Structural features and electrical properties of si(al) thermal migration channels for high-voltage photovoltaic converters

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The results of a study of the structural features and electrical properties of Si(Al) through thermomigration p-channels in a silicon wafer are presented. Structural studies were performed using X-ray methods of projection topography, diffraction reflection curves and scanning electron microscopy. It is shown that the channel-matrix interface is coherent without the formation of mismatch dislocations. The possibility of using an array of thermomigration p-channels of 15 elements to form a monolithic photovoltaic solar module in a Si(111) silicon wafer based on p-channels with a width of 100 microns with walls in the plane is shown. The monolithic solar module has a conversion efficiency of 13.1%, an idle voltage of 8.5 V and a short-circuit current density of 33 mA/cm².

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. A. Lomov

Valiev Institute of Physics and Technology of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: lomov@ftian.ru
Russian Federation, Moscow

B. M. Seredin

Platov South Russian State Polytechnic Institute (NPI)

Email: lomov@ftian.ru
Russian Federation, Novocherkassk

S. Yu. Martyushov

Technological Institute for Superhard and Novel Carbon Materials

Email: lomov@ftian.ru
Russian Federation, Troitsk

A. A. Tatarintsev

Valiev Institute of Physics and Technology of Russian Academy of Sciences

Email: lomov@ftian.ru
Russian Federation, Moscow

V. P. Popov

Platov South Russian State Polytechnic Institute (NPI)

Email: lomov@ftian.ru
Russian Federation, Novocherkassk

A. V. Malibashev

Platov South Russian State Polytechnic Institute (NPI)

