Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 1, стр. 52-55

ВВЕДЕНИЕ

В связи со значительным ростом энергопотребления и уменьшением запасов традиционных ископаемых энергоресурсов в последние годы существенно возрос интерес к возобновляемым источникам энергии. В частности, возрос интерес к фотопреобразователям солнечной энергии на основе кремниевых солнечных элементов (СЭ), изготавливаемых из структур n⁺–p(n)–p⁺-типа. Основными задачами дальнейшего улучшения таких СЭ являются повышение кпд и снижение стоимости их производства. Недавно были получены кпд свыше 20% для CЭ из монокристаллического кремния [1] и свыше 23% для СЭ из кремния с гетероструктурой типа HIT [2].

Для получения максимального кпд фоточувствительность должна быть максимальна и практически одинакова по всей площади СЭ, т.е. ее контраст должен быть минимальным [3]. Кроме того, знание ее контраста по площади кремниевой n⁺–p(n)–p⁺-структуры позволяет предсказывать эффективность изготавливаемого из нее СЭ [4]. На готовых СЭ этот контраст легко определяется по измерениям тока короткого замыкания при сканировании поверхности p–n-перехода лучом света с энергией квантов (hν) больше ширины запрещенной зоны кремния (E_g).

Разброс значений фоточувствительности может возникнуть как в исходном слитке кремния, так и на различных этапах изготовления СЭ. Для такого контроля исходных пластин кремния успешно используются СВЧ-методы, основанные на сканировании их поверхности лучом света также при hν > E_g (Microwave Detected Photoconductivity – MDP-map). При этом измеряются изменения интенсивности СВЧ-волны, которая отражается от исследуемой структуры или проходит через нее [5]. В частности, при импульсной модуляции света измеряются времена спада СВЧ-фотопроводимости после окончания этих импульсов (microwave photoconductivity decay – μPCD). Для повышения разрешающей способности метода в работе [6] освещение осуществляли через световод (диаметр светового пятна не более 100 мкм), а СВЧ-зондирование производили через коаксиальный кабель диаметром 1 мм.

Для контроля контраста фоточувствительности кремниевых пластин в настоящее время успешно используются также методы, основанные на измерении люминесценции, возникающей при освещении (photoluminescence image – PLI). При этом пластина либо сканируется лучом лазера [7, 8], либо освещается целиком [9] также при hν > E_g. Для регистрации используются видеокамеры на основе приборов с зарядовой связью. В [10] измерения фотолюминесценции были использованы для раздельного определения времени жизни неравновесных носителей заряда (ННЗ) в объеме и скорости их рекомбинации на поверхности пластин кремния.

Значительно сложнее контроль контраста фоточувствительности пластины, когда на нее нанесены сильно легированные слои n⁺- и p⁺-типа, а контакты еще отсутствуют. На этом этапе изготовления СЭ контроль контраста часто не производится [11]. Попытка обнаружить контраст фотопроводимости CЭ из монокристаллического кремния была предпринята в [12]. Зондирование производилось с помощью СВЧ-микроскопа ближнего поля (near field microwave microscope – NFMM) на частоте около 4.1 ГГц с разрешающей способностью около 10 мкм. Хотя контраст СВЧ-проводимости в отсутствие света четко регистрировался, контраст СВЧ-фотопроводимости практически не наблюдался.

Проблема правильности определения контраста фоточувствительности n⁺–p(n)–p⁺-структур связана с тем, что ННЗ экстрагируют из базовой области освещаемого участка и по слоям n⁺- и p⁺-типа инжектируют в неосвещаемые участки СЭ. В результате и на неосвещаемых участках СЭ возникает напряжение, а на освещаемом оно снижается по сравнению с напряжением холостого хода, т.е. контраст фото-ЭДС искажается. При этом концентрация ННЗ и время релаксации фотопроводимости (τ) в базовой области освещаемого участка падают. Согласно расчетам [13], значение τ снижается примерно в 3 раза в СЭ толщиной 0.4 мм при времени жизни ННЗ в базе 100 мкс. С увеличением времени жизни ННЗ значения τ еще более снижаются.

Цель настоящей работы – более детально рассмотреть влияние на фото-ЭДС шунтирования n⁺- и p⁺-слоями освещаемой части кремниевой n⁺–p(n)–p⁺-структуры ее неосвещаемой частью.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

Экспериментальные исследования проводились на модели неоднородной n⁺–p–p⁺-структуры, состоящей из двух одинаковой площади СЭ, соединенных резистором – эквивалентом шунтирующего сопротивления. Один из СЭ был предварительно облучен быстрыми электронами. Измеренные по спектрам токов короткого замыкания времена жизни ННЗ в их базовых областях составляли около 26 и 1 мкс. Измерения постоянных напряжений, возникающих на этих СЭ, проводились при освещении одного из них лампой накаливания мощностью 60 Вт с различных расстояний от 0.25 до 1 м.

