دراسة أطياف الأفلام الرقيقة السيليكونية اللابلورية المهدرجة مختلفة المكونات

دراسة أطياف الأفلام الرقيقة السيليكونية اللابلورية المهدرجة مختلفة المكونات

Spectral investigations of amorphous hydrogenated silicon films of various compositions


المؤلفون:

ي. إ. تيروكوف – ا. س. ابراموف – ف. ب. افاناسيف – م. م. بدرالدين ميرغني – ي. ف. مالتشوكوفا –       ا. ف. سميونوف. جامعة سانت بطرسبيرغ الإلكتروتقنية الحكومية – روسيا – مدينة سانت بطرسبيرغ.

Picture1
قام بالترجمة من الروسية إلى العربية:

منتصر محمد بدرالدين ميرغني – طالب دكتوراه الفيزياء – (التخصص: فيزياء أشباه الموصلات) – جامعة سانت بطرسبيرغ الإلكتروتقنية الحكومية – روسيا – مدينة سانت بطرسبيرغ – 09 فبراير 2013م.

ملخص البحث

تناول البحث طريقة التحليل الطيفي الضوئي في دراسة الأفلام (الأغشية) الرقيقة السيليكونية اللابلورية المهدرجة مختلفة السماكة الطبقية (20، 50، 100، 200 نانوميتر) ومختلفة المكونات (i-Si:H، i-Si1-xCx:H و  p-Si1-xCx:H) المترسبة على طبقات زجاجية.

تبين من النتائج التحليلية والتجريبية أن تكوين الروابط الهيدروجينية في الطبقات (a-Si:H وp- a-SixC1-x:H) عملياً لا تعتمد على سمك الطبقة، في حين أن خصائص الطبقة العازلة (i-a-Si:C:H) تعتمد على السُمك الطبقي (20، 50، 100، 200 نانوميتر).

تم تحديد قيم عرض فجوة الطاقة (Eg، eV) للأفلام الرقيقة السيليكونية اللابلورية المهدرجة مختلفة السماكة الطبقية ومختلفة المكونات بطريقة التحليل الطيفي الضوئي.

الكلمات المفتاحية: الأفلام (الأغشية) الرقيقة السيليكونية اللابلورية المهدرجة مختلفة المكونات، محولات الطاقة الكهروضوئية، الخصائص الطيفية.


المقدمة

الأفلام السيليكونية اللابلورية المهدرجة تستخدم على نطاق واسع كمادة أساسية لصناعة وحدات الخلايا الشمسية الرقيقة.

التغيير في مكونات الأفلام الرقيقة في المقام الأول يكون على حساب إدخال عنصر الكربون في مادة الفلم، الذي لا يؤدي فقط إلى تغيُر عرض فجوة الطاقة، وإنما يؤدي أيضاً إلى تغيُر في قيمة حاجز الجهد ودرجة مستوى العيوب في الرقائق السيليكونية [1-3].

الشكل (1) يوضح الهيكل التخطيطي للخلية الشمسية ذات السلسلة الأُحادية (مخرج ذو سلسلة واحدة من الــ p-i-n) مع الإشارة إلى القيم النموذجية لسُمك الطبقات المختلفة.

Picture2

شكل (1): الهيكل التخطيطي للخلية الشمسية ذات السلسلة الأُحادية

الطبقة العازلة (a-Si:C:H) الموجودة بين الطبقة الأمامية (p) وطبقة التوصيل اللابلورية (i)، تعتبر أهم عنصر في تركيب المحولات الكهروضوئية، المنتجة بالتقنية اللابلورية والتقنية الميكروبلورية [3]. وجود هذه الطبقة بين الطبقتين (i) و (p) يتيح تشكيل وصلة متغايرة (p-i-n) تؤدي إلى تقليل عملية إعادة الاتحاد على الواجهة الأمامية بسب الانتشار العكسي لحاملات الشحنة. وبالإضافة إلى ذلك فإن الطبقة العازلة تعمل كحاجز وتمنع انتشار عنصر البورون في الطبقة (i) الذي يسبب زيادة العيوب فيها.

