ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМОРФНО-ГИДРИРОВАННЫХ ПЛЕНОК КРЕМНИЙ-ГЕРМАНИЙ (A-SIJ_XGEX:H) И СОЗДАНИЕ ТРЕХСЛОЙНЫХ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ НА ИХ ОСНОВЕ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»



jüLAFi ENERGY

Солнечные электростанции

Solar power plants

ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМОРФНО-ГИДРИРОВАННЫХ ПЛЕНОК КРЕМНИЙ-ГЕРМАНИЙ (a-Si1xGex:H) И СОЗДАНИЕ ТРЕХСЛОЙНЫХ

Фотоэлементов на их основе

Б. А. Наджафов, Г. И. Исаков

Deputy Editor-in-Chief and member of the International Reviewers Board

Институт радиационных проблем HAH Азербайджана ул. Ф. Агаева, 9, Баку, AZ-1143 E-mail: bnajafov@physics.ab.az

* Институт физики HAH Азербайджана, пр. Г.Джавида, 33, Баку, AZ-1143 E-mail: gudrat@physics.ab.az

In the work thin a film from a-Si1-xGex:H (x = 0-1) turned out with the help of a gas mix (H2 + SiH4) and (H2 + GeH4) in various proportions. For definition of quantity (amount) of hydrogen in thin films a-Si1-xGex:H method Brodsky etc. Width of the forbidden zone (E0) was used depending on x changes 1,12-1,86 3B. The factor of absorption a reaches(achieves) in seen area 5104-105 of sm-1. The three-layer element is made of the two-layer element consisting of two elements on a basis a-Si:H c p-i-n by transition and p-i-n an element with i- by a layer from a film a-Si0 88Ge0 12:H. Thickness i-layers for the top two transitions it was selected so that the condition of equality of a current of short circuit and the bottom element was observed. The characteristic thin films and three-layer elements on his basis after illumination by light with length of a wave in an interval 0,3-0,9 microns during 80 hours does not change. It allows to count a film a-Si1-xGex:H, received a method plasma chemical sedimentation, a perspective material for creation of three-layer solar elements.

На сегодняшний день одной из основных проблем солнечной энергетики считается получение стабильных пленок при воздействии солнечного света. Механизм деградации пленок изучался во многих работах с различных точек зрения, однако никаких конкретных данных, позволяющих решить проблему стабильности пленок, в литературе не существует.

Для изготовления солнечных элементов тонкие пленки а^^^е^Н являются эффективным

и дешевым материалом [1, 2], в связи с чем получение пленок и изменение их типа проводимости являются актуальными задачами. Следует отметить, что в полупроводниковой микроэлектронике солнечные элементы изготавливаются также на основе аморфных пленок а^^.^е^Н, а^1-хЫх:Н. Такие сплавы характеризуются различными структурными фазами, наиболее интересными из которых являются пленки, находящиеся с фазовыми состояниями на границе

Статья поступила в редакцию 22.10.2007 г. Ред. per. № 156. The article has entered in publishing office 22.10.2007. Ed. reg. No. 156.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11(55) 2007

© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»

Б. А. Наджафов, Г. И. Исаков Электрооптические свойства аморфно-гидрированных пленок кремний-германий (а-Б^-хОех:Н) и создание трехслойных фотоэлементов на их основе

кристалличности. Для изготовления электронных приборов часто используются нанокристал-лические и микрокристаллические БкН, Б11-хСх:Н и Б11-хОех:Н [3-5]. С этой точки зрения исследование данного материалла является интересным и важным.

В настоящей работе тонкие пленки из а-Б11-хОех:Н (х = 0-1) получали с помощью газовой смеси (Н2 + БШ4) и (Н2 + ОеН4) в различных пропорциях. Одновременно в камере находились соответствующие мишени твердых растворов для бомбардировки. Для получения разных составов пленки использовались различные мишени диаметром 60-63 мм. Плазма Р создавалась ВЧ-полем за счет преимущественно индуктивной связи. Процесс распыления производился в водородной плазменной среде, которая была получена с помощью магнетрона, постоянного магнита и высокочастотного поля. Уровень мощности разряда достигал 300 Вт, а частота равнялась 230 МГц. Расстояние между мишенью и подложкой Ь = 25 см, скорость осаждения достигала 3 А/с, температура подложки — 150 °С; расход газа — 0,5-6,0 см3/мин, макси-миальное давление 10-5 Торр. Время осаждения и получения пленок — до 1 ч, толщина пленок при этом — до 1 мкм.

