To the question of the formation of profiled silicon crystals at its growth by Stepanov's method

Authors

  • Onishchuk S.A. Kuban State University, Krasnodar, Russian Federation
  • Tumaev E.N. Kuban State University, Krasnodar, Russian Federation

UDC

548.52

Abstract

In this article the processes of formation of single crystals during its growing by Stepanov’s method are studied. This growing method consists of drawing crystals through the crystal former (shaper). The presence of a form-building agent (i.e. non-free growth of crystals) leads to increase in concentration of defects in the crystal structure, which decreases the quality of solar cells. In this regard, the article explores the question: what forms of growth arise during the growing of silicon single crystals by Stepanov’s method. Typical defects that arise when growing single crystals of silicon in the form of ribbons and pipes are considered. Experimental investigations of defects in profiled crystals have shown that the defects are characterized by the formation of twining structures, i.e. two neighboring single crystals separated by an atomic plane. The influence of the seed orientation on twining formation process is studied. In particular, the peculiar angles between the growth directions and the twins formation are found. The formation of mosaic structure which competes with the twin structure and is displaced by the latter is observed. The appearance of spiral structures during the growth of single crystals of tubular forms is also observed. To explain the features of formation we calculated (per one atom) the interaction energies of neighboring parallel atomic layers. The Lennard-Jones potential was chosen as the interaction potential. The results of the calculation showed that among the planes with small values of Miller’s indices the plane (112) possesses the smallest interaction energy. The family of planes equivalent to the (112) plane has a close orientation, and the angles between its directions are in good agreement with the angles in which direction the twins are formed. The presence of three close directions of twinning also explains the formation of spiraling structures when growing silicon single crystals with tubular cross section.

Keywords:

solar cells, profiled silicon, Stepanov's method, twinning, crystallographic planes, Miller indices

Author info

  • Sergey A. Onishchuk

    канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры общей физики и информационных систем Кубанского государственного университета

  • Evgeniy N. Tumaev

    д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры теоретической физики и компьютерных технологий Кубанского государственного университета

