Анотація до роботи:

Черненко В.В. Процеси фотогенерації і збирання носіїв заряду в кремнійових структурах з дифузійно-польовими бар’єрами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Київський національний університет ім. Тараса Шевченка. - Київ, 2005 р.

В результаті експериментальних і теоретичних досліджень, проведених в дисертаційній роботі, встановлені нові закономірності протікання нерівноважних генераційно-рекомбінаційних і фотоелектричних процесів в багатошарових фоточутливих структурах (ФС) на основі системи Si-SiO₂ з приповерхневими дифузійно-польовими бар’єрами, визначені електрофізичні, генераційно-рекомбінаційні, оптичні, фотоелектричні та мікроструктурні характеристики таких структур при різних способах їх формування і наступних обробок і на цій основі розроблені фізичні і фізико-технологічні принципи підвищення ефективності процесів фотоелектричного перетворення енергії в кремнійових ФС та створені високоефективні сонячні елементи.

В результаті експериментальних і теоретичних досліджень, проведених у даній дисертаційній роботі, встановлені нові важливі закономірності протікання нерівноважних генераційно-рекомбінаційних і фотоелектричних процесів в багатошарових ФС на основі кремнію, визначені електричні, генераційно-рекомбінаційні, оптичні і мікроструктурні характеристики таких структур при різних способах їх формування і наступних обробок і на цій основі розроблені фізичні, технічні і технологічні принципи підвищення ефективності процесів ФПЕ у ФКС. При цьому отримані наступні основні результати:

1. Показано, що система Si-SiO₂, сформована методом термічного окислення кремнію зонної плавки в хлорному середовищі при температурі 1050⁰С, має високі значення генераційного і рекомбінаційного часу життя, низькі значення швидкості поверхневої генерації і густини вбудованого в окис заряду, що свідчить про високу якість межі поділу Si-SiO₂ і приповерхневої області кремнію в електрофізичному і структурному відношенні. Дифузія електрично активних домішок з наступним відпалом при температурі 1000⁰С практично не змінює електрофізичні параметри межі поділу Si-SiO₂, що свідчить про доцільність використання зазначеної системи в ФКС.

2. Вперше показано, що сформовані в однакових умовах шари двоокису кремнію, термічно вирощеного на плоских та текстурованих ділянках поверхні кремнію, суттєво відрізняються як домішковим складом, так і мікроструктурою перехідного шару. Виявлена кореляція між підвищенням концентрації електрично активних домішок на межі поділу Si-SiO₂, з одного боку, і підвищенням генераційної активності, густини вбудованого в окис заряду та концентрації ПЕС - з іншого. На основі отриманих результатів експериментально обгрунтовані модельні уявлення стосовно структурно-домішкової природи електрично-активних центрів, створених в процесі термічного окислення поверхні кремнію, текстурованої в водних розчинах КОН.

3. Теоретично та експериментально проаналізовані особливості просвітлення шаруватих ФС, в яких поверхня кремнію запасивована плівкою SiO₂ з низьким значенням показника заломлення. Показано, що при товщині плівки SiO₂ до 30 нм поверхня таких структур може бути ефективно просвітлена з використанням плівок Si₃N₄ і АПП. Вперше визначені і експериментально підтверджені критерії, при виконанні яких використання АПП приводить до підвищення на 20-30% ефективності процесів ФПЕ у ФКС, в тому числі і при наявності на їх поверхні тонкої плівки SiO₂ товщиною до 30 нм.

4. На основі результатів теоретичного і експериментального дослідження кінетики релаксації малосигнальної фотоерс в ФКС при довільному співідношенні між довжиною дифузії неосновних носіїв заряду і товщиною базової області вперше встановлені критерії, при виконанні яких власний час релаксації малосигнальної фотоерс в області насичення співпадає з ефективним часом життя неосновних носіїв заряду в базовій області цих структур. Запропонований і експериментально обгрунтований новий метод визначення ефективного часу життя неосновних носіїв заряду в базовій області шаруватої ФС. Отримані зазначеним методом значення ефективного часу життя неосновних носіїв заряду в кремнійових СЕ співпали з результатами вимірів часу життя методом спектральних залежностей фотоерс.