Полученные экспериментальные данные о фоточувствительности этих СЭ сравнивались с результатами расчетов. Вычислялись зависимости напряжений на освещаемом (U₁) и неосвещаемом (U₂) СЭ в зависимости от величины сопротивления R соединяющего их резистора. При расчетах использовались следующие уравнения для токов через освещаемый (J₁) и неосвещаемый (J₂) СЭ

Здесь S₁ – площадь освещаемого СЭ, S₂ – неосвещаемого, j_s1 и j_s2 – плотности их токов насыщения, А₁ и А₂ – численные коэффициенты, q – заряд электрона, k – постоянная Больцмана, T – температура, j_sc1 – плотность тока короткого замыкания освещаемого СЭ.

Знак “–” в соотношении (4) связан с тем, что J₁ есть ток экстракции ННЗ из освещаемого СЭ, а J₂ есть ток их инжекции в неосвещаемый СЭ. Значения j_s1 и j_s2, а также коэффициентов А₁ и А₂ определялись предварительно на основании измерений вольт-амперных характеристик этих СЭ без освещения. Решения системы этих нелинейных уравнений проводилось численно на ЭВМ. Для этого значения U₁ подбирались такими, чтобы выполнялось условие (4).

На рис. 1 показаны измеренные (точки) и вычисленные (кривые) зависимости напряжений (^нU_{1, 2}) на необлученном СЭ (на рис. они обозначены как ^нU₁, ^нU₂) и (^оU_{1, 2}) на облученном СЭ (^оU₁, ^оU₂) от величины сопротивления R шунтирующего резистора. Зачерненные точки и сплошные кривые соответствуют освещенным СЭ (^нU₁ , ^оU₁), а светлые точки и штриховые кривые – неосвещенным (^нU₂, ^оU₂). (Индексы 1 соответствуют напряжениям при освещении, а индексы 2 – при его отсутствии). Все данные рис. 1 получены при фиксированном расстоянии до источника света (0.5 м). В пределах точности измерений экспериментальные зависимости согласуется с вычисленными зависимостями. При максимальных значениях R влияние шунтирования на напряжения освещаемых СЭ пренебрежимо мало – напряжения на них практически равны фото-ЭДС холостого хода. С уменьшением значений R напряжение на освещаемых СЭ несколько уменьшается (из-за экстракции ННЗ), тогда как на неосвещаемых СЭ оно существенно возрастает (из-за инжекции ННЗ). В частности, на необлученном СЭ (^нU₂) это возрастание происходит в 100 раз. При R = 1 кОм значение ^нU₁ снижается на 10% (на 35 мВ). Согласно [13], такое снижение может привести к уменьшению измеряемого времени релаксации ННЗ в несколько раз.

На рис. 2 штриховыми кривыми с точками (1, 2, 3) показаны измеренные при освещении зависимости отношений напряжений (^нU₁/^оU₁) тех же СЭ от R. Соответствующие им интенсивности освещения относятся как 1 : 4 : 16. Сплошной кривой показана расчетная зависимость (2р) для того же случая, что и кривая 2. Расхождение между ними в пределах ошибок измерений. При максимальном значении R (86 кОм) в интервале использованных интенсивностей освещения отношения (^нU₁/^оU₁) исследованных СЭ практически равны отношениям их фото-ЭДС (напряжений холостого хода). В этом случае шунтирование практически отсутствует. При этом с ростом интенсивности освещения отношение (^нU₁/^оU₁) уменьшается в пределах примерно от 6.1 при минимальной освещенности до 1.7 при максимальной. Это означает, что с ростом интенсивности освещения снижается точность определения контраста их фоточувствительностей. Отношение напряжений снижается также с уменьшением значений R, в особенности при слабых интенсивностях освещения. Это означает, что точность определения контраста фоточувствительностей снижается также с ростом шунтирования.

На рис. 3 приведены вычисленные зависимости отношений напряжений (^нU₁/^оU₁) от доли освещаемой площади S₁ для обоих СЭ относительно неосвещаемой площади S₂. Расчеты проводились для двух значений R = 30 кОм (кривая 1) и 3 кОм (кривая 2) при тех же фотоэлектрических параметрах СЭ, что и раньше. Для кривой 1 отношение напряжений ^нU₁/^оU₁ слабо зависит от S₁/S₂, т.е. контраст фоточувствительностей практически не снижается с уменьшением площадей освещаемых участков в рассмотренном диапазоне. Однако при R = 3 кОм это отношение заметно меньше и существенно снижается с уменьшением площадей освещаемых участков. При S = 0.03 шунтирование настолько велико, что контраст напряжений отсутствует. Это согласуется с тем, что авторам [12] не удалось обнаружить изменения величины сигнала по площади СЭ при весьма малой области зондирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На модели, состоящей из двух различных соединенных резистором кремниевых солнечных элементов, проведены исследования измеряемого контраста фоточувствительности n⁺–p–p⁺-структуры при ее сканировании светом в различных условиях. Экспериментально и путем расчетов показано, что этот контраст снижается при уменьшении как величины сопротивления шунтирующего резистора, так и площади освещаемого участка.