Соглашение от 30 июня 2014 года № 14.604.21.0085 с Минобрнауки России

Тема: Разработка методики модификации структуры и свойств пленок аморфного гидрогенезированного кремния фемтосекундным лазерным облучением для фотовольтаических применений.

Этап 2.

На втором этапе работ были проведены экспериментальные исследования процессов модификации структуры и физических свойств пленок нелегированного аморфного гидрогенизированного кремния при фемтосекундном лазерном облучении. Выполнены работы по определению влияния газовой среды на вызванные лазерным облучением процессы модификации структуры и изменения физических свойств пленок аморфного гидрогенизированного кремния; по исследованию влияния исходной доли нанокристаллических включений на динамику модификации структуры и физических свойств пленок аморфного гидрогенизированного кремния под влиянием фемтосекундного лазерного облучения; по изучению влияния концентрации водорода в исходных пленках аморфного гидрогенизированного кремния на вызванные лазерным облучением процессы модификации их структуры и изменения физических свойств; по исследованию процессов дегидрогенизации пленок аморфного гидрогенизированного кремния, вызванных фемтосекундным лазерным облучением; по изучению возможности гидрогенизации модифицированных лазерным облучением пленок аморфного гидрогенизированного кремния в водородной атмосфере большого давления; по исследованию электрических свойств пленок аморфного гидрогенизированного кремния после их фемтосекундного лазерного облучения и последующей пост-гидрогенизации; по изучению влияния длины волны фемтосекундного лазерного облучения на процессы модификации структуры и изменение физических свойств пленок аморфного гидрогенизированного кремния; по определению оптимальных условий гидрогенизации в водородной плазме пленок аморфного гидрогенизированного кремния, модифицированных фемтосекундным лазерным облучением; по гидрогенизации пленок аморфного гидрогенизированного кремния, модифицированных фемтосекундным лазерным облучением.

В результате проведенных исследований показана существенная роль газовой среды, в которой происходит модификация пленок аморфного гидрогенизированного кремния фемтосекундным лазерным излучением, на изменение структуры, оптических, электрических и оптических свойств, В частности, продемонстрировано существенное влияние кислорода на «лазерную» модификацию структуры и свойств материала при облучении образцов в воздушной атмосфере фемтосекундными лазерными импульсами большой интенсивности. Анализ морфологии поверхности пленок, полученный с помощью атомно-силовой микроскопии показал, что при облучении пленок с плотностью энергии 30-200 мДж/см² на поверхности пленки возникают «шипы» с высотой 30-40 нм. В то же время после обработки пленок аморфного гидрогенизированного кремния лазерным излучением с плотностью энергии 250 мДж/см² и больше на ее поверхности формируются «шипы» с высотой 300-400 нм. При этом отражение света от поверхности пленки резко уменьшается. Для пленок, облученных с плотностью энергии, большей 250 мДж/см², наблюдается уменьшение отражения от поверхности, а также резкое уменьшение проводимости и фоточувствительности.

Установлено, что наличие нанокристаллических включений в структуре пленки аморфного гидрогенизированного кремния ускоряет динамику кристаллизации при лазерном облучении. В то же время проведенные исследования показали, что в процессе вызванной лазерным облучением кристаллизации пленок аморфного гидрогенизированного кремния наблюдается абляция пленок, то есть их отслаивание от подложки. Это, по-видимому, связано с плохой исходной адгезией пленок аморфного гидрогенизированного кремния, содержащего нанокристаллические включения. Плохая адгезия пленок с указанной структурой может быть связана с особенностями распределения атомов водорода в их структуре, а также наличием в структуре подобных пленок молекулярного водорода.

Обнаружено, что процесс увеличения доли кристаллической фазы в облученной пленке a-Si:H сопровождается уменьшением концентрации водорода в ней.

Было исследовано три возможных способа увеличения концентрации водорода в лазерно-модифицированных кремниевых пленках: 1) увеличение концентрации водорода в исходных пленках a-Si:H при помощи уменьшения температуры подложки в процессе осаждения пленок; 2) проведение процедуры пост-гидрогенизации при помещении облученных пленок в атмосферу водорода высокого давления; 3) проведение процедуры пост-гидрогенизации при выдерживании облученных пленок в плазме водорода. Следует отметить, что поиск возможных путей увеличения концентрации водорода в лазерно-модифицированных пленках гидрогенизированного кремния является важной практической задачей.

Показано, что концентрация водорода в исходных пленках аморфного гидрогенизированного кремния влияет на динамику процесса фемтосекундной лазерной кристаллизации и свойства полученного материала. Однако повышение концентрации водорода в исходных пленках не позволяет добиться увеличения содержания водорода в пленках, прошедших процесс лазерной обработки.

Проведенные измерения показали, что процедура гидрогенизации пленок, при помещении их в атмосферу водорода высокого давления, также не эффективна в решении увеличения концентрации водорода в лазерно-модифицированных кремниевых пленках. Гидрогенизация в атмосфере водорода высокого давления приводит к изменениям фотоэлектрических свойств пленок, однако не позволяет существенно увеличить вклад кристаллизованной части пленок в фотопроводимость материала. Можно утверждать, что использованная нами для пост-гидрогенизации температура, меньшая 250 ⁰С (см. раздел 6), является оптимальной. При данной температуре должна происходить пассивация оборванных связей, возникших в результате лазерного облучения. В то же время обработка в водородной плазме в этом случае не должна приводить к изменению структуры пленок, модифицированных излучением. При данной температуре должна происходить пассивация оборванных связей, возникших в результате лазерного облучения. В то же время обработка в водородной плазме в этом случае не приводит к изменению структуры пленок, модифицированных излучением.

Наиболее эффективной является процедура пост-гидрогенизации при выдерживании облученных пленок в плазме водорода. Оптимальной для такой пост-гидрогенизации температурой является температура, меньшая 250 ⁰С.

Были проведены работы по получению серии образцов аморфного гидрогенизированного кремния, модифицированного фемтосекундными лазерными импульсами, подвергнутых пост-гидрогенизации в плазме водорода. Акт выполнения работ по гидрогенизации пленок аморфного гидрогенизированного кремния, модифицированного фемтосекундным лазерным облучением представлен в виде отдельного документа.

Доказано, что использование различных длин волн лазерных импульсов позволяет контролировать глубину проникновения лазерно-индуцированной модификации структуры. Это может быть использовано при создании тандемных структур a-Si:H/nc-Si:H для создания солнечных элементов и других приложений. Фемтосекундная лазерная кристаллизация воздействует не только на объем пленки, но также и на структуру ее поверхности. Важно отметить, что геометрия лазерно-индуцированного текстурирования может быть оптимизирована для нужд солнечной энергетики при варьировании длины волны лазерного облучения.

Работы по второму этапу выполнены в полном объеме.

Научно-технический уровень выполненных на втором этапе работ сравним с лучшими мировыми достижениями в области создания и исследований аморфных материалов для тонкопленочной солнечной энергетики.