Email: lomov@ftian.ru
Russian Federation, Novocherkassk

References

  1. Markvart T., Castafier L. Practical Handbook of Photovoltaics: Fundamentals and Applications. Oxford — New York — Tokyo: Elsevier Science Ltd., 2003. 984 р.
  2. Philipps S.P., Cristóbal López A., Martí Vega A., López L. Present Status in the Development of III—V Multi-Junction Solar Cells, Next Generation of Photovoltaics, Springer Series in Optical Sciences. 2012. V. 165. Berlin, Heidelberg: Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-642-23369-2_1
  3. Da X., Chen C., Deng Y., Wood A., Yang G., Fei C., Huang J. Pathways to High Efficiency Perovskite Monolithic Solar Modules // PRX ENERGY. 2022. V. 1. Р. 013004. https://doi.org/10.1103/PRXEnergy.1.013004
  4. Ryan C.Ch., Remco W.A., Havenith Jan. C., Hummelen L., Koster Jan A., Loi M.A. Modern Plastic Solar Cells: materials, mechanisms and modeling // Materials Today. 2013. V. 16. P. 281.
  5. France R.M., Geisz J.F., Song T., Olavarria W., Young M., Kibbler A., Steiner M.A. Triple-junction solar cells with 39.5% terrestrial and 34.2% space efficiency enabled by thick quantum well superlattices // Joule. 2022. V. 6. No. 5. Р. 1121–1135. https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.04.024
  6. Anthony T.R., Cline H.E. Lamellar devices processed by thermomigration // J. Appl. Phys. 1977. V. 48. P. 3943–3949.
  7. Pfann W.G. Zone Melting. 2nd Ed. New York: Wiley, 1963. 236 p.
  8. Lozovskii V.N., Lunin L.S., Popov V.P. Zonnaya perekristallizaciya gradientom temperatury poluprovodnikovyh materialov. M.: Metallurgiya, 1987. 232 p. [in Russian].
  9. Lozovskii V.N., Udaynskaya A.I. Investigation of the Mechanism of Silicon Crystallization from an Aluminum-Silicon Melt by Temperature Gradient Zone Melting // Sov. Phys. Crystallography. 1968. V. 13. No. 3. P. 565–566.
  10. Lozovskii V.N., Popov V.P. On the stability of the growth front during crystallization by the moving solvent method // Sov. Phys. Crystallography. 1970. V. 15. No. 1. P. 149–154.
  11. Cline H.E., Anthony T.R. Thermomigration of aluminum-rich liquid wires through silicon // J. Appl. Phys. 1976. V. 47. No. 6. P. 2332–2336.
  12. Buchin E.Y., Denisenko Y.I., Simakin S.G. The structure of thermomigration channels in silicon // Tech. Phys. Lett. 2004. V. 30. No. 3. P. 205–207.
  13. Norskog A.C., Warner Jr.R.M. A horizontal monolithic series-array solar battery employing thermomigration // J. Appl. Phys. 1981. V. 52. No. 3. P. 1552–1554.
  14. Lozovskii V.N., Lomov A.A., Lunin L.S., Seredin B.M., Chesnokov Yu.M. Crystal Defects in Solar Cells Produced by the Method of Thermomigration // Semiconductors. 2017. V. 51. No. 3. P. 285–289.
  15. Eslamian M., Saghir M.Z. Thermodiffusion Applications in MEMS, NEMS and Solar Cell Fabrication by Thermal Metal Doping of Semiconductors // FDMP. 2012. V. 8. No. 4. P. 353–380.
  16. Renyan W.R. Silicon Semiconductor Technology. McGraw-Hill: McGRAW — Hill Book Company, 1965. 277 p.
  17. Jasurbek G., Rayimjon A., Bobur R. Effect of the Local Mechanical Stress on Properties of Silicon Solar Cell // J. of Mech. Eng. Res. and Devel. 2021. V. 44. No. 9. P. 125–133.
  18. Lomov A.A., Punegov V.I., Seredin B.M. Laue X-ray diffraction studies of the structural perfection of Al-doped thermomigration channels in silicon // J. Appl. Cryst. 2021. V. 54. P. 588–596. https://doi.org/10.1107/S1600576721001473
  19. Lomov A.A., Punegov V.I., Belov A.Yu., Seredin B.M. High resolution X-ray Bragg diffraction in Al-doped thermomigration channels in silicon // J. Appl. Cryst. 2022. V. 55. P. 558–568. https://doi.org/10.1107/S1600576722004319
  20. Morillon B. Etude de la thermomigration de l’aluminium dans le silicium pour la réalisation industrielle de murs d’isolation dans les composants de puissance bidirectionnels. Doct. Thesis, Toulouse: INSA de Toulouse, 2002. https://tel.archives-ouvertes. fr/tel-00010945/
  21. Seredin B.M., Lomov A.A., Zaichenko A.N., Gavrus I.V., Pashchenko A.S., Malibashev A.V., Ruban L.V. Elektricheskie svojstva kremnievyh vysokovol’tnyh fotopreobrazovatelej na osnove skvoznyh termomigracionnyh kanalov // Fizika. Sankt-Peterburg: Politekh-Press, 2021. P. 456–458 [in Russian].
  22. Seredin B.M., Popov V.P., Gavrus I.V., Zaichenko A.N. Primenenie lokal’noj perekristallizacii kremniya alyuminiem v fotovol’taike // Mokerovskie chteniya. Moskva: NIYAU MIFI, 2023. P. 146–147 [in Russian].
  23. Lozovskij V.N., Popov V.P., Darovskij N.I. Startovaya nestabil’nost’ linejnyh i tochechnyh zon pri zonnoj plavke s gradientom temperatury. Sbornik Trudov, Kristallizaciya i Svojstva Kristallov. Novocherkassk, 1970. V. 208. P. 39–43 [in Russian].
  24. Poluhin A.S. Termomigraciya neorientirovannyh linejnyh zon v kremnievyh plastinah (100) dlya proizvodstva chipov silovyh poluprovodnikovyh priborov // Komponenty i tekhnologii. 2008. No. 11. P. 97–100 [in Russian].
  25. Yoshikawa T., Morita K. Solid Solubilities and Thermodynamic Properties of Aluminum in Solid Silicon // J. Elect. Society. 2003. V. 150. No. 8. https//doi: 10.1149/1.1588300
  26. Seredin B. M., Kuznetsov V. V., Lomov A. A., Zaichenko A.N., Martyushov S.Yu. Precision silicon doping with acceptors by temperature gradient zone melting // J. Phys: Conf. Series. 2019. P. 39–46.
  27. Bowen D.K., Tanner B.K. High Resolution X-ray Diffractometry and Topography. London, Bristol: Taylor & Francis, 1998. 252 p.
  28. Sah C.T., Noyce R.N., Shockley W. Carrier Generation and Recombination in p—n Junction and p—n Junction Characteristics // Proceedings of the IRE. 1957. V. 45. No. 9. P. 1228–1243.
  29. Sze S. M., Kwok K. Ng. Physics of semiconductor devices // A. John Wiley & Sons. Inc. Publ. 2007. 832 p.
  30. Lomov A.A., Seredin B.M., Martyushov C. Yu., Zaichenko A.N., Shul’pina I.L. The Formation and Structure of Thermomigration Silicon Channels Doped with Ga // Technical Physics. 2021. V. 66. No. 3. P. 453–460. https://doi.org/10.1134/S1063784221030178

