LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

Головна Електроніка. Обчислювальна техніка → Фізичні властивості кремнієвих фотоперетворювачів з вбудованими дельта- та псі- шарами

втрачається. Оцінки свідчать, що для д-шару товщиною 50 нм з коефіцієнтом поглинання бд=102 см-1 у діапазоні 0.5-1.1 еВ, за умови 100 проходів світлового потоку, збільшення густини струму короткого замикання досягає кількох відсотків (1.12 мА/cм2) порівняно з вихідною структурою (33 мА/cм2).

У випадку незмінної величини фотоструму збільшення напруги холостого ходу відповідно до виразу (n - коефіцієнт неідеальності) досягає 10-15% за рахунок зменшення густини темнового струму j0. Для великих бар’єрів, які створює d-шар, напруга холостого ходу може підвищуватися також і внаслідок збільшення фактора неідеальності n, однак, погіршення форми світлової ВАХ призводить, у кінцевому рахунку, до зменшення ефективності фотоперетворення.

Четвертий розділ присвяченозастосуванню шарів ПК у фотоперетворювачах дифузійно-польового типу.

З метою визначення рекомбінаційних характеристик межі поділу ПК-кремній була використана структура типу n-p перехід з шаром ПК (товщиною 1мкм) на тильній поверхні. Товщина базової p-області складала 300 мкм, довжина дифузії неосновних носіїв близько 100 мкм. Поверхня ПК освітлювалася через діафрагму з метою виключення впливу поверхні монокристалічного кремнію. В умовах освітлення тильної поверхні квантами із області сильного поглинання кремнію така структура характеризується різкою залежністю фотоструму від швидкості рекомбінації s. Цей висновок базується на результатах чисельного моделювання і має ясну фізичну інтерпретацію: коли структуру освітлено з боку бази, фотострум визначає вплив рекомбінаійного потоку на поверхню, особливо для квантів світла з великим коефіціентом поглинання в кремнії; у випадку ж освітлення n+-емітера (товщина близько 0.6 мкм) нерівноважні носії генеруються поблизу області просторового заряду і ефективно розділяються електричним полем.

Методом наближення експериментальних і розрахованих за допомогою пакету PC1D спектральних залежностей фотоструму були визначені величини швидкості рекомбінації на межі поділу ПК-кремній s~105 см/c у вологій атмосфері та s~106 см/c на повітрі. Зміну швидкості рекомбінації на межі поділу можна пояснити в рамках моделі Стівенсона-Кейса, з урахуванням відповідної зміни приповерхневого вигину зон внаслідок адсорбції вологи. Великі значення швидкості рекомбінації, отримані в цих дослідах, підтверджують припущення про збільшену площу фізичної межі поділу в структурах з ПК.

Можливості застосування ПК у фотовольтаїці для активних шарів обмежені в першу чергу його високим електричним опором, а тому доцільно розглянути спеціальні напівпровідникові структури, в яких можна використати діелектричниі властивості цього матеріалу.

Фотовольтаїчний ефект спостерігався в структурах Ti-надтонкий шар ПК (<10 нм)-р-Si. Шари ПК створювалися електрохімічним травленням пластин p-кремнію, на наступному етапі вакумним напиленням через маску наносився напівпрозорий шар барє’рного металу.

Характер залежностей напруги холостого ходу Vхх (рис. 3), струму короткого замикання Iкз (рис. 4), зовнішньої квантової ефективності від часу травлення (а отже, і товщини шару ПК) дозволяв зробити висновок, що у формуванні фотоструму приймають участь основні і неосновні носії струму, а шар ПК відіграє роль тунельно-прозорого діелектрика в системі метал-діелектрик-напівпровідник (МДН).

Коли товщина проміжного шару невелика, струм дірок зменшується більш сильно ніж фотострум електронів, але при подальшому збільшенні товщини починає зменшуватися і фотострум електронів, це і визначає наявність максимуму Iкз. Можна, таким чином, припустити, що шар ПК в означених структурах є тунельно прозорим для неосновних носіїв (електронів), та водночас створює потенціальний бар’єр для основних носіїв (дірок).

На користь цього свідчить збільшення нормалізованої зовнішньої квантової ефективності в короткохвильовій області (hн>2 еB) при збільшенні товщини ПК. Цей ефект пояснюється переходом основних носіїв у метал, який зменшує загальний фотострум. Роль означеного ефекту тим менша чим менша прозорість проміжного шару. Зростання Vхх із збільшенням товщини ПК зумовлено, в першу чергу зменшенням темнового струму.

Вперше експериментально показана можливість створення фотоперетворювача з інверсійним шаром, який виникає внаслідок вбудови іонів Сs+ в ПК. Технологічно процес вбудови позитивних іонів в плівку ПК можна реалізувати, застосовуючи обробку в водному розчині CsCl та на завершальному етапі низькотемпературний відпал (4000 С, 10 хв.). Зсув високочастотних вольт-фарадних характеристик після вбудови Сs+, а також зникнення фоточутливості в структурі ПК(Cs+)-p-кремній при прикладанні позитивного відносно шару ПК потенціалу до підкладинки підтвердили припущення про виникнення інверсійного шару.

Вивчення методом наведеного струму розподілу потенціального бар’єра по поверхні такої структури показало, що області, в яких відбувається поглинання світла, і області (Ti-p-Si), через які “збираються” носії, розділені просторово (рис. 5,б). Вихідна тестова структура без ПК та обробки означеним способом, характеризувалася фоточутливістю виключно по периметру Ti-p-Si діодів внаслідок латеральної дифузії фотогенерованих носіїв у напрямку бар’єрних областей (рис. 5,а). Розподіл фотоструму в такому випадку визначається фактором exp(-x/l), де x-відстань від краю Ti -контакту, l- довжина дифузії електронів у p-підкладинці.

Чисельним моделюванням, з використанням експериментальних значень коефіцієнта відбиття ПК, отримані залежності напруги холостого ходу Vх.х від величини вбудованого позитивного заряду (рис. 6,а) та світлові ВАХ (рис. 6,б). Показано, що такий елемент на підкладинці p-Si з с=0.1 Ом·см при концентрації іонів цезію Ncs >1012 см-2 в ПК в умовах освітлення АМ1.5, 0.1 Вт/см2 може мати наступні параметри: jк.з= 36 мА/см2, Vх.х=0.69В.

За величиною зсуву напруги плоских зон високочастотної вольт-фарадної характеристики була оцінена величина позитивного заряду в плівці ПК, яка співпадала з результатами чисельного моделювання. Запропонована технологія, яка дозволяє уникнути фотолітографічного процесу при формуванні контактної гребінки на фронтальній поверхні елемента.

П’ятий розділ присвячено вивченнювпливу поверхневої рекомбінації на фотоефекти в гетероструктурах ПК-кремній.

Для досліджень були використані гетероструктури напівпрозорий Au-ПК (товщина 1мкм)-n-Si-Ag для двох конфігурацій: планарної - напруга прикладалася до двох сусідніх контактних Au областей; наскрізної - напруга прикладалася між Au та тильним омічним контактом. При наскрізному проходженні спостерігалася ВАХ діодного типу, у випадку прикладання напруги між контактами Au ВАХ були симетричні, що пояснюється, протіканням струму або через високоомномний шар ПК з питомим опором близько 106 Ом·см, або через підкладинку, коли два гетеропереходи ПК-n-Si