Инновации 20 сентября 2022

Рельеф для кремниевой пластины

Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разработали технологию, которая на треть удешевит производство солнечных панелей, а также улучшит их характеристики
Рельеф для кремниевой пластины
Внешний вид установки плазмохимического травления, разработанной учеными Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого
Управление по связям с общественностью СПбПУ

Исследователи предлагают формировать кремниевые наноструктуры с помощью наносферной литографии и установки плазмохимического травления. Установка почти полностью состоит из отечественных деталей. Проект специалистов СПбПУ поддержан программой Минобрнауки России «Приоритет 2030» (реализуется в рамках нацпроекта «Наука и университеты»).

Разработанная технология имеет еще одно возможное применение. Кремниевые наноиглы, которые изготавливаются при помощи установки плазмохимического травления, представляют особый интерес для создания электровакуумных приборов.

«Классическим примером электровакуумных приборов является трубка кинескопа, — рассказал “Стимулу” руководитель проекта, заведующий научно-исследовательской лабораторией “Технологии материалов и изделий электронной техники” Центра НТИ СПбПУ, кандидат технических наук Артем Осипов. — Электровакуумные приборы используются для генерации, усиления и преобразования электромагнитной энергии. Несмотря на то что на сегодняшний день большинство электронных устройств работает на транзисторах, есть определенные отрасли промышленности, в которых невозможна замена электровакуумных ламп благодаря их уникальным свойствам. Среди них широкий частотный диапазон и усиление сигнала без его искажения. В данном случае наноиглы являются автоэмиссионным катодом, то есть испускают электроны под действием электрического поля без предварительного возбуждения электронов, в отличие от термоэмиссионных катодов».

magnifier.png Технология имеет еще одно возможное применение. Кремниевые наноиглы, которые изготавливаются при помощи установки плазмохимического травления, представляют особый интерес для создания электровакуумных приборов

Электровакуумные приборы на холодных катодах могут применяться в спутниковых передатчиках, томографах, самолетах, центрах связи, радиотехнике и телевидении. Разработанные в СПбПУ холодные катоды на основе кремниевых наноигл превосходят по значениям тока созданные на сегодняшний день аналоги на 25%.

Сейчас почти везде стоят термоэмиссионные катоды, которые имеют малый срок службы (холодные катоды служат более чем в 40 раз дольше) и низкое быстродействие. По мнению экспертов, замена этих катодов на холодные может произвести технологический прорыв с точки зрения улучшения характеристик широкого спектра приборов. Пока известны только единичные случаи, но это направление очень актуально, и многие страны мира вкладывают в разработки холодных катодов большие деньги.


ОСИПОВ.jpg
Руководитель проекта, заведующий Научно-исследовательской лабораторией «Технологии материалов и изделий электронной техники» Центра НТИ СПбПУ, кандидат технических наук Артём Осипов у установки плазмохимического травления
Управление по связям с общественностью СПбПУ

И производство удешевляет, и КПД увеличивает

Благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам кремний сейчас ключевой материал полупроводниковой индустрии. Кремниевые наноструктуры применяются и в солнечных элементах.

Стандартный метод предполагает изготовление кремниевых наноструктур в несколько циклов, при этом для каждого из них требуется отдельное оборудование, что делает процесс производства значительно дороже. Ученые СПбПУ разработали установку для производства наностолбиков, которая позволяет проходить все необходимые технологические этапы в едином цикле: контролируются и размер, и плотность, и высота изготовления столбиков, а также удаляется маска (временное защитное покрытие).

Около двух лет назад Артем Осипов присутствовал на предзащите кандидатской диссертации Ивана Морозова на тему «Физико-технологические основы процессов микроструктурирования для создания вертикально-ориентированных фотопреобразовательных структур на основе кремния». Эту работу он подготовил под руководством доктора технических наук Александра Гудовских в лаборатории возобновляемых источников энергии Академического университета им. Ж. И. Алферова.


СТОЛБИКИ.jpg
а - технология создания наностолбиков с помощью Cryo процесса плазмохимического травления, б – технология создания наностолбиков с помощью плазмохимического травления при «комнатной» температуре
Управление по связям с общественностью СПбПУ

В своей работе Иван Морозов рассматривал вопросы создания микроструктур (столбиков) с помощью полистирольных сфер и твердой маски из оксида кремния с последующим плазмохимическим травлением для создания вертикально-ориентированных солнечных элементов. Однако исследователь использовал Cryo процесс травления на импортной дорогостоящей установке PlasmaLab100 ICP380. Cryo процесс — это процесс, который реализуется при сверхнизких температурах (−100…−140 °С).

«Его работа меня очень заинтересовала, — рассказывает Артем Осипов, — и впоследствии легла в основу нашей разработки. Мне показалось, что разработанную Иваном технологию можно усовершенствовать и оптимизировать, сократив количество технологических операций и тем самым уменьшив количество дорогостоящего оборудования и время изготовления структурированной поверхности на кремнии. Кроме того, мы использовали установку плазмохимического травления собственной разработки, благодаря конструктивным особенностям которой смогли проводить все технологические операции, связанные с уменьшением размера полистирольных сфер, травлением кремния и удалением остатков полистирольных сфер, в едином цикле без выгрузки образца на атмосферу».


