CC BY
40
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ
УДК 621.383.51
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕРАВНОВЕСНОГО ЗАРЯДА ГРАНИЦЫ SiO2-Si НА ДИНАМИКУ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С СУБМИКРОННЫМ P-N-ПЕРЕХОДОМ
© 2006 г. Н.М. Богатое, А.И. Корнеев, М.П. Матвеякин, Р.Р. Родоманов
Введение
Одной из тенденций развития технологии полупроводниковых приборов является уменьшение глубины /»-«-перехода до субмикронных размеров < 1 мкм. В этом случае параметры области пространственного заряда (ОПЗ) /-«-перехода зависят от концентрации акцепторов, доноров и плотности заряда на поверхностных состояниях внешней границы полупроводника. Для субмикронного /-«-перехода выполняется неравенство >> I (I - длина свободного пробега электронов или дырок), обосновывающее применимость классических моделей распределения носителей заряда.
Влияние равновесного поверхностного заряда на распределение внутреннего электрического поля изучено достаточно подробно [1-3]. Неравновесные эффекты, обусловленные захватом электронов (дырок), разнообразны и не изучены до конца. В теории фото-вольтаических структур [4, 5] влияние внешней границы эмиттера на собирание генерированных электромагнитным излучением электронов и дырок описывается посредством эффективной скорости их поверхностной рекомбинации. Если состояние поверхности не изменяется, то этот параметр является постоянным. Для уменьшения скорости поверхностной рекомбинации и повышения эффективности фотоэлектрического преобразования на поверхность эмиттера наносится пассивирующая диэлектрическая ан-тиотражающая пленка [6, 7], создается тянущее электрическое поле за счет контролируемого распределения легирующей примеси [8].
Неравновесные процессы, происходящие на свободной поверхности или границе раздела диэлектрик-полупроводник в фотовольтаических структурах с субмикронным /-«-переходом, изменяют электрическое поле эмиттера и не могут быть описаны постоянной эффективной скоростью поверхностной рекомбинации. Эти процессы мало исследованы, но их необходимо учитывать при анализе спектральных, вольт-амперных характеристик и причин потерь мощности солнечных элементов (СЭ).
Спектральная чувствительность СЭ (зависимость тока короткого замыкания от длины волны падающего на поверхность оптического излучения, рассчитанная на единицу мощности излучения) - одна из основных его характеристик, на основании которой оценивается эффективность использования излучения. В стандартных методиках [9] измеряются стационарные значения спектральной чувствительности. Влияние неравновесного стационарного поверхностного заряда на собирание фотогенерированных электронов и дырок в кремниевых СЭ с субмикронным /-«-переходом исследовано в [10]. Для наблюдения временных изменений тока короткого замыкания, обусловленных процессами с различными характерными временами перераспределения электронов и дырок в СЭ, создана автоматизированная система измерения динамики спектральной чувствительности [11].
Цель работы - исследование влияния неравновесного поверхностного заряда на время релаксации спектральной чувствительности кремниевых солнечных элементов с субмикронным /-«-переходом.
Методика
Величина плотности поверхностного заряда Qs зависит от состояния поверхности, является основным параметром для поверхностно-барьерных структур и неконтролируемым параметром для приборов с /-«или гетеро-переходами. Обозначим изменение плотности поверхностного заряда в неравновесном режиме ДQs. Считаем, что ДQs не изменяет тип проводимости в поверхностной области, но влияет на величину потенциального барьера перехода. Эта ситуация реализуется, если область пространственного заряда перехода подходит вплотную к поверхности. На рис. 1а область объемного заряда, индуцированного поверхностным зарядом (х&[^р, -х/]), отделена от ОПЗ /-«-перехода (хе[- х/, хи]), а на рис. 1б сливается с ней. Если темпы захвата неравновесных электронов и дырок поверхностными состояниями отличаются, то ДQs Ф 0. Неравновесный поверхностный заряд вызывает изменение ширины ОПЗ /-«-перехода и высоты потенциального барьера, что можно рассматривать как падение напряжения V на переходе.
