ширина стальной соединительной полосы (горизонтального соединителя);

b = 0,02 м;

t₁ - глубина заземляющего проводника, м.

t₁ = h = 0,6м.

Длина заземляющего проводника рассчитывается по формуле:

, (5.5)

где l' - расстояние между заземлителями, м;

N_З - необходимое количество заземлителей.

Расстояние между заземлителями определим по формуле :

, (5.6)

где l - длина электрода, м.

Найденное значение l' подставляем в формулу (5.5) и находим значение l₁:

.

Подставим найденные значения l₁ и l' в формулу (5.4) и найдем значение сопротивления горизонтальных соединительных проводников:

.

Общее сопротивление группового заземления R_гр рассчитаем по формуле :

, (5.7)

где _Г = 0,77 - коэффициент использования горизонтального полюсового электрода для 4 вертикальных электродов размещенных в ряд (круглая арматура).

.

Поскольку R _ГР< R_ЗАЗ (5,52 < 10), значит заземляющее устройство рассчитано верно.

5.4. Техника безопасности при работе с химическими веществами

При выполнении дипломной работы приходилось работать с различными химическими реактивами.

Во время работы в химической лаборатории необходимо соблюдать следующие мероприятия:

- не пробовать на вкус химические вещества;

- на операциях, где выделяются вредные вещества, работу производить только при включенной вентиляции;

- использовать при работе специальную одежду;

не хранить, не принимать пищу в рабочих помещениях.

Хранение химических веществ должно производиться с учетом их свойств и правил совместного хранения. Общая вентиляция должна включаться за 15 - 20 минут до начала работы и выключаться за 20 - 30 минут до окончания рабочего дня. Вытяжное устройство рассчитывается так, чтобы скорость всасывания воздуха в сечении открытых дверцах шкафа была в пределах 0,5 - 0,7 м/с, а при работе с особо вредными веществами до 1 - 1,5 м/с.

В работе из кислот используются плавиковая, азотная и фосфорная кислоты. При попадании на кожу они могут вызвать ожог, поэтому операции с использованием этих кислот необходимо проводить в резиновых перчатках. Переливать кислоты из бутылки неосходимо используя качалки, сифоны и другие приспособления, предотвращающие разбрызгивание их. Пролитые на пол кислоты или другие химические растворы следует немедленно нейтрализовать специальным раствором и при уборке использовать опилки.

Безопасная работа с органическими растворителями, кислотами, щелочами включает:

При использовании давления оно не должно превышать 0,2 атмосферы.

Бутылки с кислотами и щелочами должны находиться в исправных корзинах, устланых соломой или другими материалами (стружка), пропитанных раствором хлористого кальция.

Фтористоводородная (плавиковая) кислота разъедает стекло, поэтому должна храниться в парафиновых или эбонитовых сосудах.

Безопасная работа с легко воспламеняющимися жидкостями (ЛВЖ):

1. Все операции с ЛВЖ должны производиться с малым количеством в вытяжных шкафах.

2. Для нагрева ЛВЖ следует применять закрытые электронагревательные приборы.

3. При случайных проливах ЛВЖ необходимо выключать нагревательные приборы, место пролива засыпать песком.

4. В случае воспламенения горючей жидкости необходимо:

а) немедленно выключить вентиляцию и нагревательные приборы;

б) вынести из помещения все сосуды с огнеопасными веществами;

в) применить наиболее эффективные средства тушения, руководствуясь противопожарной инструкцией.

5. Запрещается выливать в канализацию горючие жидкости, не смешивающиеся с водой, так как они легче воды и образуют на поверхности пленку.

5.5. Освещенность рабочего места

Правильно спроектированное и выполненное производственное освещение улучшает условия зрительной работы, снижает утомляемость, способствует безопасности труда, снижает травматизм.

В лаборатории технологии полупроводниковых приборов, где выполняется экспериментальная часть дипломного проекта, имеет место совмещенное освещение, которое состоит из естественного бокового и искуственного (представленного газоразрядными лампами). Искуственное освещение имеет равномерный и локализованный характер.

Исходя из выполняемой работы помещения полупроводникового производства согласно СНиП П-4-49 относятся к помещениям с высокой точностью - объект различения 0,3 - 0,5 мм.

Непостоянство - большой недостаток естественного освещения. Величина естественного освещения зависит от времени года, времени суток и технологических условий. Естественное освещение характеризуется отвлеченной величиной - коэффициентом естественной освещенности (КЕО), равным отношению освещенности точки внутри помещения к одновременной наружной горизонтальной освещенности, создаваемой рассеянным светом полностью открытого небосвода, в процентах:

l=(E_вн/E_нар)•100 (5.8)

Нормированное значение КЕО для зданий, располагаемых в I, II, IV и V поясах светового климата, в зависимости от характеристик зрительных работ, системы и вида освещения определяется согласно СНиП II-4-79 по формуле [19]:

l_н^I,II,IV,V=l_н^III•m•C, (5.9)

где l_н^III - значения КЕО для зданий, располагаемых в I, II, IV и V полосах светового климата; m - коэффициент светового климата; С - коэффициент солнечного климата.