المادة المستخدمة لإنتاج الطبقة العازلة عادة هي كربيد السيليكون اللابلوري الغير متكافئ (a-SixC1-x:H). وجود الكربون في هذه الطبقة يسمح بزيادة أو اتساع عرض فجوة الطاقة (من 1.7 إلى 2.05 إلكترون فولت) وذلك عند مقارنته مع السيليكون اللابلوري العادي i-Si:H الذي لا يحتوي على عنصر الكربون، حيث يبلغ عرض فجوة طاقته 1.7 إلكترون فولت.

معلوم أن خصائص الأفلام الرقيقة على أساس السيليكون اللابلوري (a-Si:H) تعتمد على سُمك الطبقة، وبما أن السُمك النموذجي لهذه الطبقات المكونة للخلايا الشمسية أقل بكثير من واحد ميكرون (في حدود 10 إلى 20 نانوميتر)، كان لابد من التحكم في خصائص هذه الطبقات بطريقة بصرية ضوئية.

هدف البحث

دراسة أفلام السيليكون اللابلورية المهدرجة مختلفة السماكة (20، 50، 100، 200 نانوميتر) ومختلفة المكونات (i-Si:H، i-Si1-xCx:H،  p-Si1-xCx:H) المُترسِبة على طبقات زجاجية، دراسةً ضوئية بطريقة التحليل الطيفي الضوئي.

تكنولوجيا الإنتاج

تم تحضير وتصنيع عينات خاصة مُشوبة وأخرى عازلة من السيليكون اللابلوري المهدرج وذلك بترسيب السيليكون الموجود في مركب غاز السِيلان SiH4 بطريقة البلازما الكيميائية (plasma-chemical method) وباستخدام تكنولوجيا شركة Oerlikon جهاز رقم KA1-1-1200. الجهاز يسمح بترسيب الأفلام (الأغشية) اللابلورية وكذلك الأفلام الميكروبلورية على ركائز أو قواعد زجاجية في مساحة واسعة تبلغ (1.43m2).

درجة حرارة الترسيب لكل العينات المدروسة كانت 200 درجة مئوية، وتم تشويبها من خلال التغيير والتحكم في مكونات المزيج الغازي.

في هذه الدراسة تم تطوير أساليب دقيقة من التحليل الطيفي الضوئي للأفلام السيليكون غير المتبلور المودعة على ركائز زجاجية والمستخدمة في تصنيع الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة.

التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (IR – spectroscopy)

طريقة التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء تستخدم في دراسة أطياف امتصاص الأشعة تحت الحمراء من قبل أفلام السيليكون غير المتبلور المحمولة على ركائز زجاجية خاصة عالية النقاء والشفافية. هذه الطريقة تسمح باستخدام ودراسة عينات صغيرة من المادة المعدة للتصنيع وتعطي معلومات إضافية حول قيم ومعاملات أفلام السيليكون غير المتبولر والتغيرات التي قد تحدث للعينة، وتحليل البيانات المرتبطة بهذه التغيرات والمتعلقة بثبات واستقرار كفاءة المحولات الكهروضوئية (PV).

قياس أطياف امتصاص الأشعة تحت الحمراء يتيح التحكم في مقدار ونوع روابط ذرات السيليكون والهيدروجين والتي تعتبر ضرورية لتحديد معامل جودة أفلام السيليكون اللابلوري، المرتبط بظاهرة التدهور أو الانحدار الضوئي في الخلايا الشمسية السيليكونية اللابلورية (Amorphous silicon solar cells).

لدراسة طيف نفاذية الأشعة تحت الحمراء عبر هذه العينات لابد من استخدام ركائز زجاجية عالية الشفافية والنفاذية الضوئية خصوصاً في منطقة طيف الأشعة تحت الحمراء. تنتج هذه الركائز الزجاجية عادةً من مادة السيليكون البلوري ويتم الحصول عليها بطريقة الذوبان الحرارية (في بعض المصادر تسمى: طريقة تنظيف المواد الصلبة). وعلى الرغم من ذلك مثل هذه الركائز لديها بعض العيوب وهي:

  1. بنية أفلام السيليكون غير المتبولر تعتمد بدرجة كبيرة على نوع الركيزة المستخدمة، وبالتالي الأفلام المُترسِبة على الركائز الزجاجية المنتجة من مادة السيليكون البلوري بنيتها مختلفة عن تلك الأفلام المُترسِبة على الركائز الزجاجية العادية.
  2. ارتفاع تكلفة هذه الركائر والذي يعني أن المساحة الصغيرة لهذه الركائز تجعل من الصعب التحكم في توحيد خصائص الأغشية الرقيقة عبر مساحة الركائز المستخدمة في صناعة وحدات الخلايا الشمسية.