5. Вперше теоретично виявлені особливості впливу радіаційного опромінення високоенергетичними протонами на ефективність процесів ФПЕ у випадку довільного співвідношення між глибиною радіаційно пошкодженого шару, довжиною дифузії неосновних носіїв заряду в базі до опромінення та товщиною шаруватої ФС. Запропонована і експериментально обгрунтована тришарова модель неоднорідної по глибині рекомбінації в базі ФС, в якій враховується збільшення кількості дефектів, створюваних високоенергетичними протонами в кінці пробігу. Визначені особливості впливу опромінення високоенергетичними протонами і електронами на фотоелектричні параметри ФКС.

6. З використанням результатів проведених фізичних досліджень розроблені базові конструкції та технологічні процеси дослідного виробництва кремнійових СЕ дифузійно-польового типу на пластинах кремнію p- і n-типу провідності, призначених для використання в СБ космічного і наземного базування. СЕ, виготовлені по розробленій технології, мають високу якість р-n-переходу, малі значення послідовного та великі значення шунтуючого опорів, характеризуються ефективністю до 17% в умовах АМ0 і до 20% в умовах АМ1,5, а також високою відтворюваністю параметрів як у межах пластини, так і від пластини до пластини у межах однієї чи різних партій СЕ.

На основі розроблених СЕ спільно з СКТБ з ДВ ІФН виконаний ряд НДДКР зі створення СБ наземного призначення для сонячно-акумуляторних блоків електроживлення переносної дозиметричної і радіометричної апаратури нового покоління, а також по створенню СБ космічного базування, призначених для використання в системі енергопостачання КА нового покоління КС5МФ2 “Мікрон”. Останні розроблялись в рамках Національної космічної програми України, пройшли повний цикл автономних і комплексних випробувань і характеризуються ефективністю біля 15% та питомою енерговіддачею до 190 Вт/м² в умовах АМ0.

7. Розроблені, виготовлені і метрологічно атестовані на державному рівні установки для автоматизованого експресного вимірювання темнових і світлових ВАХ СЕ і СБ в стандартних умовах АМ0 і АМ1,5 та розрахунку на їх основі електричних та фотоенергетичних параметрів зазначених фотоелектричних генераторів. Ці установки використовуються в складі стендової бази Центру випробувань ФП та батарей фотоелектричних ІФН НАН України, акредитованого Українським державним науково-виробничим центром стандартизації метрології та сертифікації при Держспоживстандарті України.

Публікації автора:

1. Горбань А.П., Костылев В.П., Черненко В.В. Генезис генерационных и зарядовых характеристик системы Si-SiO₂ в процессе изготовления КМОП БИС // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1992. - Вып.24. - С.61-66.

2. Горбань А.П., Костылев В.П., Николин И.Б., Серба А.А., Черненко В.В. Фотоэлектрические и электрофизические характеристики системы Si-SiO₂ с текстурированной поверхностью // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1993. - Вып.25. - С.32-36.

3. Клюй Н.И., Фролов С.И., Литовченко В. Г., Горбань А.П., Костылев В.П., Макаров А.В., Черненко В.В., Семенович В.А. Применение алмазоподобных плёнок углерода как защитных и просветляющих покрытий для солнечных элементов на основе кремния // Функциональные материалы. - 1995. - Т.2, №4. - С.464-468.

4. Горбань А.П., Диденко П.И., Костылёв В.П., Литовченко В.Г., Николин И.Б., Романова Г.Ф., Серба А.А., Черненко В.В. Электрофизические и структурные свойства системы Si-SiO₂ с текстурированной поверхностью // Микроэлектроника. - 1996. - Т.25, №3. - С.211-215.

5. Горбань А.П., Костылев В.П., Саченко А.В., Серба А.А., Черненко В.В. Разработка физико-технических основ создания высокоэффективных кремниевых фотопреобразователей и солнечных батарей космического и наземного применения // Авиационно-космическая техника и технология. Сборник научных трудов (тематический). - 1999. - Вып.8. - С.83-87.

6. Горбань А.П., Прима Н.А., Саченко А.В., Костильов В.П., Серба А.А., Черненко В.В. Вплив радіації на кремнійові сонячні елементи. Теоретичне моделювання ефектів, пов’язаних з просторовою неоднорідністю розподілу радіаційних дефектів // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 2001. - Вып.36. - С.57-64.