Концентрация водорода, содержащегося в пленках, зависит от условий получения пленок, таких как температура подложки, тип разряда, мощность разряда, давление и расход газа. Аморфность пленок из а-Б11-хОех:Н контролировалось методом электрографического анализа. Определение состава в пленках после получения проводилось с помощью оже-электронной спектроскопии и электронно-зондового микроанализа. Между данными, полученными этими методами, наблюдается хорошее согласие.

Отметим, что пленки а-БкН, осажденные с температурой подложки 250 °С, характеризовались наличием неоднородно распределенной по толщине нанокристаллической фазы при мощности ВЧ-разряда 40 Вт, скорости вращения барабана — подложкодержателя — 4 об/мин и давлении газовой смеси 25 Па [6]. В работе [4] было показано, что пленки имеют микрокристаллические фазы (МК-БпН) при легировании фосфором толщиной 500 А и осаждении при температуре подложки 300 °С, мощности ВЧ-разряда 200 Вт. Кроме того, в работе [7] показано, что пленки, полученные тлеющим разрядом, толщиной <1 = 7 мкм, при температуре термообработки 500 °С < Т8 < 600 °С, имеют микрокристаллическую структуру. Размеры кристаллитов 60 А. Водород имеется в структуре в виде БШ2 (в дигидридной форме).

Для определения количества водорода в пленках а-Б11-хОех:Н использовался метод Бродского и др. [8]: зная число N атомных осцилляторов, число атомов водорода находилось по выражению:

NH = А/

а(<в)

d

<

га(ш)

вводя обозначение J = I-d<, получаем

J <

NH = AJ.

(1)

(2)

Эта формула характеризует число атомов водорода в пленках а-Б11-хОех:Н.

Чтобы определить численное значение атомов водорода в пленках из а-Б11-хОех:Н, проводились измерения ИК спектра поглощения. С повышением температуры отжига связи Ое-Н и Б1-Н разрываются. Концентрация связей в пленках начинает уменьшаться с температурой отжига 300 °С и после термообработки при 700 °С приближается практически к нулевой (рис. 1). По сравнению с Б1-Н имеют слабую ИК погло-щательную способность, есть основания полагать, что поведение связей Ое-Н при повышении температуры отжига аналогично поведению связей Б1-Н. Сдвиг полосы поглощения в твер-

300 400 500 600 700 Г, annealing temperature, °С

Рис. 1. Зависимость концентрации атомов водорода от температуры (при процессе эффузии) отжига

дом теле относительно собственной частоты данной моды колебаний в газе ю0 может быть найден из выражения [9]:

*2

Ла =—

е -1

2mR < 2е +1

(3)

где е — эффективный заряд, т — приведенная масса диполя, Я — радиус сферы объема, в котором находится диполь, £ — диэлектрическая проницаемость матрицы. Величина е* определяется из соотношения [9]: ста т

А =

->„■2 *2 ; 2п e

(4)

где с — скорость света, п — показатель преломления, а — частота колебания. Диапазон изменения полосы поглощения можно оценить соответствующим изменением сдвига Да на 32 см-1. Полученное значение совпадает с экспериментальными результатами.

Изменение параметров пленок от состава

При добавлении в пленки а-БкН 25 мол. % Ое сильно уменьшается подвижность носителей электронов и дырок, ширина запрещенной зоны,

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11(55) 2007 © 2007 Научно-технический центр «TATA»

Солнечная энергетика Солнечные электростанции

фотопроводимость и энергия активации электропроводности. Значения иити и ц т (умножение дрейфовой подвижности на рекомбинационное время жизни) определяются из фотопроводимости, при этом параметр пит сильно уменьшается с изменением ат. % Ge. Отметим, что выбор режимов должен поддерживать относительную концентрацию содержания кремния и германия в газовой смеси пропорционально (1-x)/x.

Уровень легирования был для ^-типа пленок [В2И6/(SiH4 + GeH4 )]< 10-4 и и-типа пленок

[PH3/ (SiH4 + GeH4 )] < 10-4.

Соответственно, количество PH3 и B2H6 изменялось 0,5-1,0 мол.%.

Измерение фотопроводимости показывает:

о ph =°i + о2 = °oiexP (-EJ кТ ) + Co2exp (- E2I кТ).

Она имеет две части: высокотемпературную (>200 К) и низкотемпературную (<200 К). Энергия активации, соответственно, E1 = 0,35 эВ и E2 = 0,10 эВ при освещении He-Ne-лазером, поток фотонов 81013 фот./(см2 с).

