CC BY
16
УДК 621.383.51
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЗАХВАТА НЕРАВНОВЕСНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ ПО СПАДУ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
© 2008 г. Н.М. Богатое, М.П. Матвеякин, Н.В. Першин, Р.Р. Родоманов
Кубанский государственный университет, Kuban State University,
355040, Краснодар, ул. Ставропольская, 149, 355040, Krasnodar, Stavropolskaya St., 149,
rector@kubsu.ru rector@kubsu.ru
Ток короткого замыкания Isc кремниевых солнечных элементов с субмикронным несимметричным р-п-переходом исследован в нестационарном режиме. Зависимость Isc(t) объясняется релаксацией неравновесного поверхностного заряда на границе Si-SiO2 с характерным значением времени т~ 10 с.
Ключевые слова: полупроводниковые структуры, солнечные элементы, поверхностные состояния, неравновесный заряд.
The short circuit current Isc of silicon solar cells with the submicronic asymmetrical p-n-junction is investigated in a non-stationary mode. Dependence Isc(t) is explained by a relaxation of a nonequilibrium superficial charge on border Si-SiO2 with characteristic value of time T~ 10 s.
Keywords: semiconductor structure, solar cells, superficial state, nonequilibrium charge.
Одной из тенденций развития технологии полупроводниковых приборов является уменьшение глубины р-п-перехода до субмикронных размеров
< 1 мкм. В этом случае параметры области пространственного заряда (ОПЗ) р-п-перехода зависят от концентрации акцепторов, доноров и плотности заряда на поверхностных состояниях внешней границы полупроводника. Для субмикронного р-п-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) на поверхностные состояния, разнообразны и не изучены до конца. В теории фотовольтаических структур [4, 5] влияние внешней границы р-п-перехода 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 внешнюю поверхность р-п-перехода наносится пассивирующая диэлектрическая антиотражающая 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 р-п-переходом, изменяют электрическое поле р-п-перехода и не могут быть описаны по-
стоянной эффективной скоростью поверхностной рекомбинации. Влияние этих процессов на спектральные характеристики кремниевых солнечных элементов (СЭ) исследовано в работах [9-11]. Обнаружен эффект накопления неравновесного поверхностного заряда на границе 81-8Ю2 с характерным значением времени т ~ 10 с. Величина т зависит от состояния границы раздела диэлектрик-полупроводник.
Для подтверждения этого эффекта в данной работе исследована динамика тока короткого замыкания. Метод затухания проводимости [12] используется для измерения времени жизни неравновесного заряда. Цель работы - модифицировать этот метод и определить время захвата неравновесного поверхностного заряда по затуханию или нарастанию тока короткого замыкания.
Величина плотности поверхностного заряда Qs зависит от состояния поверхности, является основным параметром для поверхностно-барьерных структур и неконтролируемым параметром для приборов с р-п-или гетеро-переходами. Обозначим изменение плотности поверхностного заряда в неравновесном режиме ДQs. Считаем, что AQs 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 (хе[-^р, -хрт]), отделена от ОПЗ р-п-перехода (хе[- хр, хп]), 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 р-п-перехода и высоты потенциального барьера, что можно рассматривать как падение напряжения ^ на переходе.
1 sc ~ 1 ph 10
expi q-ViMÄ у- 1
-1.
expiq^lLcM У-1 akT
Vs + 1scRs
R
(1)
sh
где 1р1, - фототок; 10 - диффузионный ток насыщения; 1Г - рекомбинационный ток насыщения; а - коэффициент неидеальности р-п-перехода; - шунтирующее сопротивление [5].
При низких уровнях освещенности д(У, + ¡^)
kT
<< 1, Vs ~ AQS.
