Dnes nejrozšířenější výrobní technologie článků je následující: vysoce čistý křemíkový ingot se rozřeže na destičky o tloušťce cca 300 mikrometrů; povrchová vrstva je oleptána a strukturována. Jednostranně je realizována vrstva typu N difúzí fosforu a povrch je pokryt antireflexní vrstvou. Na povrchu typu N je vytvořena síť kovových kontaktů (mřížka sběrnic) a opačná strana článku je pokryta celoplošným kontaktem. Takovýto článek se jěště usadí do krycí fólie a upevní v tvrzeném skle. Nakonec se orámuje většinou hliníkovou konstrukcí pro budoucí instalaci.
V současné době je nejběžnějším materiálem pro výrobu slunečních článků křemík. Více než 80 % článků se vyrábí z krystalického křemíku. Tento prvek se svými vlastnostmi řadí mezi polovodiče, které se za určitých okolností chovají jako izolanty a naopak za jiných podmínek jsou elektrickými vodiči.
Jako polovodičový materiál se převážně používá již zmíněný křemík. Jiné polovodičové materiály (jako např. galium arsenid nebo kadmiumtellurid se zatím zkoušejí).
V polovodičovém krystalu vazbu mezi atomy zprostředkovávají elektrony z obalu atomu, které vytvářejí spolu s elektrony sousedních atomů pevnou vazbu. K uvolnění elektronu z vazby je potřeba určité energie, kterou dodají dopadající fotony - ty musí mít však energii větší, než je tato vazební energie, aby uvolnily elektrony z této vazby tak, že se elektron začne volně pohybovat v krystalu. Na místě uvolněného elektronu zůstává neobsazený stav – díra. Zde mohou přeskakovat sousední elektrony. Tímto způsobem se může tento neobsazený stav pohybovat krystalem jako kladný náboj. Mluvíme proto o vytvoření páru elektron - díra interakcí s fotonem. Elektron se může vrátit zpátky do neobsazeného stavu ve vazbě, v takovém případě mluvíme o rekombinaci elektronu a díry.
Pokud v krystalu existuje nehomogenita, se kterou je spojeno vnitřní elektrické pole – takovou nehomogenitou může být třeba přechod PN, jsou tímto elektrickým polem rozděleny páry elektron – díra a to tak, že elektrony jsou urychleny do oblasti N a díry do oblasti typu P.
Tímto způsobem se oblast typu N nabíjí záporně a oblast typu P kladně tak, že na osvětleném polovodiči s přechodem PN vzniká fotovoltaické napětí. Připojí-li se mezi tyto oblasti spotřebič, protéká jím stejnosměrný proud, který může vykonávat užitečnou práci. Velikost proudu procházejícího elektrickým obvodem závisí jednak na intenzitě ozáření článku a dále pak na ploše článku a na jeho účinnosti.
[hr]
Zopakujme si nejprve poznatek, který jsme získali ve druhé kapitole: dotujeme-li polovodič jednoho typu vodivosti příměsemi opačného typu vodivosti, zvyšujeme pravděpodobnost vzájemné rekombinace nosičů náboje, což má za následek, že polovodič nejprve tzv. zkompenzujeme, to znamená, že bude mít (z hlediska vedení proudu) vlastnosti stejné jako vlastní polovodič a pokračujeme-li v dotaci dále, předopujeme polovodič na opačný typ vodivosti. Tato vlastnost se využívá v technologii výroby polovodičových prvků tím způsobem, že nejprve vytvoříme v polovodiči určitou oblast jednoho typu vodivosti a pak část této oblasti předopujeme na opačnou vodivost; vznikne PN přechod. Příměsi přidáváme v popisované technologii do polovodiče termickou difuzí. Při tomto technologickém kroku se polovodič ohřeje na vysokou teplotu, řádově 1000 °C a ponoří se do atmosféry plynu obsahujícího příměs. Ohřátí se děje ve vakuu, aby nedošlo k oxidaci povrchu a teprve po dosažení difusní teploty se přivádí plyn obsahující atomy příměsí, např. směs inertního argonu a atomů fosforu. Proces difuse probíhá po relativně dlouhou dobu (desítky minut), aby se čas difuse mohl rozumně měřit. Po celou dobu difuse musí být teplota udržována s přesností cca ±0.5°C; je to proto, že hloubka, do které příměsi nadifundují, je exponenciálně závislá na teplotě a při výrobě např. tranzistorů nám jde o to, aby šířka báze byla definována s přesností desetin mikronu.
Podívejme se nejprve na to, jakým způsobem získáváme výchozí materiál pro výrobu polovodičových součástek - čistý monokrystalický křemík. Nemusíme snad znovu zdůrazňovat, že veškeré naše teoretické úvahy ve druhé kapitole se týkaly krystalické formy polovodiče a že tedy dobrý polovodičový materiál musí být krystalický. Čistota materiálu je také jedním ze základních požadavků na materiál pro výrobu polovodičových součástek. Uvědomíme-li si, že intrinsický materiál, tj. materiál bez příměsí, obsahuje jeden pár elektron-díra na zhruba 109 atomů, pak nečistota, tj. koncentrace příměsí, řádu 10-9 zvýší koncentraci nosičů náboje dvakrát. Běžná čistota tzv. spektrálně čistých plynů, se měří v jednotkách ppm (particle per milion), tj. v jednotkách 10-6. Jediná jednotka ppm by tedy zvýšila koncentraci nosičů, a tedy i vodivost polovodičového materiálu, tisíckrát. Jinak řečeno, v polovodičovém průmyslu, dnes braném jako zcela běžnou součást našeho života, se jedná o čistoty zhruba tisíckrát lepší, než bylo běžné v dřívější praxi. Je zřejmé, že elektrická vodivost je velmi dobrým indikátorem čistoty, a že zájem o polovodičový materiál byl příčinou intenzívní snahy o vyřešení problému purifikace materiálu.