Полное падение напряжения на р-п-переходе в режиме электрической нагрузки V = и + + где и - напряжение на контактах прибора, I - электрический ток, Ях - сосредоточенное последовательное сопротивление. В теории солнечных элементов [5] полагают, что релаксация электрического тока обусловлена рекомбинационными процессами. Характерное время жизни неравновесных электронов тп, дырок тр в кремнии составляет 10^100 мкс. Время измерения спектральной чувствительности t >> тп, t >> тр. В этом временном масштабе фототок, диффузионный ток насыщения, рекомбинационный ток насыщения постоянны, а вольтамперная характеристика описывается двухэкспоненциальной моделью. В режиме короткого замыкания (и = 0) ток 1Х вычисляется по формуле
f
1 sc = 1 ph 10
exp
q(Vs + IScRs )
kT
-1
-1.
exp
q(Vs + iscRs) akT
-1
V„ + IscR s
R
(1)
sh
где 1рь - фототок, 10 - диффузионный ток насыщения, 1Г - рекомбинационный ток насыщения, а - коэффициент неидеальности р-п перехода, Я^ - шунтирующее сопротивление [5].
б
Рис. 1. Схема распределения заряда в структуре с глубоким (а) и субмикронным (б) несимметричнымр-п-переходом
При низких уровнях освещенности -<< 1,
кТ
V ~ AQs, выразим 1ХС через AQs из формулы (1) в линейном приближении:
1 ph
i о+^ + 0 а IkT R
1
sh
Vs
1+ U о + —
+R
kT R
■ = Ic +ßQs .
sh
Релаксация неравновесного поверхностного заряда AQs =AQ 0ехр{- / т} с характерным временем т >> тп, т >> тр обусловливает изменение тока короткого замыкания
Isc = Ic +AI exp{-/ / Т}.
(2)
Исследования спектральных характеристик солнечных элементов выполнялись с помощью автоматизированного спектрального комплекса, в состав которого входят светосильный монохроматор МДР-23, предназначенный для работы в диапазоне 200 - 2000 нм, и разработанный программируемый контроллер для сбора и первичной обработки информации. В этом комплексе программируемый контроллер управляет работой шагового двигателя монохроматора и регистрирует спектр, снимая значение сигнала с универсального цифрового вольтметра, к которому подключен фотоприемник. При измерении спектральной чувствительности солнечных элементов вместо выходного сигнала фотоумножителя регистрируется ток короткого замыкания солнечного элемента. Кроме того, программируемый контроллер выполняет основные функции по первичной математической обработке данных.
Исследовались двусторонние кремниевые солнечные элементы со структурой п+-р-р+ или р+-п-п+ типа, субмикронным (0,15 мкм) диффузионным р-п-переходом, текстурированной поверхностью, на которую наносилось пассивирующее просветляющее покрытие 8Ю2. Спектральная чувствительность ^Х) и ^(Х) измерялась, соответственно, при освещении со стороны р-п-перехода (лицо) и со стороны изотипно-го перехода (тыл). В качестве образца-свидетеля использовался СЭ с глубоким плоским р-п-переходом.
Дискретизированные во времени измерения значений тока короткого замыкания при фиксированной длине волны Х проводились на автоматизированном спектральном комплексе [11] по методике с низким уровнем освещенности [9]. Погрешность измерений не превышала 5 %. Сканирование по Х сопровождается резким изменением условий освещения и коэффициента поглощения при переходе от одной длины волны к другой. В результате у СЭ с субмикронным р-п-переходом наблюдалась релаксация тока короткого замыкания к своему стационарному значению 1С. Этот эффект проявлялся при освещении как с лицевой, так и с тыльной поверхности. Спектральная чувствительность образца-свидетеля в том же временном интервале была стационарна.
Результаты и их обсуждение
На рис. 2 представлены типичные временные зависимости тока короткого замыкания от времени для
а
фиксированных длин волн при переходе к условиям освещения с более высоким Аппроксимация экспериментальных данных зависимостью (2) дает следующие значения т: 1 - 14 с, 2 - 10,6 с, 3 - 10,1 с; 4 - 9 с.