References

  1. Васильев А.М., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М.: Советское радио, 1971. 248 с. [Vasil'ev A.M., Landsman A.P. Poluprovodnikovye fotopreobrazovateli [Semiconductor photovoltaics]. Moscow, Sovetskoe radio, 1971, 248 p. (In Russian)]
  2. Богатов Н.М., Закс М.Б. Перспективы использования поликристаллического кремния в фотоэнергетике. Тез. докл. Всесоюз. совещ. "Перспективы развития и создания единой научно-технической, производственной и эксплуатационной базы Краснодарского края по использованию возобновляемых источников энергии и проблемы их использования в народном хозяйстве страны". Геленджик, 1988. С. 58-59. [Bogatov N.M., Zaks M.B. Perspektivy ispol'zovaniya polikristallicheskogo kremniya v fotoenergetike [Prospects for the use of polycrystalline silicon in photovoltaic]. In: Tezisy dokladov Vsesoyuznogo soveshchaniya "Perspektivy razvitiya i sozdaniya edinoy nauchno-tekhnicheskoy, proizvodstvennoy i ekspluatatsionnoy bazy Krasnodarskogo kraya po ispol'zovaniyu vozobnovlyaemykh istochnikov energii i problemy ikh ispol'zovaniya v narodnom khozyaystve strany" [Theses of reports all-Union meeting "Prospects for the development and creation of a uniform scientific-technical, production and operational base in Krasnodar region on the use of renewable energy sources and the problems of their use in national economy"]. Gelendzhik, 1988, pp. 58-59. (In Russian)]
  3. Nikanorov S.P., Antonov P.I. Growth and properties of shaped crystals // Journal of Crystal Growth. 1987. Vol. 82. P. 242-249.
  4. Касаткин В.В., Михеева Л.В., Ситников А.М., Паксеев Ю.Е. Фотопреобразователи на основе ленточного поликристаллического кремния // Гелиотехника. 1986. № 5. С. 14-17. [Kasatkin V.V., Mikheeva L.V., Sitnikov A.M., Pakseev Yu.E. Fotopreobrazovateli na osnove lentochnogo polikristallicheskogo kremniya [Photovoltaics based on polycrystalline silicon ribbon]. Geliotekhnika [Solar Engineering], 1986, no. 5, pp. 14-17. (In Russian)]
  5. Chalmers B., LaBelle H.E., Mlavsky A.J. Edge-defined, film-fed crystal growth // J. Cryst. Growth 1972. Vol. 13/14. P. 84.
  6. LaBelle H.E. USA Patent N 3915662. 1975.
  7. Schwuttke G.H. Low cost silicon for solar energy application // Phys. Status Solidi (a). 1977. Bd. 43. No. 1. P. 43. DOI: 10.1002/pssa.2210430103
  8. Татарченко В.А. Влияние капиллярных явлений на устойчивость процесса кристаллизации из расплава // Физика и химия обработки материалов. 1973. № 6. С. 4750. [Tatarchenko V.A. Vliyanie kapillyarnykh yavleniy na ustoychivost' protsessa kristallizatsii iz rasplava [The effect of capillary phenomena on the stability of the crystallization process from the melt]. Fizika i khimiya obrabotki materialov [Physics and chemistry materials processing], 1973, no, 6, pp. 4750. (In Russian)]
  9. Татарченко В.А. Устойчивый рост кристаллов. М.: Наука, 1988. 240 с. [Tatarchenko V.A. Ustoychivyy rost kristallov [Sustainable growth of crystals]. Mosow, Nauka Pub., 1988, 240 p. (In Russian)]
  10. Осипьян Ю.А., Татарченко В.А. Получение профилированных кристаллов кремния, исследование их электронных свойств, дефектной структуры, изготовление солнечных элементов и определение их параметров // Известия АН СССР. Сер. физ. 1983. Т. 47. № 2. С. 346-350. [Osip'yan Yu.A., Tatarchenko V.A. Poluchenie profilirovannykh kristallov kremniya, issledovanie ikh elektronnykh svoystv, defektnoy struktury, izgotovlenie solnechnykh elementov i opredelenie ikh parametrov [Receiving profiled crystals of silicon, study of their electronic properties, defect structure, fabrication of solar cells and determination of their parameters]. Izvestiya AN SSSR. Seriya fizicheskaya [Izvestiya an SSSR. A series of physical], 1983, vol. 47, no. 2, pp. 346-350. (In Russian)]
  11. Бузынин Ю.Н., Орлов Ю.Н., Бузынин А.Н., Дементьев Ю.С., Блецкан Н.И., Соколов Е.Б. Выращивание и структурные особенности монокристаллических лент кремния // Известия АН СССР. Сер. физ. 1983. Т. 47. № 2. С. 361-367. [Buzynin Yu.N., Orlov Yu.N., Buzynin A.N., Dement'ev Yu.S., Bletskan N.I., Sokolov E.B. Vyrashchivanie i strukturnye osobennosti monokristallicheskikh lent kremniya [Cultivation and structural characteristics of monocrystalline ribbons of silicon]. Izvestiya AN SSSR. Seriya fizicheskaya [Izvestiya an SSSR. A series of physical], 1983, vol. 47, no. 2, pp. 361-367. (In Russian)]
  12. Абросимов Н.В., Брантов С.К., Ерофеева С.А., Зайцева А.К., Копецкий Ч.В., Марасанова Э.А., Полисан А.А., Рябиков С.В., Татарченко В.А. Получение кремниевых лент из расплава способом Степанова, исследование их свойств и изготовление на их основе фотопреобразователей // Известия АН СССР. Сер. физ. 1979. Т. 43. № 9. С. 1989-1991. [Abrosimov N.V., Brantov S.K., Erofeeva S.A., Zaytseva A.K., Kopetskiy Ch.V., Marasanova E.A., Polisan A.A., Ryabikov S.V., Tatarchenko V.A. Poluchenie kremnievykh lent iz rasplava sposobom Stepanova, issledvanie ikh svoystv i izgotovlenie na ikh osnove fotopreobrazovateley [Obtaining a silicon ribbon from a melt by the Stepanov method, the study of their properties and fabrication on their basis of photovoltaics]. Izvestiya AN SSSR. Seriya fizicheskaya [Izvestiya an SSSR. A series of physical], 1979, vol. 43, no. 9, pp. 1989-1991. (In Russian)]
