Введение
Нанокристаллический кремний (nc Si), иногда также известный как микрокристаллический кремний (μc Si), является формой пористого кремния. Это аллотропная модификация кремния с паракристаллической структурой, схожая с аморфным кремнием (a Si) тем, что содержит аморфную фазу. Однако, в отличие от него, в аморфной фазе nc Si присутствуют небольшие кристаллические зерна кремния. Это отличает его от поликристаллического кремния (poly Si), который состоит исключительно из кристаллических зерен кремния, разделенных границами зерен. Различие заключается исключительно в размере кристаллических зерен. Большинство материалов с зернами в микрометровом диапазоне фактически являются мелкозернистым полисилицием, поэтому термин «нанокристаллический кремний» является более точным. Термин «нанокристаллический кремний» относится к ряду материалов в переходной области между аморфной и микрокристаллической фазами в тонких пленках кремния. Кристаллическая объемная доля (определяемая с помощью рамановской спектроскопии) является еще одним критерием для описания материалов в этой переходной зоне. nc Si обладает рядом значительных преимуществ по сравнению с a Si, в частности, при правильном выращивании он может демонстрировать более высокую подвижность электронов благодаря наличию кремниевых кристаллитов. Он также показывает повышенное поглощение в красном и инфракрасном диапазонах длин волн, что делает его важным материалом для использования в солнечных элементах на основе кремния. Однако одним из наиболее важных преимуществ нанокристаллического кремния является его повышенная стабильность по сравнению с a Si, что обусловлено, в частности, более низкой концентрацией водорода. Хотя в настоящее время он не достигает подвижности, характерной для poly Si, он имеет преимущество перед ним в простоте изготовления, поскольку может быть получен с использованием стандартных методов осаждения a Si при низких температурах, таких как PECVD, в отличие от лазерного отжига или высокотемпературных процессов CVD, применяемых для poly Si.
Применение
Основное применение этого нового материала – в области кремниевых тонкопленочных солнечных элементов. Поскольку nc-Si имеет примерно такую же ширину запрещенной зоны, как и кристаллический кремний, которая составляет около 1,12 эВ, его можно комбинировать в тонких слоях с кристаллическим кремнием, создавая многослойную многопереходную ячейку, называемую тандемной ячейкой. Верхняя ячейка из кристалического кремния поглощает видимый свет, а инфракрасную часть спектра пропускает к нижней ячейке из нанокристаллического кремния. Несколько компаний находятся на пороге коммерциализации кремниевых чернил на основе нанокристаллического кремния или других кремниевых соединений. Полупроводниковая промышленность также исследует потенциал нанокристаллического кремния, особенно в области памяти.
Кремний тонкопленочный
Нанокристаллический кремний и мелкозернистый поликристаллический кремний относятся к тонкопленочному кремнию.