Материал: FXUXsqe9Fl

11

теропереходов использующие аналитическое решение не позволяют в полной мере описать свойства многослойных фотопреобразовательных гетероструктур.

Для исследования влияния свойств границ раздела на эффективности работы СЭ и для анализа экспериментальных данных разработана теоретическая модель изотипных и анизотипных гетеропереходов, основанная на численном решении уравнений непрерывности и Пуассона. Применимость использования предложенной модели гетеропереходов для описания фотоэлектрических и электрофизических свойств фотопреобразовательных a-Si:H/c-Si гетероструктур обусловлена тем фактом, что основной вклад в процесс фотоэлектрического преобразования происходит за счет генерации в кристаллическом полупроводнике. Для описания плотности состояний в щели подвижности слоев аморфных полупроводников использовался классический подход: два экспоненциальных распределения описывающие состояния в хвостах зоны проводимости и валентной и два дефекта в середине щели подвижности с распределением Гаусса: донорного и акцепторного типов, описывающие состояния в середине щели, обусловленные оборванными связями. Результаты структурных исследований границ раздела между слоем a-Si:H и подложкой c-Si, проведенные с помощью просвечивающий электронной микроскопии высокого разрешения, показали наличие переходной область порядка 2–3 нм на границе раздела a-Si:H/c-Si. Данная область в теоретической модели описывалась слоем толщиной 1 нм с высокой концентрацией дефектов, расположенного между двумя полупроводниковыми слоями.

В главе 2 рассмотрены границы раздела в солнечных элементах на основе гетеропереходов между аморфным гидрогенизированным и кристаллическим кремнием (a-Si:H/c-Si). СЭ на основе a-Si:H/c-Si обладают высокими значениями КПД достигающими величины 24.7 % [1] и лучшей температурной стабильностью характеристик по сравнению с традиционными СЭ на основе монокристаллического кремния с диффузионным p-n переходом. Низкие температуры (150–250 ° С) процесса изготовления таких структур позволяют использовать более тонкие пластины c-Si, что приводит к снижению расхода материала и повышению энергоэффективности производства.

Схематическое изображение структуры СЭ на основе гетероперехода a- Si:H/c-Si представлено на рис. 1. Основная особенность таких гетероструктур заключается в том, что для формирования выпрямляющего перехода на пластину c-Si p- или n-типа проводимости методом плазмо-химического осаждения (ПХО) наносится сильно легированный слой a-Si:H n- или p-типа, соответственно. Осаждение слоев a-Si:H происходит при температуре 120–250 ° С за

13

2 × эВ–1 (sn = sp= 10-14 см2) влияние поверхностных состояний становится незна-

чительным.

Экспериментальная оценка плотности поверхностных состояний на границе раздела (n)a-Si:H/(p)c-Si проводилась с помощью разработанной методики на основе измерения спектров полной проводимости (C-T-w, G-T-w). Сравни-

тельный анализ экспериментальных данных и результатов теоретического расчета позволяет провести оценку электронных свойств границы раздела a-Si:H/c-Si (Dit, sn,p) для образцов с Dit > 1012 см-2 эВ-1, а также выделить три условные группы образцов (рис. 3). КПД образцов из группы № 1 находился в диапазоне 5 – 10 % , группы № 2 и 3 в пределах 12– 15 %.

Для образцов из группы № 1 характерно проявление особенности на зависимостях C-T-w и G-T-w в виде значительной ступени емкости и пика проводимости при высоких температурах, которая обусловлена откликом поверхностных состояний за счет обмена (захвата и эмиссии) дырок между поверхностными состояниями на уровне Ферми и валентной зоной (p)c-Si. Оценка Dit дает значение, находящееся в диапазоне (1– 5) × 1013 см-2 эВ-1 (sp ~ 10–13 см2). При этом экспериментальные значения энергии активации этого процесса

~ 0.5 эВ, соответствующие разнице между уровнем Ферми и потолком ва-

лентной зоны на границе раздела (EF – EV c-Si)it, свидетельствуют о смеще-

нии положения уровня Ферми к середине запрещенной зоны на границе a-Si:H/c-Si (рис. 4), т.е. проявляется пиннинг уровня Ферми поверхностными состояниями.