ПОЛИСТ НАНО.jpg
Внешний вид полистирольных наносфер, массив из которых является защитным покрытием для последующего процесса плазмохимического травления
Управление по связям с общественностью СПбПУ

Суть технологии санкт-петербургских ученых можно представить следующим образом. Изначально методом центрифугирования формируется массив из наносфер, который является защитным покрытием для последующего процесса плазмохимического травления. Наносферы представляют собой шарики, изготовленные из полистирола с размерами в нанометровом диапазоне. После процесса нанесения наносфер образец размещается в реакторе установки плазмохимического травления, где контролируемо уменьшается диаметр сфер, проводится процесс плазмохимического травления кремния и удаление сфер.

magnifier.png Классическим подходом для создания солнечных элементов является планарная технология, где в качестве основы солнечного элемента используют полированные кремниевые пластины. Основой солнечного элемента команды из СПбПУ является кремниевая пластина с созданным на ней рельефом

Все три технологические операции проводятся на одной установке в едином цикле без выгрузки образца на атмосферу. Таким образом, исследователям удалось сократить количество технологических операций, а также объединить несколько технологических операций в единый цикл благодаря конструктивным особенностям созданной ими установки, что в значительной степени снижает время и стоимость изготовления наностолбиков на основе кремния.

Классическим подходом для создания солнечных элементов является планарная технология, где в качестве основы солнечного элемента используют полированные кремниевые пластины. Основой солнечного элемента команды из СПбПУ является кремниевая пластина с созданным на ней рельефом.

«В наших исследованиях мы используем монокристаллический кремний, — поясняет Артем Осипов. — С помощью воздействия плазмы удаляем лишний материал, который не защищен полистирольными наносферами. В результате на поверхности подложки образуется рельеф, выглядящий как массив цилиндров, усеченных конусов или конусов, в зависимости от параметров плазмы, которые можно регулировать и подконтрольно создавать структуры различной формы».

magnifier.png Дешевизна нашего электричества условна. Она основывается на обилии старых, амортизированных электростанций, регуляторно заниженных ценах на энергоресурсы и относительно невысоких экологических стандартах

Созданный рельеф повышает коэффициент поглощения света, так как солнечные лучи попадают в ловушку между столбиками.

«Преимущество солнечного элемента на вертикальном p-i-n-переходе в том, что при попадании солнечного света между столбиками он как будто попадает в ловушку и несколько раз преломляется, что повышает коэффициент поглощения света и увеличивает КПД солнечной батареи, поясняет Артем Осипов. — Кроме того, такие вертикальные наностолбики более эффективно поглощают рассеянный свет, поэтому панели на их основе работают даже в пасмурную погоду. КПД солнечного элемента зависит от размера наностолбиков, который мы подбираем экспериментально. Для того чтобы получить оптимальные значения, нужно задать правильные размеры и плотность структур. Эти параметры мы можем контролировать в одной установке».


АЛЕКСЕЕВ.jpg
Инженер по эксплуатации и обслуживанию технологического оборудования компании P&G Gillette Рустам Алексеев
Фото предоставлено Рустамом Алексеевым

Как рассказал «Стимулу» инженер по эксплуатации и обслуживанию технологического оборудования компании P&G Gillette Рустам Алексеев, для создания подобной наноструктуры во всем мире широко используются две технологии — это Cryo процесс и плазмохимическое травление методом Bosch, в котором стадии травления и пассивации (создание защитной пленки) чередуются. Оба эти процесса, по словам специалиста, имеют существенные недостатки по сравнению с технологией, разработанной командой под руководством Артема Осипова.
«Для криопроцесса, так как травление проходит с помощью плазмы с добавлением кислорода, необходимо создание жесткой маски, что, в свою очередь, приводит к повышенной стоимости создания наноструктур, — поясняет Рустам Алексеев. — Что же касается травления методом Bosch, то в данном процессе основным недостатком является гребенчатая структура стенок канавок (так называемые scallops)*. Как специалист, ориентированный на серийное производство продукции, я считаю, что технология, предложенная Артемом Осиповым, с точки зрения производства и бизнеса имеет огромные перспективы».

Продажи только растут

О том, как обстоят дела на рынке солнечной энергетики, «Стимулу» рассказал директор Ассоциации предприятий солнечной энергетики Антон Усачев. По его словам, сейчас альтернативная энергетика продолжает развиваться, спрос на солнечные модули по-прежнему увеличивается.

«Мы регулярно видим обновление рекордов продажи солнечных модулей у крупнейших китайских заводов — годовые поставки четырех основных производителей уже превышают 15 гигаватт, — отмечает Антон Усачев. — Рост цен на энергоносители подталкивает западные страны к увеличению доли возобновляемой энергетики. Но и у ветряной, и у солнечной генерации есть свои ограничения. К примеру, тепловую энергетику она заменить не может».