من الصعب استخدام الركائز الزجاجية المنتجة، لدراسة أطياف الأشعة تحت الحمراء بسبب معامل الامتصاص الكبير في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة من منطقة الضوء المرئي. ولذلك، ينبغي أن يتم القياس في وضع الانعكاس (R) الذي تكون فيه شدة الأشعة الضوئية ضعيفة في الحد الفاصل بين الهواء وطبقة السيليكون اللابلوري. لزيادة شدة الأشعة الضوئية من الضروري التحكم بصرياً في معامل الانكسار بطريقة تؤدي إلى تقليل الانعكاس في واجهة الهواء – سليكون. عندئذٍ سيمر الضوء عبر طبقة السيليكون وسيمتص في داخلها، واستناداً الى قيم معامل انكسار السيليكون اللابلوري (3.5) والزجاج (1.5)  يلاحظ حدوث سلسلة من الانعكاس الكلي الداخلي في واجهة السيليكون – هواء (في داخل طبقة السيليكون).

لتطبيق مثل هذا النظام البصري لابد من وضع مادة ذات معامل انكسار عالي نسبياً على سطح الطبقة السيليكونية المراد دراستها. على سبيل المثال يمكن استخدام مادة سيلينيد الزنك (ZnSe)، معامل انكسارها 2.4 كما موضح في الشكل (2). في هذه الحالة يمكن إجراء معالجة لمعامل الانكسار بحيث تكون زاوية السقوط على سطح كريستال سيلينيد الزنك (ZnSe) 45º، ونتيجة لذلك زاوية الانكسار عند الحد الفاصل بين طبقة ZnSe والسيليكون تساوي 26º (أنظر الشكل – 2). قيمة هذه الزاوية المتحصلة أكبر من قيمة الزاوية الحرجة 25º المطلوبة لتحقيق شرط الانعكاس الكلي الداخلي. من المعلوم أن قيمة معامل الانكسار تنخفض عند السيليكون اللابلوري المشوب بذرات الكربون، بينما لا يحدث تغيير يذكر عند التشويب بذرات البورون. انخفاض قيمة معامل الانكسار يؤدي إلى زيادة قيمة زاوية انكسار الشعاع، التي بدورها تؤدي إلى زيادة قيمة الزاوية الحرجة. ولكن كما أوضحت القياسات عندما يكون معامل انكسار السليكون أقل من 3.5 كما موضح في الشكل 2، فإن شرط الانعكاس الكلي الداخلي يتحقق عند الحد الفاصل بين السيليكون والزجاج. هذا يعني أن مثل هذا الأسلوب يسمح بدراسة الطبقات السيليكونية سوى أن كانت مشوبة بالكربون أو بعنصر البورون، حيث يقع معامل انكسارهما بين ( 2.5 إلى 3.5).

Picture3

شكل (2): مخطط توضيحي لطريقة معالجة الانعكاس الكلي الداخلي

في هذه الورقة تم تطبيق طريقة الانعكاس الكلي الداخلي لدراسة أطياف امتصاص الأشعة تحت الحمراء في الأفلام السيليكونية اللابلورية (شكل – 3). على الرغم من أن هذه الطريقة لا توفر قيم امتصاص مطلقة، إلا أن استخدامها يسمح بقياس الأطياف على ركائز مختلفة بما فيها الركائز الزجاجية.

أجريت قياسات أطياف الأشعة تحت الحمراء على جهاز (Nicolet 8700) وباستخدام البرنامج الحاسوبي (OMNIC) المرفق معه للتحكم في تسجيل الطيف ومعالجته. وأجريت قياسات الانعكاس بمساعدة أنظمة (VeeMaxII) مع إجراء تعديل في الانظمة وذلك باستخدام مادة كريستال سيلينيد الزنك (ZnSe).

تم دراسة أفلام (i-a-Si:H)، (p-SixC1-x:H) و الطبقة العازلة (i-SixC1-x:H) ذات سُمكٍ طبقيٍ متعدد، والمتحصل عليهم بطريقة تبخير (ترسيب) البلازما الكيميائية من الحالة الغازية عند درجة حرارة 200° مئوية. في هذه الورقة تم تحليل لنطاق (شريط) طيف الامتصاص المتعلق بروابط السيليكون-هيدروجين (Si-H) الواقعة بالقرب من 2000 см-1  (شكل -3).