Jednou z nejdůležitějších metod purifikace polovodičového materiálu je tzv. zonální rafinace. Tato metoda byla vyvinuta Pfannem a je aplikována na čištění germania a křemíku. Princip zonální rafinace je založen na skutečnosti, že je-li tekutý a tuhý polovodičový materál, např. křemík v rovnováze, pak koncentrace nečistot v materiálu je podstatně větší v tekutině než v tuhé fázi. Vlastní metoda spočívá v lokálním ohřátí materiálu na potřebnou teplotu tavení (pod slovem ”lokální” si představme krátký lineární úsek např. válcového ingotu materiálu) a v posuvu této oblasti podél ingotu. Nečistoty zůstávají v ”tekuté”, tj. ohřáté oblasti a pohybem této oblasti podél ingotu je ”přesuneme” na konec ingotu, který může být odříznut a použit znova pro přípravu dalšího materiálu. Po zonální tavbě je materiál ingotu velmi čistý a je možné jej použít v dalším technologickém kroku, tj. výrobě vlatního monokrystalu.
obr. 4.1.
Představme si tedy, že máme vyrobit z purifikovaného křemíku ve formě drobných zrn monokrystalický materiál vhodný pro planární technologii. Metoda výroby tohoto materiálu (ingotu) je znázorněna na obrázku 4.1 a byla nazvána Czochralského (čti čochralského) metodou. Je to metoda pomalého tažení monokrystalického ingotu z taveniny výchozího materiálu, tedy křemíku. Křemík je umístěn v grafitové válcové nádobce v nádobě z křemenného skla. Křemenné sklo je voleno ze dvou důvodů; jednak vydrží velmi vysokou teplotu, jednak jsou v něm malé dielektrické ztráty. Válcová nádobka, ve které je křemík umístěn, je ohřívána na potřebnou teplotu pomocí tzv. indukčního ohřevu. K takovému ohřevu potřebujeme výkonový vysokofrekvenční generátor, s frekvencí typicky 500 kHz a výkonem několika kW. Energii z generátoru pak vedeme přes obvod přizpůsobující impedanci generátoru impedanci zátěže (vzpomeňte si například z úvodu; výkon dodaný ze zdroje do zátěže je maximální, má-li zátěž odpor stejný jako je vnitřní odpor zdroje; tento závěr se dá zobecnit na obecnou impedanci tak, že výkon do zátěže je maximální, jsou-li reálné složky vnitřní impedance zdroje a zátěže stejné a imaginární složky impedance zdroje a zátěže mají opačné znaménko) na primární vinutí vysokofrekvenčního transformátoru, které je navinuto zvnějšku válcové křemenné nádoby. Sekundár tohoto transformátoru tvoří grafitová nádobka, ve které je křemík umístěn. Při správném přizpůsobení dostaneme tak značnou část výkonu generátoru do tohoto sekundárního závitu (dielektrické ztráty v křemenném skle jsou malé, takže sklo se energií z generátoru přímo neohřívá; ohřívá se však radiací od grafitové nádobky) a to má za následek, že nádobku ohřejeme na teplotu potřebnou k roztavení křemíku. Vzhledem k tomu, že proces probíhá v inertní atmosféře, křemík se neoxiduje a je možné s ním pracovat ve stavu taveniny. Shora do nádobky s křemíkem zasahuje osa, na jejímž dolním konci je umístěn tzv. zárodečný krystal. Je to kus monokrystalického materiálu válcového tvaru s takovým průměrem, který chceme vyrábět. Konec zárodečného krystalu se nejprve ponoří do taveniny a pak se za pomalého otáčení z taveniny vytahuje. Výsledkem této činnosti je ingot křemíku válcovitého tvaru, ve kterém je relativně málo poruch krystalové mříže. Vytahováním ingotu z taveniny ubíráme ovšem materiál z grafitové nádobky, proto jej musíme přidávat; jeden z možných způsobů je přidávání materiálu do taveniny ve formě zrníček, pelet. Průměr monokrystalického ingotu rostl v průběhu vývoje s tím, jak se zlepšovalo ”know how” této metody; od cca jednoho centimetru v počátcích polovodičové éry až po dnešní ingoty s průměrem okolo 15-20 centimetrů. Je zřejmé, že během výroby těchto monokrystalických ingotů je možné do taveniny přidávat definované množství žádoucích příměsí, takže vytvořený monokrystalický materiál pak bude typu P nebo N.
Takto připravený materiál je ingot válcovitého tvaru a je tedy nutné z něj připravit destičky tenké cca 0,2 mm, které jsou potřeba pro vlastní výrobu polovodičových prvků. Ty se dostanou rozřezáním válcového ingotu v rovině kolmé na jeho osu pomocí tzv. diamantové pily, což je okružní pila s listem ve tvaru tenké kruhové ocelové folie, na které je z obou stran přitmelen diamantový prášek. Pak následuje leštění povrchu těchto křemíkových kotoučků (zvaných salámky, neboť vypadají jako na plátky nakrájený salám) na takovou rovinnost, aby případné nerovnosti povrchu byly srovnatelné s vlnovou délkou viditelného světla. Tento proces je běžný z optického průmyslu a tedy nevyžaduje podrobnějšího popisu; leští se mechanicky pomocí brusných past s postupně menšími a menšími zrny až povrch křemíkové destičky připomíná dobré opticky přesné zrcadlo.