УСАЧЕВ.jpg
Директор Ассоциации предприятий солнечной энергетики Антон Усачев
Ассоциация предприятий солнечной энергетики

Вообще, бурное развитие возобновляемой энергетики во всем мире было обусловлено в первую очередь резким снижением стоимости возобновляемых источников энергии. Считается, что при доле ВИЭ до 15‒20% не требуется резервировать дополнительные генерирующие мощности или использовать накопители энергии для стабилизации переменной выработки.

«В России изначально ставку делали не на рост доли ВИЭ в энергобалансе, — поясняет руководитель ассоциации, — а на создание собственных технологических компетенций в сфере возобновляемой энергетики. Однако в том же Китае появление гигаваттных заводов стало возможно только благодаря беспрецедентной поддержке спроса за счет внутреннего рынка. Россия исторически обладает сбалансированной структурой электроэнергетики, в которой представлены разные источники энергии. Но основную долю в производстве электроэнергии занимают тепловые электростанции на природном газе и угле. Полный отказ от тепловой генерации — “здесь и сейчас” — вряд ли возможен и нужен. А вот сетевые потери, которые неизбежно возникают при передаче электроэнергии на большие расстояния (в России протяженность электросетей — одна из самых больших в мире), могут быть компенсированы локальной генерацией небольшой мощности, например солнечной».

При этом, как поясняют эксперты Ассоциации предприятий солнечной энергетики, дешевизна нашего электричества условна. Она основывается на обилии старых, амортизированных электростанций, регуляторно заниженных ценах на энергоресурсы и относительно невысоких экологических стандартах. Для промышленных потребителей на низком и среднем напряжении цена киловатт-часа из сети уже обходится дороже, чем выработка собственной солнечной генерации. Именно поэтому сегодня крышные солнечные электростанции себе ставит в первую очередь малый и средний бизнес, которому не нужно снижать углеродный след, — для них это страховка от роста тарифов и снижение текущих расходов на электроэнергию.


МАЙМИНСКАЯ.jpg
Майминская солнечная электростанция компании «Хевел» (Республика Алтай) - первая в России солнечная электростанция на гетероструктурных солнечных модулях
Пресс-служба ООО «Хевел»

Пионером российской солнечной энергетики и крупнейшей группой на территории нашей страны, осуществляющей производство гетероструктурных солнечных модулей, строительство и эксплуатацию солнечных электростанций, является компания «Хевел». По оценкам экспертов, она занимает около половины российского рынка. Объем проектов под управлением ГК «Хевел» составляет 1,1 ГВт. Собственный завод в России ежегодно выпускает более 340 МВт гетероструктурных солнечных модулей и ячеек.

«Мы продолжаем строительство солнечной генерации в российских регионах, — рассказали “Стимулу” в пресс-службе ООО “Хевел”. — Площадки под проекты выбираются с учетом локальных потребностей в генерации. Солнечные модули завода отгружаются как на собственные проекты, так и для частных заказчиков — это и бизнес, и индивидуальные потребители. Сейчас в Калининградской области российская компания “Юнигрин Энерджи” строит завод по производству кремниевых пластин и ячеек объемом 1,3 гигаватта и 1 Гигаватт в год. “Хевел” — технологический партнер проекта. После выхода на проектную мощность предприятие станет крупнейшим в Европе. Как показывает мировая практика, локальные заводы с небольшими объемами производства имеют свои преимущества при разработке кастомизированных решений, но для конкуренции на мировых рынках решающим фактором становится себестоимость и возможность одновременной поставки больших объемов».

* 1. Lin Y. et al. The application of the scallop nanostructure in deep silicon etching // Nanotechnology. 2020. Т. 31. № 31. С. 1‒8.

2. Buitrago E., Fernández-Bolaños M., Ionescu A. M. Vertically stacked Si nanostructures for biosensing applications // Microelectronic engineering. 2012. Т. 97. С. 345‒348.

3. Cheng Z. et al. Study on atomic migration of copper through-silicon-vias with Bosch scallops // Microelectronics Reliability. 2021. Т. 123. С. 1‒7.

4. Lin Y. et al. Deep dry etching of silicon with scallop size uniformly larger than 300 nm // Silicon. 2019. Т. 11. №. 2. С. 651‒658.

5. Chang B. et al. DREM: Infinite etch selectivity and optimized scallop size distribution with conventional photoresists in an adapted multiplexed Bosch DRIE process // Microelectronic Engineering. 2018. Т. 191. С. 77‒83.

Темы: Инновации

Еще по теме:
29.09.2022
Химики МГУ научились быстро и просто определять содержание ветеринарных препаратов в молоке с помощью нового метода
28.09.2022
Разработка Московского Политеха позволит уменьшить риск эмоционального выгорания работников кол-центров
26.09.2022
Руководство ВВС США (U. S. Air Force) 22 сентября объявило, что оно сделало свой выбор в пользу компании Raytheo...
08.09.2022
Российские разработчики и производители инфраструктуры для электротранспорта активно развиваются, важность этого сектора...
Наверх