Inzicht in fosfor, boor en andere halfgeleidermaterialen

Introductie van fosfor

Het proces van "doteren" introduceert een atoom van een ander element in het siliciumkristal om zijn elektrische eigenschappen te veranderen. De doteerstof heeft drie of vijf valentie-elektronen, in tegenstelling tot vier siliconen. Fosforatomen, die vijf valentie-elektronen hebben, worden gebruikt voor het doteren van n-type silicium (fosfor levert zijn vijfde, vrije, elektron).

Een fosforatoom neemt dezelfde plaats in het kristalrooster in dat voorheen werd ingenomen door het vervangen siliciumatoom. Vier van zijn valentie-elektronen nemen de bindingsverantwoordelijkheden over van de vier siliciumvalentie-elektronen die ze vervangen. Maar het vijfde valentie-elektron blijft vrij, zonder bindingstaken. Wanneer vele fosforatomen worden vervangen door silicium in een kristal, komen er veel vrije elektronen beschikbaar. Het vervangen van een fosforatoom (met vijf valentie-elektronen) voor een siliciumatoom in een siliciumkristal laat een extra, niet-gebonden elektron achter dat relatief vrij rond het kristal kan bewegen.

De meest gebruikelijke methode van doteren is om de bovenkant van een laag silicium met fosfor te coaten en vervolgens het oppervlak te verwarmen. Hierdoor kunnen de fosforatomen diffunderen in het silicium. De temperatuur wordt vervolgens verlaagd zodat de diffusiesnelheid tot nul daalt. Andere methoden voor het introduceren van fosfor in silicium zijn gasvormige diffusie, een vloeibaar doteringsspray-proces en een techniek waarbij fosforionen precies in het oppervlak van het silicium worden gedreven.

Introductie van boor 

Natuurlijk kan silicium van het n-type het elektrische veld niet zelf vormen; het is ook noodzakelijk om wat silicium te laten veranderen om de tegenovergestelde elektrische eigenschappen te hebben. Dus het is boor, dat drie valentie-elektronen heeft, dat wordt gebruikt voor het doteren van silicium van het p-type. Boor wordt geïntroduceerd tijdens siliciumverwerking, waar silicium wordt gezuiverd voor gebruik in PV-apparaten. Wanneer een booratoom een ​​positie inneemt in het kristalrooster dat voorheen werd ingenomen door een siliciumatoom, mist er een binding die een elektron mist (met andere woorden, een extra gat). Het vervangen van een booratoom (met drie valentie-elektronen) voor een siliciumatoom in een siliciumkristal laat een gat achter (een binding die een elektron mist) dat relatief vrij rond het kristal kan bewegen.

Andere halfgeleidermaterialen.

Net als silicium moeten alle PV-materialen worden omgezet in p-type en n-type configuraties om het noodzakelijke elektrische veld te creëren dat een PV-cel kenmerkt. Maar dit gebeurt op een aantal verschillende manieren, afhankelijk van de eigenschappen van het materiaal. De unieke structuur van amorf silicium maakt bijvoorbeeld een intrinsieke laag of "i-laag" noodzakelijk. Deze ongedoteerde laag van amorf silicium past tussen de lagen van het n-type en p-type om een ​​zogenaamd "p-i-n" -ontwerp te vormen.

Polykristallijne dunne films zoals koperindiumdiselenide (CuInSe2) en cadmiumtelluride (CdTe) tonen veelbelofte voor PV-cellen. Maar deze materialen kunnen niet eenvoudigweg worden gedoteerd om n- en p-lagen te vormen. In plaats daarvan worden lagen van verschillende materialen gebruikt om deze lagen te vormen. Een "venster" -laag van cadmiumsulfide of een ander soortgelijk materiaal wordt bijvoorbeeld gebruikt om de extra elektronen te verschaffen die nodig zijn om het n-type te maken. CuInSe2 kan zelf van het p-type worden gemaakt, terwijl CdTe profiteert van een p-type laag gemaakt van een materiaal zoals zinktelluride (ZnTe).

Galliumarsenide (GaAs) is op dezelfde manier gemodificeerd, meestal met indium, fosfor of aluminium, om een ​​breed scala aan n- en p-type materialen te produceren.