Результаты по проекту РФФИ № 16-32-60060 «Механизмы переноса носителей заряда в нанокристаллических полупроводниковых системах на основе кремния и оксидов металлов» за 2017 год.

Соглашение от 30 июня 2014 года № 14.604.21.0085 с Минобрнауки России

Тема: Разработка методики модификации структуры и свойств пленок аморфного гидрогенезированного кремния фемтосекундным лазерным облучением для фотовольтаических применений.

Этап 1.

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 30 июня 2014 года № 14.604.21.0085 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 30 июня по 31 декабря 2014 года выполнялись следующие работы:

1. Аналитический обзор современной научно-технической литературы по методам модификации структуры поверхности пленок аморфного гидрогенизированного кремния с использованием лазерного облучения.
2. Проведение патентных исследований по ГОСТ Р 15.011-96.
3. Определение оптимальных технологических условий получения пленок аморфного гидрогенизированного кремния методом плазмохимического осаждения из газовой фазы.
4. Изучение основных закономерностей влияния параметров фемтосекундного лазерного облучения на изменение структуры пленок аморфного гидрогенизированного кремния
5. Определение возможных механизмов структурной модификации аморфного гидрогенизированного кремния фемтосекундным лазерным излучением.
6. Определение параметров фемтосекундного лазерного облучения, приводящего к абляции пленок аморфного гидрогенизированного кремния.
7. Оценка параметров фемтосекундного лазерного облучения, при которых происходит кристаллизация пленок аморфного гидрогенизированного кремния.
8. Изучение влияния дозы фемтосекундного лазерного облучения на изменение структуры поверхности пленок аморфного гидрогенизированного кремния.
9. Определение оптимальных технологических условий получения пленок наномодифицированного аморфного кремния с различной долей нанокристаллической фазы методом плазмохимического осаждения из газовой фазы.
10. Формирование пленок нелегированного гидрогенизированного аморфного кремния различной толщины (0.2-1 мкм) методом плазмохимического осаждения из газовой фазы на пластинах монокристаллического кремния и кварцевом стекле с проводящим подслоем.
11. Формирование пленок нелегированного наномодифицированного аморфного кремния различной толщины (0.2-1 мкм) методом плазмохимического осаждения из газовой фазы на пластинах монокристаллического кремния и кварцевом стекле с проводящим подслоем.
12. Изучение влияния толщины пленок аморфного гидрогенизированного кремния на процессы модификации их структуры при фемтосекундном лазерном облучении.

При этом были получены следующие результаты:

Был выполнен анализ информационных данных, осуществлен выбор технологических условий создания пленок аморфного гидрогенизированного кремния и определены допустимые интервалы параметров лазерного облучения, приводящие к модификации структуры аморфного кремния.

Проведен также обзор научно-технической литературы, который свидетельствует о возможности использования фемтосекундного лазерного облучения для модификации свойств аморфного гидрогенизированного кремния с целью использования такого материала в тонкопленочных солнечных элементах. Был сделан вывод, что для эффективного использования такого материала необходимо установить особенности электронных процессов, определяющих электрические и фотоэлектрические свойства пленок гидрогенизированного кремния (как аморфного, так и двухфазного, содержащего аморфную и кристаллическую фазы), подвергнутых фемтосекундному лазерному облучению; определить оптимальные фотоэлектрические параметры такого материала с точки зрения использования в солнечной энергетике; разработать методику получения модифицрованного фемтосекундными лазерными импульсами аморфного кремния с оптимальными параметрами для солнечной энергетики.

В результате проведенных патентных исследований не обнаружено каких-либо материалов, которые бы препятствовали использованию результатов работ в Российской Федерации.

Сформулированы требования к таким параметрам как мощность разряда и температура подложки в процессе осаждения пленки аморфного гидрогенизированного кремния методом пламохимического осаждения из газовой фазы. Показано, что получаемые таким методом пленки, могут быть успешно модифицированы фемтосекундным лазерным излучением.

Проведен цикл экспериментов по установлению взаимосвязи параметров фемтосекундного лазерного облучения со структурными изменениями пленок аморфного гидрогенизированного кремния в процессе их облучения. Показано, что увеличение плотности энергии фемтосекундных лазерных импульсов, используемых для облучения пленок аморфного гидрогенизированного кремния, приводит к увеличению доли кристаллической фазы и шероховатости поверхности пленок. Однако при больших плотностях энергии в лазерных импульсах начинается процесс окисления пленки и наблюдается абляция. Определены параметры фемтосекундного лазерного облучения, при которых начинается кристаллизация пленок аморфного гидрогенизированного кремния.

Исследовано влияние толщины пленки аморфного гидрогенизированного кремния на долю кристаллической фазы. Установлено, что для полного плавления пленок с толщиной выше 300 нм требуется использование излучения с высокой плотностью лазерной энергии (выше 300 мДж/см2). Однако при таких интенсивностях наблюдается значительная шероховатость поверхности, по-видимому, связанная с взрывным выходом водорода из структуры гидрогенизированного кремния.

Рассмотрен также способ формирования наномодифицированного аморфного кремния методом плазмохимического осаждения из газовой фазы. Определены технологичесике параметры метода плазмохимического осаждения из газовой фазы смеси моносилана и водорода, позволяющие изменять в широких пределах долю кристаллической фазы и добиваться необходимых для использования в солнечной энергетике значений фотоэлектрических параметров (фоточувствительности, стабильности оптических и фотоэлектрических свойств) пленок наномодифицированного аморфного кремния.

Научно-технический уровень выполненных на первом этапе работ сравним с лучшими мировыми достижениями в области создания и исследований аморфных материалов для тонкопленочной солнечной энергетики.

Полученные на первом этапе работ результаты полностью соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту и свидетельствуют о перспективности продолжения работ по данному Соглашению.