7. Горбань А.П., Костылев В. П., Саченко А.В., Серба А.А., Черненко В.В. Теоретический и экс-периментальный анализ рекомбинационных параметров высокоэффективных кремниевых сол-нечных элементов // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 2002. - Вып.37. - С.61-68.

8. Горбань А.П., Прима Н.А., Саченко А.В., Костильов В. П., Серба О.А., Черненко В.В. Аналіз впливу радіаційного опромінення протонами на кремнієві сонячні елементи // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 2003. - Вып.38. - С.78-86.

9. Gorban A.P., Kostylyov V.P., Litovchenko V.G., Nikolin I.B., Serba A.A., Tarasenko L.P., Chernenko V.V. Electrophysical and photoelectrical properties of Si-SiO₂ system with texturized surface // Proc. 37 Internat. Wissenschaftliches Kolloquium Technishe Universitat. - Band 2. - Ilmenau. - 1992. - P.91-95.

10. Gorban A.P., Didenko P.I., Kostylyov V.P., Litovchenko V.G., Nikolin I.B., Romanova G.P., Serba A.A., Chernenko V.V. Evolution of the Si-SiO₂ interface characteristics due to preoxidation texturing of silicon surface // Proceedings of 40 SPIE Internation. Symposium on Optical SCI., Engineering and Instrumentation. - San-Diego, USA. - 1995. - P.236-241.

11. Gorban A.P., Didenko P.I., Kostylyov V. P., Litovchenko V.G., Nikolin I.B., Romanova G.P., Serba A.A., Chernenko V.V. Electrophysical and microstructural characteristics of relief Si-SiO₂ interface in silicon solar cells // Proceedings of 13 European Photovoltaic Solar Energy Conf. and Exhibition. - Nice, France. - 1995. - P.712-714.

12. Gorban A.P., Kostylyov V.P., Sachenko A.V., Chernenko V.V. Generalized analytical model for calculation of conversion efficiency in silicon solar cells // Proceedings of 17 European Photovoltaic Solar Energy Conf. and Exhibition. - Munich, Germany. - 2001. - P.234-237.

13. Горбань А.П., Костылев В.П., Литовченко В.Г., Николин И.Б., Серба А.А., Черненко В.В. Высокоэффективные диффузионно-полевые кремниевые солнечные элементы с термически окисленной поверхностью // Тезисы доклада 6 Республиканской конф. “Физические проблемы МДП-интегральной электроники”. - Севастополь. - 1990. - С.58.

14. Горбань А.П., Костылев В.П., Литовченко В.Г., Макаров А.В., Николин И.Б., Саченко А.В., Серба А.А., Тарасенко Л.П., Черненко В.В. Высокоэффективные кремниевые фотопреобразовате-ли диффузионно-полевого типа с текстурированной фронтальной поверхностью // Тезисы доклада 2 научной конф. “Фотоэлектрические явления в полупроводниках”. - Ашхабад. - 1991. - С.290.

15. Клюй Н.И., Литовченко В.Г., Фролов С.И., Семенович В.А., Горбань А.П., Костылев В.П., Макаров А.В., Черненко В.В. Применение алмазоподобных плёнок углерода как защитных и просветляющих покрытий для солнечных элементов на основе кремния // Тезисы доклада Межго-сударственной конф. стран СНГ “Алмазоподобные плёнки углерода”. - Харьков. - 1994. - С.57-58.

16. Klyui N.I., Semenovich V.A., Kostylyov V.P., Litovchenko V.G., Chernenko V.V. Improvement of solar cell efficiency by deposition of antireflecting diamond-like carbon films // Abstracts of 1 Polish-Ukrainian Symposium “New Photovoltaic Materials for Solar Cells”. - Cracow. - 1996. - P.63.

17. Semenovich V.A., Klyui N.I., Litovchenko V.G., Kostylyov V.P., Chernenko V.V. Protective coatings based on polymer-like DLC films for solar cell applications // Proceedings of 6 International Conf. “Physics and Technology of Thin Films”. - Ivano-Frankivsk - 1997. - P.129.

18. Горбань А.П., Прима Н.А., Саченко А.В., Костильов В. П., Серба О.А., Черненко В.В. Комп’ютерне моделювання впливу радіаційного опромінення протонами на кремнієві сонячні елементи // Тези доповідей 2-ї Української наукової конф. з фізики напівпровідників (УНКФН-2). - Чернівці-Вижниця, Україна. - 2004. - Т.1. - С.219.