Для группы образцов № 2 характерно проявление незначительной ступени емкости, обусловленной обменом электронов между поверхностными

14

состояниями и зоной проводимости (n)a-Si:H. В этом случае Dit находится в диапазоне 1012 … 10 13 см–2 эВ–1 ( σn 10–15 см2). Экспериментальные значе-

ния энергии активации 0.4 эВ, соответствующие разнице (EC a-Si:H – EF)it,

свидетельствуют о том, что для данного диапазона значений Dit положение уров-

ня Ферми на границе a-Si:H/c-Si слабо зависит от поверхностных состояний.

Отсутствие какой-либо особенности на кривых C-T-ω для образцов из группы № 3 обозначает, что Dit меньше, чем 1012 см–2 эВ–1 , являющейся преде-

лом чувствительности методики.

Для повышения чувствительности к плотности поверхностных состояний был предложен новый способ оценки качества границы раздела a-Si:H/c-Si, основанный на измерениях диффузионной емкости при освещении и прямом напряжении смещения, близком к напряжению холостого хода (VOC). Было продемонстрировано, что абсолютное значение диффузионной емкости CLF сильно зависит от рекомбинации на границах раздела (рис. 5),

что позволяет проводить оценки качества как фронтальной, так и тыльной границы раздела. В свою очередь уровень рекомбинации на границе (n)a-Si/(p)c-Si может быть выражен как:

15

a-Si:H/c-Si [2], что обуславливает необходимость проведения детального анализа применяемых методов исследований.

Одним из наиболее распространенных методов определения разрывов зон анизотипных гетеропереходов является метод на основе измерения вольт-фарадных характеристик. В основе методики лежит предположение, что величину суммарного диффузионного потенциала Vd можно найти, по-

строив зависимость 1/C2 от напряжения обратного смещения V. Применительно гетеропереходу (n)a-Si:H/(p)c-Si выражение для суммарного диффузионного потенциала Vd может быть представлено следующим образом:

qVd = qVd a-Si:H + qVd c-Si = Eg c-Si + DEС – da-Si:H – dc-Si.

где dc-Si – разность между EF и EV в квазинейтральной области (p)c-Si и da-Si:H – разность между EC и уровнем Ферми EF в квазинейтральной области

(n)a-Si:H. Поскольку величины Eg c-Si, dc-Si, и da-Si:H известны или могут быть определены из других измерений, если определить Vd, то может быть проведена оценка величины DEc. Предполагается, что напряжение пересече-

ния линейной экстраполяции с осью напряжений Vint (1/C2 → 0) равно величине диффузионного потенциала.

Однако проведенный анализ экспериментальных и расчетных зависимо-

стей 1/C2(V) показал, что величина Vint возрастает только при малых значени-

ях DEС, а затем выше некоторого критического значения DEС sat этот параметр уходит в насыщение Vint sat, и далее не зависит от DEC. Величина Vint sat зави-

сит от уровня легирования c-Si (0.65 и 0.76 эВ для Na = 1015 и 1016 см–3 соответственно). Было показано, что обнаруженное насыщение Vint обусловлено су-

ществованием слоя с сильно выраженной инверсией проводимости в c-Si на границе раздела a-Si:H/c-Si. Концентрация электронов n вблизи гетерограницы становится выше концентрации легирующей примеси Na в c-Si. На рис. 6 пред-

ставлена расчетная зонная диаграмма в условиях равновесия, полученная для двух значений DEС. Видно, что для DEС = 0.05 эВ, когда Vd » Vd c-Si »Vint, инверсионный слой отсутствует. Напротив, для DEС = 0.3 эВ, когда Vint = Vint sat ¹ Vd на границе присутствует слой сильной инверсии проводимости. Таким образом, в случае формирования области с инверсией проводимости на границе раздела анизотипных гетеропереходов использование традиционного метода определения разрывов зон, основанного на вольт-фарадных измерениях, может привести к недостоверным результатам.