Характерная для исследуемых СЭ при низких уровнях освещенности нестационарность тока короткого замыкания с временем релаксации т ~ 10 с обусловлена захватом основных носителей заряда на медленные поверхностные электронные состояния на границе 81-8102, имеющие достаточно большие времена обмена зарядами с разрешенными зонами. Согласно данным [12], для этих процессов т может составлять 10-1-104 с и зависит от молекулярного состава межфазной границы. Текстурирование поверхности увеличивает площадь границы 81-8102 и /-«-перехода более чем в 10 раз, поэтому эффект влияния изменения плотности неравновесного поверхностного заряда на ток короткого замыкания возрастает вследствие увеличения эффективных значений 10,1Г в формуле (1).
Медленные поверхностные электронные состояния типичны для реальных границ 81-8102. Они образуются в результате адсорбции молекул при термическом выращивании 8Ю2 на поверхности кремния в атмосфере. Время релаксации зависит от природы и концентрации адсорбированных молекул [12].
Рис. 2. Зависимость тока короткого замыкания от времени при резком изменении условий освещения, точки - экспериментальные значения, сплошные линии рассчитаны по формуле (2): 1 - А=420 нм; 2 - А=430 нм; 3 - А=440 нм;
4 - А=450 нм
Другой причиной дефектности межфазной границы является несоответствие постоянных решетки 81 и 8Ю2, в результате чего генерируются напряжения в поверхностной области кремния. Если эти напряжения превышают критические значения, соответствующие температуре выращивания 8102, то в объеме кремния образуются структурные дефекты и снижается время жизни неравновесных носителей заряда [13].
Кубанский государственный университет, г. Красно
Исследуемые СЭ имели достаточно высокий коэффициент собирания в фиолетовой части спектра, что свидетельствует о структурном совершенстве поверхностной области.
Исследуемое явление накопления неравновесного поверхностного заряда на границе Si-SiO2 является дополнительной причиной снижения эффективности собирания фотогенерированных носителей заряда. Физический процесс, лежащий в основе этих потерь, заключается в увеличении тока инжекции за счет дополнительного падения напряжения на /-«-переходе, индуцированного неравновесным поверхностным зарядом.
Авторы благодарят директора НПФ «Кварк» М.Б. Закса и ведущего технолога А.М. Ситникова за предоставленные для исследований образцы.
Литература
1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Кн. 1. М.,
1984.
2. Овсюк В.Н. Электронные процессы в полупроводниках с областями пространственного заряда. Новосибирск, 1984.
3. Гаман В.И. Физика полупроводниковых приборов. Томск, 2000.
4. Jain S.C., Heasell E.L., Roulston D.J. Recent advances in the physics of silicon PN junction solar cells including theire transient response // Progr. Quant. Electron. 1987. Vol. 11. № 2. P. 105-204.
5. Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы: Теория и эксперимент. М., 1987.
6. Willeke G.P. Thin crystalline silicon solar cells. // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2002. Vol. 72. № 1-4. P. 191-200.
7. Zhao J. Recent advances of high-efficiency single crystalline silicon solar cells in processing technologies and substrate materials. // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2004. Vol. 82. № 1-2. P. 53-64.
8. Majumdar D., Dutta S.K., Chatterjee S., Saha H. Effect of
controlled dopant distribution in thin silicon solar cell // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2004. Vol. 81. № 4. P. 459-468.
9. Колтун М.М. Оптика и метрология солнечных элементов. М., 1985.
10. Богатов Н.М., Матвеякин М.П., Родоманов Р.Р., Яко-венко Н.А. Автоматизация измерений спектральных характеристик двусторонних солнечных элементов // Автометрия. 2003. Т. 39. № 6. С. 68-77.
11. Богатов Н.М., Корнеев А.И., Матвеякин М.П., Родома-нов Р.Р. Автоматизированные измерения спектральной чувствительности солнечных элементов в нестационарном режиме // Информационные технологии моделирования и управления. 2005. №3(21). С. 448 - 452.
12. Киселев В.Ф., Козлов С.Н., Зотеев А.В. Основы физики поверхности твердого тела. М., 1999.
13. Cousins P.J., Cotter J.E. Minimizing lifetime degradation associated with thermal oxidation of upright randomly textured silicon surfaces. // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2005. Vol. 90. № 2. P. 228-240.
•}_2 декабря 2005 г.