Ширина запрещенной зоны E0 в зависимости от x изменяется от 1,12 до 1,86 эВ. Коэффициент поглощения а достигает в видимой области 5 104-105 см-1. Край оптического поглощения вычисляется по методике Тауца. Величина их /и т ~ 0,01. Результаты показывают, что

г p p г и и 7 J 7

пленки a-Si1-xGex:H (x > 0,20 ат.%) можно использовать как качественный материал в полупроводниковой электронике. Разработан трехслойный элемент на основе двухслойных элементов каскадного типа. Элемент с двумя переходами представлен структурой, ранее обсужденной и изготовленной в работе [4]. Трехслойный элемент изготовлен из двухслойного элемента, состоящего из двух элементов на основе a-Si:H c p-i-n-переходом и p-i-n-элемента с ¿-слоем из пленки a-Si0 88Ge0 12:H. Толщины ¿-слоев для верхних двух переходов подбиралась таким образом, чтобы соблюдалось условие равенства тока короткого замыкания и нижнего элемента. Ток короткого замыкания составлял около половины значения для элемента с одним p-i-n-перехо-дом. Напряжение холостого хода повышается, а ток короткого замыкания снижается с увеличением числа наращиваемых слоев. Таким методом можно создать n-слойный элемент. Отметим, что для каждого элемента ¿-слой изготов-ливался толщиной 0,5 мкм.

Площадь каждого элемента 0,3 см2. При получении трехслойных солнечных элементов должна соблюдаться единая толщина и площадь для каждого элемента. В качестве подложки было выбрано стекло, а в качестве покрытия — ZrO2 с пропусканием света 80 %. Покрытие ZrO2 одновременно играет роль переднего контакта (рис. 2). Толщина слоев a-Si:H p- и и-типов приблизительно равны 300 и 400 Ä. После осаждения

аморфных полупроводниковых слоев в установке с помощью испарении наносятся пленки ZrO2 толщиной порядка 500 А, а для передних контактов — также №./А§. Для заднего контакта используются подложки из нержавеющей стали.

Элемент освещался солнечным светом АМ-1 (100 мВт/см2). Ток короткого замыкания элементов был / = 8,5 мА/см2, напряжение холостого хода У^ = 2,25 В, коэффицент заполнения = 0,50, КПД п = 9,5%.

а-ЯШ

Л

Р* I п+ г(о-31о,88Сео,12:Н) и+(а-5Ш)

ö-Si:H

Рис. 2. Трехслойный элемент на основе a-Si:H и a-SilxGex:H

Характеристика пленок и трехслойных элементов на его основе после освещении светом с длиной волны в интервале 0,3-0,9 мкм в течении 80 ч не изменяется. Это позволяет считать пленки a-Si1-xGex:H, полученные методом плазмохи-мического осаждения, перспективным материалом для создания трехслойных солнечных элементов.

Список литературы

1. Меден А., Шо М. Физика и применение аморфных полупроводников. М.: Мир, 1991.

2. Наджафов Б. А. Фотовольтаические эффекты в аморфных пленках a-Si0 82Ge018:Hx // Альтернативная энергетика и экология. 2005. № 3(23). С. 47-51.

3. Аморфные полупроводники и приборы на их основе / Под ред. Й. Хамакавы. М.: Металлургия, 1986. С.375.

4. Наджафов Б. А. Однослойные и двухслойные солнечные элементы с базовой аморфной пленкой a-Si0 82Ge0 18:Hx // Альтернативная энергетика и экология. 2005. № 7(27). C. 62-65.

5. Голикова О. А., Казанин М. М., Кузнецов А. Н., Богданова Е. В. // ФТП. 2000. Т. 34, вып. 9. С. 1125-1129.

6. Афанасьев В. П., Гудовских А. С., Неве-домский В. Н. и др. // ФТП. 2002. Т. 36, вып. 2. С. 238-243.

7. Matsuda A., Yoshida T., Yamasaki S., Ta-nakaK. // Japan. J. of Appl. Phys. 1981. Vol. 20, No. 6. P. L439-L442.

8. Fand C. J., Gruntz K. J., Ley L. et al. // J. of Non-Crustalline Sol. 1980.Vol. 35, 36. P. 255-260.

9. Street R. A., Zecsh J., Thomson M. J. //Appl. Phys. Lett. 1983. Vol. 43, No. 7. P. 672-674.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11(55) 2007

© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»