По данным таблиц [20] определяем, что Херсонская область принадлежит к IV поясу светового климата, l_н^III=3 %, m=0,9, C=0,85 (при зрительной работе, относящейся к III категории). Подставляя значения в (5.9) получим:

l_н^IV=3•0,9•0,85=2,3 %

При боковом естественном освещении нормируется минимальное значение КЕО l_min. Для III категории зрительных работ l_min=2,0 [20].

Следует отметить, что зрительные работы, которые проводятся в вытяжных шкафах, относятся согласно СНиП П-4-79 к I группе.

5.6. Оздоровление воздушной среды

Одним из необходимых условий здорового и высокопроизводительного труда является обеспечение чистоты воздуха и нормальных метеорологических условий в рабочих помещениях.

Согласно ГОСТ 12.1.005-76.ССБТ. производственные цеха и лаборатории полупроводникового производства относятся к помещениям с незначительным избытком тепла (до 23 Дж/м²) и категории I (легкие физические работы).

Согласно ГОСТ 12.1.005-76.ССБТ. устанослены оптимальные нормы метеоусловий в рабочих зонах:

Таблица 5.1

Нормальные параметры воздушной среды

Период года	Температура,оС	Относительная влажность, %	Скорость движения воздуха, м/c
Теплый период	21 - 23	40 - 60	0,1 - 0,3
Холодный период	18 - 20	40 - 60	0,1 - 0,3

Для обеспечения нормальных температурных условий труда применяется водяное отопление. Следует заметить, что дополнительный источник тепла может создавать электропечь, работа которой будет повышать температуру воздуха в помещении. В холодное время года температура в лаборатории технологии полупроводниковых приборов ниже значений, приведенных в таблице 5.1. Поэтому необходимо в таком случае использовать электронагревательные приборы для поддержания нормальной рабочей температуры.

Ввиду наличия вредных веществ в воздухе производственного помещения или лаборатории, применяется общеобменная и местная механическая вентиляция, а в местах больших скоплений (на участках химической обработки материалов) применяются вытяжные шкафы.

Содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны согласно ГОСТ 12.1.005-76 не должно превышать установленных ПДК. В экспериментальной части дипломного проекта использовались плавиковая (HF), азотная (HNO₃) и ортофосфорная(H₃PO₄) кислоты. ПДК в воздухе в рабочем помещении для HF составляет 1мг/м3, для HNO₃ - 25 мг/м3, для H₃PO₄ ПДК не определен, так как благодаря своим физико-химическим свойствам она имеет ничтожно малое давление паров. Согласно ГОСТ 12.1.005-76.ССБТ. пары HF относятся к 2 классу опасности , пары HNO₃ - к 4 классу опасности.

5.7. Пожарная безопасность

Пожары представляют опасность не только для человека, но и для окружающей среды, ввиду вредных выбросов как продуктов горения, так и вредных веществ, используемых в данном производстве. Пожарная безопасность может быть обеспечена мерами пожарной профилактики и активной пожарной защиты.

Цеха и лаборатории, в которых имеются легковоспламеняющиеся и взрывоопасные вещества относятся к взрывоопасному производству. Согласно СНиП П-90-81 лаборатории и цеха электронной промышленности относятся к категории Б, потому что химические вещества, применяемые в технологическом процессе, а также их модификации, в которых они участвуют в производственном цикле, представляют собой опасность возгорания и взрыва. Согласно СНиП П-2-80 такие цеха и лаборатории также требуют конструкцию зданий, которые относятся к I категории огнестойкости.

При проведении экспериментов из огнеопасных химических веществ используются изопропиловый и изобутиловый спирты. При классификации жидкостей по воспламеняемости, а также при классификации производств, помещений и установок по пожаровзрывоопасности используется такая характеристика, как температура вспышки, которая для различных веществ определена в ГОСТ 12.1.021-80. Также, согласно ГОСТ 12.1.004-76 в зависимости от температуры вспышки горючие вещества подразделяются на легковоспламеняющиеся (ЛВЖ) и горючие (ГЖ). Исходя из вышеприведенных ГОСТов определяем:

- изопропиловый спирт относится к категории ЛВЖ, II разряду, характеристика - постоянно опасный;

- изобутиловый спирт относится к категории ЛВЖ, III разряду, характеристика - опасен при повышенной температуре.

Основной способ прекращения горения в производственном помещении - механический срыв пламени в результате воздействия на него струи воды. Запас воды в емкостях всегда присутствует в помещении лаборатории технологии полупроводниковых приборов. Также в лаборатории присутствует огнетушитель порошковый унифицированный ОПУ-2-03.

Кроме того, пожарная защита обеспечивается максимально возможным применением негорючих веществ и материалов; ограничением количества горючих веществ, изоляцией горючей среды; предотвращением распространения пожара за пределы очага; эвакуацией людей; применением средств индивидуальной и коллективной защиты; применением средств пожарной сигнализации и средств извещения о пожаре.

6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Основной задачей экономических расчетов является определение себестоимости получаемой продукции (в данной работе создание p-n переходов в солнечном элементе методом диффузии из поверхностного источника). Для этого производится калькуляция затраченных средств на производство данного продукта в расчете на 5000 пластин (пластины диаметром 100 мм).