  13. Ши Дж., Гейтос Г., Абросимов Н.В., Брантов С.К., Ерофеева С.А., Татарченко В.А. Некоторые структурные и электрофизические особенности кремниевых лент, полученных способом Степанова // Известия АН СССР. Сер. физ. 1979. Т. 43. № 9. С. 1992-1994. [Shi Dzh., Geytos G., Abrosimov N.V., Brantov S.K., Erofeeva S.A., Tatarchenko V.A. Nekotorye strukturnye i elektrofizicheskie osobennosti kremnievykh lent, poluchennykh sposobom Stepanova [Some structural and electrical characteristics of silicon ribbons obtained by the method of Stepanov]. Izvestiya AN SSSR. Seriya fizicheskaya [Izvestiya an SSSR. A series of physical], 1979, vol. 43, no. 9, pp. 1992-1994. (In Russian)]
  14. Абросимов Н.В., Баженов А.В., Брантов С.К., Татарченко В.А. Профилирование кремния с использованием капиллярного формообразования. В кн.: Рост кристаллов. М.: Наука, 1986. Т. XV. С. 187-209. [Abrosimov N.V., Bazhenov A.V., Brantov S.K., Tatarchenko V.A. Profilirovanie kremniya s ispol'zovaniem kapillyarnogo formoobrazovaniya [Profiling of silicon using capillary morphogenesis]. In: Rost kristallov [The growth of crystals]. Moscow, Nauka Pub., 1986, vol. XV, pp. 187-209. (In Russian)]
  15. Крицкий В.Е., Матвеякин М.П., Трофименко А.Н., Хабаров Э.Н. Физические особенности замкнутых кремниевых профилей, снижающие КПД и экономическую эффективность изготовления солнечных элементов. Тез. докл. Всесоюз. совещ. "Перспективы развития и создания единой научно-технической, производственной и эксплуатационной базы Краснодарского края по использованию возобновляемых источников энергии и проблемы их использования в народном хозяйстве страны". Геленджик, 1988. С. 87-88. [Kritskiy V.E., Matveyakin M.P., Trofimenko A.N., Khabarov E.N. Fizicheskie osobennosti zamknutykh kremnievykh profiley, snizhayushchie KPD i ekonomicheskuyu effektivnost' izgotovleniya solnechnykh elementov [Physical features of confined silicon profiles, reducing efficiency and economic efficiency of manufacture of solar cells]. In: Tezisy dokladov Vsesoyuznogo soveshchaniya "Perspektivy razvitiya i sozdaniya edinoy nauchno-tekhnicheskoy, proizvodstvennoy i ekspluatatsionnoy bazy Krasnodarskogo kraya po ispol'zovaniyu vozobnovlyaemykh istochnikov energii i problemy ikh ispol'zovaniya v narodnom khozyaystve strany" [Theses of reports all-Union meeting "Prospects for the development and creation of a uniform scientific-technical, production and operational base in Krasnodar region on the use of renewable energy sources and the problems of their use in national economy"]. Gelendzhik, 1988, pp. 87-88. (In Russian)]
  16. Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы: Теория и эксперимент. М.: Энергоиздат, 1987. 280 с. [Farenbrukh A., B'yub R. Solnechnye elementy: Teoriya i eksperiment [Solar cells: Theory and experiment]. Moscow, Energoizdat Pub., 1987, 280 p. (In Russian)]
  17. Богатов Н.М., Масенко Б.П., Онищук С.А. Двойниковые структуры в профилированном кремнии. Материалы Всесоюзного совещания по получению профилированных кристаллов и изделий способом Степанова и их применению в народном хозяйстве. 16-18 марта 1988 г. Ленинград, 1989. С. 199-201. [Bogatov N.M., Masenko B.P., Onishchuk S.A. Dvoynikovye struktury v profilirovannom kremnii [A duplex structure in profiled silicon]. Materialy Vsesoyuznogo soveshchaniya po polucheniyu profilirovannykh kristallov i izdeliy sposobom Stepanova i ikh primeneniyu v narodnom khozyaystve [Proc. of all-Union meeting on receipt of the shaped crystals and products by the Stepanov method and their application in the national economy]. March 16-18, 1988. Leningrad, 1989, pp. 199-201. (In Russian)]
  18. Богатов Н.М., Масенко Б.П., Онищук С.А. Образование двойниковой структуры в профилированном кремнии, выращенном по способу Степанова. В межвуз. сб.: Кристаллизация и свойства кристаллов. Новочеркасск: изд. НПИ, 1989. С. 42-45. [Bogatov N.M., Masenko B.P., Onishchuk S.A. Obrazovanie dvoynikovoy struktury v profilirovannom kremnii, vyrashchennom po sposobu Stepanova [The formation of a duplex structure in profiled silicon grown by the Stepanov method]. In: Kristallizatsiya i svoystva kristallov [Crystallization and properties of crystals]. Novocherkassk, Izd. NPI Pub., 1989, pp. 42-45. (In Russian)]
  19. Green M.A., Emery K., King D.L. et al. Progress in Photovoltaics // Research and Applications. 2006. No. 14. P. 45-51.
  20. Green M.A., Jianhua Zhao, Wang A., Wenham S.R. Very high efficiency silicon solar cells-science and technology // IEEE transactions on electron devices. 1999. No. 46. P. 1940-1947.
  21. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников. 2004. Т. 38. Вып. 8. С. 937-948. [Alferov Zh.I., Andreev V.M., Rumyantsev V.D. Tendentsii i perspektivy razvitiya solnechnoy fotoenergetiki [Trends and prospects of solar photovoltaics]. Fizika i tekhnika poluprovodnikov [Trends and prospects of solar photovoltaics], 2004, vol. 38, iss. 8, pp. 937-948. (In Russian)]

Downloads

Download data is not yet available.

Issue

Pages

84-94

Section

Physics

Dates

Submitted

June 24, 2017

Accepted

July 28, 2017

Published

September 30, 2017

How to Cite

[1]
Onishchuk, S.A., Tumaev, E.N., To the question of the formation of profiled silicon crystals at its growth by Stepanov’s method. Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation, 2017, № 3, pp. 84–94.

Similar Articles

1-10 of 345

You may also start an advanced similarity search for this article.