Разработка технологии формирования монолитных кремниевых трубок в субмикронном диапазоне с помощью машинного обучения для создания энергоэффективных солнечных элементов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-19-20022

НазваниеРазработка технологии формирования монолитных кремниевых трубок в субмикронном диапазоне с помощью машинного обучения для создания энергоэффективных солнечных элементов

Руководитель Осипов Артём Арменакович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург

Конкурс №91 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-711 - Методы наноструктурирования (нанолитография и сопутствующие процессы)

Ключевые слова Солнечные элементы, вертикальный p-n переход, кремний, безмасочная литография, плазмохимическое травление, машинное обучение, микроструктуры, наноструктуры

Код ГРНТИ29.27.51

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Развитие энергетической промышленности стремится к замене традиционных источников энергии на возобновляемые источники энергии. Наиболее перспективным методом, с точки зрения генерации электроэнергии, считается фотоэлектрическое преобразование энергии солнца. На сегодняшний день наиболее часто используются тонкопленочные солнечные элементы (СЭ) и СЭ на основе кристаллического кремния. Однако, тонкопленочные элементы имеют низкий КПД, что не позволяет полноценно использовать подобные элементы в промышленности. СЭ на основе кристаллического кремния хоть и имеют высокие значения КПД, но их высокая стоимость не позволяет им конкурировать с традиционными источниками энергии. Известно, что одним из перспективных путей решения вышеописанных проблем является создание солнечных элементов, на основе вертикально-ориентированных кремниевых наноструктур, которые также могут использоваться при создании гибких СЭ. Данный подход позволяет увеличить площадь взаимодействия солнечного света с поверхностью солнечного элемента. Кроме того, вертикальные микро- и наноструктуры, по сравнению с плоской поверхностью, более эффективно поглощают рассеянный солнечный свет. Следовательно, такие солнечные элементы имеют максимальное поглощение не только при нормальном падении света в солнечную погоду, но и при рассеянном свете в пасмурную погоду, что приводит к росту итоговой выходной мощности солнечной панели. В связи с этим, наблюдается растущий интерес к созданию солнечных элементов на основе кремниевых вертикально-ориентированных структур в субмикронном диапазоне, в частности кремниевых столбиков и нановолокон. Наиболее перспективным подходом к формированию вертикально-ориентированных структур с гладкими стенками является сочетание двух процессов: 1. безмасочная литография методом Ленгмюра-Блоджетт для формирования плотноупакованного равномерного массива латексных сфер, которые используются в качестве маски для травления; 2. плазмохимическое травление (ПХТ) в смешанном режиме при «комнатной» температур. Исходя из вышесказанного, особо актуальными являются вопросы формирования альтернативной геометрии вертикально-ориентированных структур, а именно формирование кремниевых монолитных трубок в субмикронном диапазоне. Данные структуры ранее не были никем изучены, однако позволяют ещё больше увеличить площадь взаимодействия солнечного света и поверхности СЭ и могут быть использованы в качестве основы солнечных элементов с вертикальными p-n/p-i-n переходами. Кроме того, на сегодняшний день, в литературе отсутствует какая-либо информацию о создании подобного рода структур методами Ленгмюра-Блоджетт и плазмохимического травления в смешанном режиме при «комнатной» температуре. Таким образом, в ходе реализации проекта планируется 1. Изучить физико-химические закономерности нанесения латексных сфер на поверхность кремниевых пластин методом Ленгмюра-Блоджетт, для создания плотноупакованного массива сфер на поверхности кремния, которые играют роль маски в процессе плазмохимического травления кремния. 2. Изучить физико-химические закономерности процесса плазмохимического травления латексных сфер, с целью контролируемого изменения плотности и размера вертикально-ориентированных кремниевых структур. 3. Изучить физико-химические закономерности ПХТ кремния в субмикронном диапазоне в смешанном режиме с применением машинного обучения, с целью создания кремниевых монолитных трубок. На этой основе в первые в мире разработать технологию формирования кремниевых трубок в субмикронном диапазоне, с целью последующего применения подобных структур для создания солнечных элементов. 4. В первые в мире изучить влияние геометрических характеристик кремниевых трубок в субмикронном диапазоне на фотоэлектрические и электрофизические свойства кремния. 5. Разработан и создан прототип солнечного элемента на основе кремниевых трубок с размерами в субмикронном диапазоне.