Моделирование процесса отжига структур Si/SiO2 для разработки солнечных элементов

В настоящее время солнечные элементы (СЭ) находят все более широкое применение в сфере промышленности, сельского хозяйства, военно-космических отраслях, а также в быту. Перспективнымиявляются полупроводники, которые путем вариации их химического состава и структуры позволяют получать материалыс широким спектром таких физических характеристик, как ширина запрещенной зоны, тип проводимости, удельная электропроводность и т.д. [1].

Тонкие пленки аморфного субоксида кремния a-SiOx:H часто используются в тонкопленочных кремниевых солнечных элементах, в качестве «оконного» слоя в аморфных кремниевых солнечных элементах, поскольку имеют большую ширину запрещенной зоны и приемлемую светочувствительность. Более толстые слои могут применяться как основной слой, в котором поглощается излучение.

В настоящее время кремниевая технология является наиболее распространенным и дешевым способом изготовления СЭ, поэтому внимание технологов обращено на применение нестехиометрических окислов кремния. В литературе известны попытки создания СЭ на основе Si/SiOx/SiO2 имеющих варизонную структуру и обладающих встроенным зарядом, с помощью которого можно производить разделение фотогенерированных носителей заряда внутри источника питания.Благодаря вариации ширины запрещенной зоны большая часть спектральной составляющей солнечного излучения может быть преобразована в электрический ток[3].

Существенную помощь в определении влияния отдельных факторов на различные свойства изучаемой системы способно дать молекулярное моделирование на современном уровне, которое позволяет получить новые теоретические данные о строении, свойствах этих слоев и технологии их получения.

Для моделирования образования такой структуры был применен метод молекулярной динамики. Эксперимент проходил при температуре виртуального отжига T=15000K. За счёт диффузии кислорода в кремний получено распределение концентрации кислорода по толщине переходного слоя. Начальная конфигурация молекулярной системы Si/SiO2,содержит всего 7231 атомов, в SiO2 1443 атома кремния 2877 атомов кислорода, в кристалле Si 2911 атом. Объем кластера кремния Vsi=5.43*4*9*8 А3 размер кластера SiO2Vsio2 = 5.4*5*10*8 А3. Результат моделирования отжига структуры представлен на рис. 1.

Рис.1 Структура Si/SiO2 после проведения отжига.
Теоретические расчеты проводились с использованием следующих режимов:
рабочий объем для проведения расчетов соизмерим с размерами структуры.
использовался режим зеркального отражения, который не позволяет частицам уходить за пределы расчетного объема и появляться с противоположной стороны (как в случае периодических граничных условий).
в результате подбора для расчета структуры $11$10Х$102наиболее эффективным оказался потенциал межатомного взаимодействия ReaxFF.
На рис.2 представлена зависимость концентрации кислорода в переходном слое после отжига структуры Si/SiO2.

Рис. 2 Зависимость распределения концентрации кислорода по глубине диффузионного слояот расстояния.
Распределение кислорода, полученное в результате расчетов, соответствует теоретической зависимости диффузии из ограниченного источника[2]:

{ х \
N(x, tD = Nr * expl- .-i * D * L (1)
Рис. 3 Зависимость ширины запрещенной зоны структуры Si/Si0x/Si02l0-A 14-А 12-А 8-А от номера слоя.
Изменение ширины запрещенной зоны по толщине переходного слоя представлено на рис. 3, на котором видно, что ширина запрещенной зоны изменяется плавно от 1.12 до 9 Эв, что указывает на возникновение варизонной структуры.

Список литературы
1. Сборник материалов I всероссийской научной конференции/ Наноструктуированные материалы и преобразовательные устройства для солнечных элементов 3-го поколения. 19-20 июля. 2013, Чебоксары 2013.
2. Шутов Д.А. Ситанов Д.В. Процессы микро- и нанотехнологий: Лабораторный практикум. Ч.2 / ГОУВПО Иван. Гос. Хим.-технол. Ун-т.-Иваново, 2006. - 135 с.
3. Effect of Ge-nanoislands on the low-frequency noise in Si/SiOx/Ge structures / N.P. Garbar, V.N. Kudina, V.S. Lysenko, S.V. Kondratenko and Yu.N. Kozyrev.

Аннотация. В статье представлены результаты моделирования процесса термического отжига структур Si/SiO2. Показана возможность создания слоя с переменной шириной запрещенной зоны, позволяющего повысить коэффициент полезного действия солнечных элементов.
Ключевые слова: солнечный элемент, нестехиометрические окислы кремния, моделирование отжига, структуры Si/SiO2.

А. И. Мельников