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Fragment of the diagram of the sample plate Si(111) with p-channels Si(Al) (a) and contact locations for measuring the electrical U-I-R parameters of the p-n junction (b), where h is the plate thickness; L is the distance between the channels; l is the channel width; x = 0 is the position of the channel center on the plate surface.

Download (142KB)
3. Fig. 2. Schematic diagram of a monolithic solar module consisting of several elements: 1 — initial silicon wafer; 2 — p-channel Si(Al) (ThM process); 3 — working p—n-junction; 4 — separating groove; 5 — Ag shunt; 6 — p-layer Si(B) (solid-state deep diffusion).

Download (101KB)
4. Fig. 3. Fragments of SEM images (a, b) and a micrograph (c) of the same section of the Si(111) surface (a, c) and a cleavage (b) of the thermomigration p-channel of Si(Al), oriented on the wafer surface along the 112 direction

Download (428KB)
5. Fig. 4. Fragments of SEM images of the rear surface of Si(111) (a) and a cleavage (b) of two adjacent thermomigration channels of Si(Al), oriented along the |112| and |110| directions.

Download (247KB)
6. Fig. 5. Fragments of projection topograms with an array of through vertical Si(Al) ThM channels formed along the direction of the Si(111) plate. Reflections: g || (440) (a), (b) and g || (224) (c). AgKα₁ radiation.

Download (376KB)
7. Fig. 6. Diffraction transmission curves of 220 reflection in the region of the ThM channel of Si(Al) in the matrix Si(111) depending on the position of the X-ray beam relative to the channel center: x = 350 (1), 50 (2), 0 (3), –50 μm (4). Radiation λ = 0.070931 nm.

Download (92KB)
8. Fig. 7. Inverse characteristics I(U) (1, 2) for individual n-p-n structures (see Fig. 1, b) of the sample and the model curve I(U) (3) for an n-type silicon wafer (P, 10¹⁴ cm⁻³) (a); metallurgical micrograph of the SiAl channel (b); G is the direction of the temperature gradient during thermomigration.

Download (164KB)
9. Fig. 8. I(U) characteristics of the AC (1) and BC (2) p-n junctions at the p-channel boundary (see Fig. 1, b). Solid lines (3), (4) represent the simulation of an abrupt p-n junction for n-type Si (ρ = 45 Ohm×cm with α = 1.54 and α = 1, respectively (a); temperature dependences of the resistance R on the width l of the Si(Al) channel for T = 1300 K (5), 1350 K (6), and 1400 K (7) (b).

Download (164KB)
10. Fig. 9. J-U (a) and Pd-U (b) characteristics for monolithic MHSM solar modules with a radiation power of 1000 W/m². In both figures: 1 - reference module #A; 2 - defective module #B.

Download (101KB)
11. Fig. 10. Short-circuit density Jsc (a), open-circuit voltage Uoc (b) and efficiency Eff (c) for the i-th solar cell of module #B (radiant power 1000 W/m², Tsc = 25°C).

Download (162KB)
12. Fig. 11. Fragments of the X-ray projection of the Lang topogram of a 15-element MSCM module (see Fig. 2) with perfect (a) and defective (b) solar cells: Sh₂₃, Sh₈₉ — Ag shunts between channels on the back side of the module; 1, 2 — working p—n junction; 3 — boundary of Ag shunts; 4 — left boundary of the dividing groove; nᵢ — p-channel number. Reflection – 224, emission — МоКα₁.

Download (215KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».