1 ph
10 + ±
a
kT R
V
sh J
1 + II0 +
h
R
kT
R
(2)
R
sh
Рис. 1. Схема распределения заряда в структуре с глубоким (а) и субмикронным (б) несимметричным р-п-переходом
Полное падение напряжения на р-п-переходе в режиме электрической нагрузки V = и + V + 1К,, где и -напряжение на контактах прибора; I - электрический ток; К, - сосредоточенное последовательное сопротивление. В теории солнечных элементов [5] полагают, что релаксация электрического тока обусловлена рекомбинационными процессами. Характерное время жизни неравновесных электронов тп и дырок тр в кремнии составляет 10^100 мкс. Время измерения тока короткого замыкания / >> тп, / >> тр. В этом временном масштабе параметры, обусловленные объёмной рекомбинацией (фототок, диффузионный ток насыщения, рекомбинационный ток насыщения), квази-стационарны, а вольтамперная характеристика описывается двухэкспоненциальной моделью. В режиме короткого замыкания (и = 0) ток 1,с вычисляется по формуле
( Г „П/ хГ А
Выразим Isc через Vs из формулы (1) в линейном приближении:
Релаксация неравновесного поверхностного заряда AQs = AQ0 ехр{-//г} с характерным временем г >> тп,
г >> тр обусловливает изменение тока короткого замыкания
¡с = ¡с +А1 • ехр{-/т} . (3)
Исследования тока короткого замыкания 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 солнечный элемент. Кроме того, программируемый контроллер выполняет основные функции по первичной математической обработке данных.
Исследовались двусторонние кремниевые солнечные элементы со структурой я+-р-р+ или р+-п-п+ типа, субмикронным (0,15 мкм) диффузионным р-я-перехо-дом, текстурированной поверхностью, на которую наносилось пассивирующее просветляющее покрытие 8Ю2. В качестве образца-свидетеля использовался СЭ с глубоким плоским р-я-переходом.
Дискретизированные во времени измерения значений тока короткого замыкания при фиксированной длине волны X проводились на автоматизированном спектральном комплексе по методике с низким уровнем освещенности [13]. Погрешность измерений не превышала 5 %. Измерялось стационарное значение тока короткого замыкания 1,с при постоянных условиях освещения. Затем световой поток резко прерывался, и измерялась зависимость 1,с(() на участке спада. После того, как Т^. достигло нуля, освещение резко восстанавливалось, и проводились измерения на участке нарастания 1с У исследуемых СЭ наблюдались плавные участки спада и нарастания функции 1,с(/). В исследуемом масштабе времени ток короткого замыкания образца-свидетеля изменялся скачком от одного постоянного значения к другому.
Результаты и их обсуждение
На рис. 2 показаны типичные временные зависимости тока короткого замыкания. Начальные участки соответствуют освещению светом с длиной волны Х=950 нм (зависимость 1) и Х=1000 нм (зависимость 2). Участки спада для обеих зависимостей описываются формулой (3) с г и 7 с. Значения г не зависят от X в пределах погрешности измерений.
Наблюдаемая у исследуемых СЭ при низких уровнях освещенности нестационарность тока короткого замыкания с характерным временем г ~ 10 с объясняется релаксацией неравновесного заряда на медленных поверхностных электронных состояний границы
/
sc
+
a
81-8102, имеющих достаточно большое время обмена носителями заряда с разрешенными зонами. Согласно данным [14], 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 р-п-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).
Рис. 2. Зависимость тока короткого замыкания от времени при резком прекращении освещения: 1 - X = 950 нм; 2 - X = 1000 нм
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 [14].
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 [15]. 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 81-8102 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 р-п-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 solarcells in processing technologies and substrate materials // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2004. Vol. 82. № 1-2. P. 53-64.
8. Majumdar D. et al. Effect of controlled dopant distribution in thin silicon solar cell // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2004. Vol. 81. № 4. P. 459-468.
9. Богатое Н.М. и др. Автоматизация измерений спектральных характеристик двусторонних солнечных элементов // Автометрия. 2003. Т. 39. № 6. С. 68-77.
10. Богатое Н.М. и др. Исследование влияния неравновесного заряда границы SiO2-Si на динамику спектральной чувствительности солнечных элементов с субмикронным р-п-переходом // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2006. № 2. С. 52-54.
11. Богатое Н.М. и др. Влияние неравновесного заряда границы SiO2-Si на нестационарность спектральной характеристики солнечных элементов с субмикронным р-п-переходом // Эколог. вестн. науч. центров Черноморского эконом. сотрудничества 2006. № 4. С. 63-67.
12. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. М., 1987.
13. Колтун М.М. Оптика и метрология солнечных элементов. М., 1985.
14. Киселев В.Ф., Козлов С.Н., Зотеев А.В. Основы физики поверхности твердого тела. М., 1999.
15. 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.
Поступила в редакцию_21 марта 2008 г.