Picture4

شكل (3): أطياف الأشعة تحت الحمراء لأغشية السيليكون اللابلوري

 (طبقة i-a-Si:H الخاصة، طبقة i-SixC1-x:H العازلة وطبقة p-SixC1-x:H المشوبة بالبورون)

نتائج قياس أطياف الأشعة تحت الحمراء أظهرت أن كل من طيف الطبقة الخاصة i-a-Si:H و الطبقة المشوبة p-SixC1-x:H لا يعتمد على سُمك الطبقة. بينما لوحظ وجود قمتين امتصاص واقعتين بالقرب من (2000 و 2100 см-1).

لمقارنة النتائج المتحصل عليها بطريقة قياس أطياف امتصاص ونفاذية الأشعة تحت الحمراء وطريقة معالجة الانعكاس الكلي الداخلي، تم قياس العينات المُرسبة بعملية تبخير الغاز على ركائز متساوية مصنوعة من الزجاج والسيليكون البلوري. حيث كان موقع القمة مطابقاً لنمط وشكل تمدد روابط السيليكون-هيدروجين Si-H في أغشية السيليكون اللابلوري المُرسبة على ركائز الزجاج والسيليكون البلوري، غير معتمدةً على نوع الركيزة وطريقة القياس. في هذه الحالة نسبة توتر الإشارة في الركائز المذكورة أعلاه، قد تترافق مع المسار البصري الكبير للأشعة تحت الحمراء والناجمة عن سقوط الإشعاع المار في الطبقة المزدوجة.

الشكل 4 يبين أطياف الامتصاص لأفلام (i-SixC1-x:H) المستخدمة في الطبقات العازلة. كما مبين في الشكل عند زيادة السُمك من 20 إلى 200 نانومتر، يلاحظ حدوث إزاحة في قمم الامتصاص من 2090 см-1  إلى 2000 см-1، ويترافق مع هذه الإزاحة انخفاض في قيمة معامل البنية المجهرية (R) من 0.68 إلى 0.58. مثل هذه القياسات في شريط الامتصاص المرتبطة بنمط تمدد روابط السيليكون-هيدروجين (Si-H) تشير إلى أنه مع زيادة السُمك في الطبقة المحتوية على تكوينات روابط السيليكون-هيدروجين، يحدث تغير في شكل الرابطة وتتحول من روابط غير مهدرجة إلى روابط أحادية الهدرجة (from dihydrate to monohydrate). هذه التغيرات تعتبر سمة انتقالية من البنية النانوبلورية التي تتوضع فيها ذرات الهيدروجين على حدود الحُبيبات المساهمة في تشكيل المجموعات الغير مهدرجة إلى البنية اللابلورية التي في غالبها روابط معزولة من Si-H. وهذا ما تؤكده البيانات التي تم الحصول عليها من دراسة طيف رامان (Raman spectrum).

Picture5

شكل (4): أطياف امتصاص الأشعة تحت الحمراء لأفلام (i-SixC1-x:H) العازلة

وبهذه الكيفية فإن نموذج الانعكاس الكلي الداخلي يسمح بقياس أطياف امتصاص الأشعة تحت الحمراء لأفلام السيلكون اللابلوري ذات السُمك الرفيع جداً (تبدأ من 20 نانومتر) والمحمولة على الركائز الزجاجية.

تحديد عرض فجوة الطاقة للعينات بطريقة الامتصاص والنفاذية

العينات المدروسة هي عبارة عن طبقات رفيعة جداً من السيليكون اللابلوري المهدرج مختلفة المكونات ذات سُمك طبقي (20، 50، 100، 200 نانومتر) محمولة على قواعد زجاجية. تم قياس أطياف الانعكاس Rλ(λ) والنفاذية Tλ(λ) للعينات المدروسة. تم استخدام مطياف ثنائي الإشعاع (Cary 5000 Agilent Tech) مع دمج جهاز نظام الانعكاس النصف كروي الذي يسمح باستبعاد الاخطاء المرتبطة بإمكانية تشتت الضوء في العينة عند قياس أطياف الانعكاس والنفاذية (شكل- 5).

