Den monokristallina Si-tunna filmen skalades av med hjälp av tejp. Kreditera: CrystEngComm
En forskargrupp från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) och Waseda University har framgångsrikt producerat högkvalitativt tunnfilms monokristallint kisel med reducerad kristalldefektdensitet ner till kiselwafernivån med en tillväxthastighet som är mer än 10 gånger högre än tidigare . I princip, denna metod kan förbättra råvaruutbytet till nästan 100 procent. Därför, det kan förväntas att denna teknik kommer att göra det möjligt att drastiskt minska tillverkningskostnaderna samtidigt som energigenereringseffektiviteten för monokristallina kiselsolceller bibehålls, som används i de flesta högeffektiva solceller.
Att effektivt omvandla solenergi för att generera el är en effektiv lösning på problemet med global uppvärmning relaterad till CO 2 utsläpp. Genom att göra de monokristallina Si-solcellerna som är kärnan i solenergisystem tunnare, det är möjligt att kraftigt minska råvarukostnaderna, som står för cirka 40 procent av kostnaden för nuvarande moduler. Att göra dem flexibla och lättare skulle öka användningen och minska kostnaderna.
Dessutom, som en metod för att minska tillverkningskostnaderna, tunnfilms monokristallina Si-solceller som använder ett dubbelporöst kiselskikt (DPSL) via lift-off väcker uppmärksamhet. Bland de tekniska utmaningarna relaterade till monokristallina Si-solceller som använder lift-off är (1) bildandet av en högkvalitativ tunnfilm Si på Si-wafernivå, (2) uppnå en porös struktur som lätt kan lyftas av (skalas av), (3) förbättring av tillväxthastigheten och Si-råvaruutbytet (nödvändiga utrustningskostnader bestäms av tillväxthastigheten), och (4) att kunna använda substratet efter avlyftning utan något avfall.
För att övervinna utmaningen (1), det var nödvändigt att klargöra de viktigaste faktorerna som bestämmer kvaliteten på tunnfilmskristaller odlade på poröst kisel, och att utveckla en teknik för att kontrollera dessa.
Ett gemensamt forskarlag bestående av professor Manabu Ihara och biträdande professor Kei Hasegawa från Tokyo Tech, och professor Suguru Noda vid Waseda University har utvecklat ett högkvalitativt tunnfilms monokristallint kisel med en tjocklek på cirka 10 μm och en reducerad kristalldefektdensitet ner till kiselskivans nivå med en tillväxthastighet som är mer än 10 gånger högre än tidigare. Först, poröst kisel av nanoordning i dubbelt lager genereras på ytan av en monokristallin skiva med hjälp av en elektrokemisk teknik. Nästa, ytan slätades till en grovhet av 0,2 till 0,3 nm via en unik zonuppvärmningsmetod (ZHR-metoden), och detta substrat användes för höghastighetstillväxt för att erhålla en monokristallin tunn film med hög kristallkvalitet. Den odlade filmen kan lätt skalas av med det porösa Si-skiktet i dubbla lager, och substratet kan återanvändas eller användas som en förångningskälla för tunnfilmstillväxt, vilket avsevärt minskar materialförlusten. När ytråheten hos det underliggande substratet minskas genom att ändra ZHR-metodens villkor, defektdensiteten hos tunnfilmskristallen som odlades minskade, och teamet lyckades så småningom minska den till Si-wafernivån på cirka 1/10. Detta visar kvantitativt att en ytråhet i intervallet endast 0,1-0,2 nm (nivå av atomer till flera tiotals lager) har en viktig inverkan på bildandet av kristalldefekter, vilket också är av intresse som en kristalltillväxtmekanism.
Filmbildningshastigheten och omvandlingshastigheten för Si-källan till den tunnfilms-Si är flaskhalsar vid framställningen av tunnfilm monokristallint Si. Med kemisk ångavsättning (CVD), som främst används för epitaxi, den maximala filmbildningshastigheten är några μm/h och utbytet är cirka 10 procent. Vid Noda Laboratory vid Waseda University, istället för den vanliga fysiska ångdepositionen (PVD) där rå Si förångas vid en smältpunkt på 1414 °C, genom att förånga det råa Si vid mycket högre temperatur på> 2000 grader C, en snabb förångningsmetod (RVD) utvecklades med ett högt Si-ångtryck som kan avsätta Si med 10 μm/min. Forskarna fann att ZHR-tekniken löser tekniska problem och drastiskt minskar tillverkningskostnaden för lyftprocessen.
Baserat på resultaten av denna studie, inte bara upptäckte teamet de viktigaste faktorerna för att förbättra kvaliteten på kristaller under snabb tillväxt på poröst kisel som används för lyftningsprocessen, de lyckades kontrollera dem. Resultaten publiceras i tidskriften Royal Society of Chemistry (RSC). CrystEngComm och kommer att finnas på insidan av framsidan av numret.