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Изучено виляния технологических параметров процесса коллоидной литографии методом Ленгмюра-Блоджетт. На основе полученных результатов определены оптимальные технологические параметры для сфер диаметром 1,8 мкм: соотношение массовых долей компонентов коллоидной суспензии (сферы/этиловый спирт/воды) 6/40/54%, объем коллоидной суспензии 200 мкл, поверхностное давление 38 мН/м, скорость сжатия монослоя до ГПУ 2 мм/мин, диапазон изменения скорости сжатия монослоя в процессе его переноса на пластину 1-3 мм/мин, скорость подъема пластины 2 мм/мин. При заданных технологических параметрах удалось сформировать монослой полистирольных сфер на поверхности кремниевой пластины диаметром 76 мм с площадью покрытия 99,5%, число границ составило 14%, а средняя площадь домена составила около 7000 мкм2. Продемонстрирован новый подход к изготовлению 3D коллоидных кристаллов на основе полистирольных сфер, демонстрирующих гексагональную плотноупакованную структуру и однородную толщину на большой площади. Данная техника заключается в сочетании двух методов коллоидной сборки – метода Ленгмюра-Блоджетт для создания первого слоя на пластине и метода центрифугирования для формирования последующих слоёв (за один процесс центрифугирования формируется один слой). Использование оригинальной автоматизированной системы Ленгмюра-Блоджетт позволило получить гексагональный плотноупакованный монослой на всей площади кремниевой пластины с диаметром 76 мм, при этом площадь бездефектного домена составила 3000 мкм2, для сфер диаметром 1,25 мкм. Было установлено, что высокая степень порядка и большая площадь домена в первом слое, чего не позволяет достичь метод центрифугирования, являются залогом успешного создания 3D упорядоченной структуры. Однако было выявлено, что использование метода Ленгмюра-Блоджетт для последовательного формирования последующих слоёв кристалла приводит к серьёзным нарушениям в трёхмерном упорядочении. А именно, сферы не занимают термодинамические выгодные для них позиции, соответствующие плотнейшей упаковке, а переносятся под действием внешней сжимающей силы, сохраняя упорядоченность только в плоскости слоя. Наоборот, последовательные процессы центрифугирования позволяют создавать слои, правильным образом ориентированные относительно нижележащего слоя. В результате были получены рекордные на сегодняшний день (беря во внимание кристаллы с контролируемой однородной толщиной на основе сфер с диаметром более 1 мкм) значения площади покрытия 76 мм пластины HCP структурой (97% для 1.25 мкм сфер и 96% для 1.8 мкм сфер) и площади бездефектного HCP домена (1100 мкм2 для 1.25 мкм сфер и 1600 мкм2 для 1.8 мкм сфер). В спектрах пропускания (нормальное падение луча) структур были обнаружены пики, соответствующие дифракции Брэгга от параллельных плоскостей (0001) HCP структуры и дифракции от 2D плоскости гексагонального массива. А именно, 3D коллоидный кристалл на основе полистирольных сфер с диаметром 1.25 мкм демонстрировал провалы в пропускании в диапазоне длин волн 2784-2810 нм и 1512-1543 нм, а на основе сфер с диаметром 1.8 мкм – при 3940-3950 и в диапазоне 2150-2169 нм. Полученные результаты говорят о том, что положения стоп-зон коллоидного кристалла можно настраивать путём изменения диаметра используемых сфер. Стоит отметить, что экспериментально полученные диапазоны длин волн, при которых семейство плоскостей (0001) кристалла ограничивает распространение света, отличались от теоретически рассчитанных значений не более, чем на 5% для двухслойных структур и не более, чем на 7% для трёхслойных структур, что подтверждает достаточно высокую степень трёхмерной упорядоченности структуры кристалла. Небольшое различие в экспериментально полученных длинах волн для структур с различным количеством слоёв связано с незначительным уменьшением средней площади бездефектного HCP домена при увеличении количества слоёв, что отражалось на эффективном показателе преломления структуры. Обнаруженные стоп-зоны не были глубокими, пропускающая способность уменьшалась не более чем на 20%, что связано с низкой разницей в диэлектрических проницаемостях полистирола и воздуха. Таким образом, разработанная технология может быть использована для формирования 3D коллоидных кристаллов с целью их потенциального использования в качестве шаблонов для создания бездефектной структуры обратного опала и созданию на его основе фотонного кристалла с перестраиваемой запрещённой зоной. Проведены систематические исследования процесса плазмохимического травления полистирольных сфер в плазме кислорода на установке с цилиндрическим источником ИСП. На основе полученных экспериментальных данных разработана технология прецизионного уменьшения сфер для формирования маскирующих покрытий с заданными размерами. При мощности источника ИСП 250 Вт, напряжении смещения 0 В, расходе кислорода 30 см3/мин, температуре подложкодержателя 1 °C и давлении 1,5 Па скорость травления сфер составляет порядка 30 нм/мин и изотропия травления 0,65. Таким образом, разработана технология формирования маскирующих покрытий из полистирольных сфер с заданной плотностью и размером элемента.

Публикации

1. Фумина А.Е., Спешилова А.Б., Белянов И.А., Ендиярова Е.В., Осипов А.А. Technique for creating 3D ordered colloidal crystals with hexagonal close packing and uniform thickness over a large area The Journal of Physical Chemistry B: Biophysics, Biomaterials, Liquids, and Soft Matter, На сегодняшний день вышла только онлайн версия публикации (год публикации - 2024)
10.1021/acs.jpcb.4c06234

2. Фумина А.Е., Спешилова А.Б., Белянов И.А., Ендиярова Е.В., Осипов А.А. Large-Scale Formation of a Close-Packed Monolayer of Spheres Using Different Colloidal Lithography Techniques Langmuir, Том 40, выпуск 41, стр. 21484 - 21498 (год публикации - 2024)
10.1021/acs.langmuir.4c02275

3. Фумина А.Е., Белянов И.А., Спешилова А.Б., Ендиярова Е.В., Осипов А.А. Bayesian Optimization of Colloidal Monolayer Formation in Langmuir–Blodgett System Langmuir, Том 41, выпуск 41, стр. 27855 - 27867 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5c03414