Picture6

شكل (5): أطياف النفاذية والانعكاس لطبقة i-a-Si:H والتي سُمكها يساوي 20 نانومتر المحمولة على ركائز زجاجية.

أجريت القياسات في مدى طول موجي من 300 إلى 2000 نانومتر، بمعدل تقسيم يساوي واحد نانومتر. كما استخدمت معايراً نموذجية لقياس طيف النفاذية تتمثل في استخدام قواعد (ركائز) زجاجية عالية النقاء والنظافة، لكي تسمح بإزالة أخطاء القياس في الزجاج لمنطقة الضوء فوق البنفسجي، وعند قياس أطياف الانعكاس تم الرجوع إلى عاكس لامبرت المنتج من كبريتات الباريوم Lambert reflector product of barium sulfate).

Screen-Shot-2015-12-20-at-1.05.00-PM

من البيانات الموضحة في الجدول (1) نجد أن قيمة فجوة الطاقة في الطبقة الخاصة (i-a-Si:H) تزيد قليلاً من 1.70 إلى 1.76 إلكترون-فولت وهذه الزيادة متوافقة مع زيادة سُمك الطبقة من 20 إلى 200 نانومتر. زيادة عرض فجوة الطاقة في أفلام السيليكون اللابلوري هو نتيجة لانخفاض قيمة تركيز الهيدروجين في الأفلام ذات السُمك الأقل على حساب انتشار غاز الهيدروجين في عملية التبخير (الترسيب الكيميائي).

الخاتمة

النتائج الرئيسية للدراسة هي على النحو التالي:

  • يمكن قياس أطياف امتصاص الأشعة تحت الحمراء بطريقة معالجة الانعكاس الكلي الداخلي لأفلام السيليكون اللابلوري من سُمك طبقي يبدأ من 20 نانومتر محمولةً على ركائز زجاجية.
  • تكوين الروابط الهيدروجينية في الطبقات المدروسة i-a-Si:H، i-SixC1-x:H و p-SixC1-x:H لا يعتمد على سُمك الطبقة.
  • على أساس كمية معامل البنية المجهرية R = 0.17 يمكن توقع تدهور في طبقات السيليكون اللابلوري (a-Si:H) عند تفاعلها مع الضوء.
  • خصائص الفلم العازل (i-SixC1-x:H) تعتمد على سُمك الطبقة.
  • انخفاض قيمة عرض فجوة الطاقة في طبقات السيليكون اللابلوري المهدرج ذات الطبقات الموصلة من نوع (i-a-Si:H) ملاحظ في الطبقات ذات السُمك الأقل نتيجةً لانخفاض تركيز الهدروجين بسبب انتشاره في عملية التبخير (الترسيب الكيميائي).
  • زيادة عرض فجوة الطاقة للطبقات مختلفة السُمك سوى أن كانت عازلة (i-SixC1-x:H) أو مُشوبة بالبورون يتحقق بزيادة تركيز الكربون في طبقات السيليكون اللابلوري المهدرج.

تم تنفيذ هذا العمل بموجب العقد الحكومي رقم 16.526.12.6017 وبدعم من برنامج التنمية الاستراتيجية لجامعة سانت بطرسبيرغ الإلكتروتقنية الحكومية للسنوات من 2012 إلى 2016م (مشروع رقم2.1.3)

قائمة المصادر

  1. Афанасьев В. П.، Теруков Е. И، Шерченков А. А – Тонкопленочные солнечные элементы на основе кремния: СПб، – 168 с.
  2. Де Роза А. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы: Учебн. Пособие / Пер. с англ. Долгопрудный: Изд. дом «Интеллект»; М.: Изд. дом МЭИ، 704 с.
  3. Thin-film silicon solar cells. Editor: Arvind Shah // EPFL Press، 430 p.

نُشِرَ هذا البحث العلمي في مجلة جامعة ريازان الحكومية للهندسة الراديو – الرقم التسلسلي الدولي (1995-4565 ISSN) العدد 42 صفحة 52~55، مكتوب باللغة الروسية في الجزء الثاني الصادر في ديسمبر 2012 – مدينة ريازان – روسيا. موقع النشر على الشبكة الدولية: http://www.rsreu.ru/content/view/4156/1176/

التصنيف العشري العالمي 621.383.51 (الخلايا الشمسية – المحولات الكهروضوئية)


تعليقات

تعليقات