ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЗАХВАТА НЕРАВНОВЕСНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО ЗАРЯДА В СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ПО СПАДУ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

1

• Авторы
• Файлы

Богатов Н.М. Матвеякин М.П. Першин Н.В. Родоманов Р.Р. Статья в формате PDF 121 KB

Одной из тенденций развития технологии полупроводниковых приборов является уменьшение глубины p-n-перехода до субмикронных размеров w_p < 1 мкм. В этом случае параметры области прострaнcтвенного заряда (ОПЗ) p-n‑перехода зависят от концентрации акцепторов, доноров и плотности заряда на поверхностных состояниях внешней границы полупроводника.

Равновесный поверхностный заряд в полупроводниковых приборах изучен достаточно подробно [1]. Неравновесные эффекты, обусловленные захватом электронов (дырок) на поверхностные состояния, разнообразны и не изучены до конца. Влияние захвата неравновесного поверхностного заряда на спектральные хаpaктеристики кремниевых солнечных элементов (СЭ) исследовано в работах [2, 3].

Цель работы - определить время захвата неравновесного поверхностного заряда по затуханию тока короткого замыкания.

Обозначим изменение плотности поверхностного заряда в неравновесном режиме ΔQ_s. Считаем, что ΔQ_s не изменяет тип проводимости в поверхностной области, но влияет на величину потенциального барьера перехода. Эта ситуация реализуется, если область прострaнcтвенного заряда перехода подходит вплотную к поверхности. Неравновесный поверхностный заряд вызывает изменение ширины ОПЗ p-n‑перехода и высоты потенциального барьера, что можно рассматривать как падение напряжения V_s на переходе.

Хаpaктерное время жизни неравновесных электронов τ_n, дырок τ_p в кремнии составляет 10÷100 мкс. Время измерения тока короткого замыкания t >> τ_n, t >> τ_p. В этом временном масштабе параметры, обусловленные объёмной рекомбинацией (фототок, диффузионный ток насыщения, рекомбинационный ток насыщения), квазистационарны, а вольтамперная хаpaктеристика описывается двух экспоненциальной моделью, в режиме короткого замыкания ток I_sc вычисляется по формуле

,                (1)

где I_ph - фототок, I₀ - диффузионный ток насыщения, R_s - сосредоточенное последовательное сопротивление, I_r - рекомбинационный ток насыщения, a - коэффициент неидеальности p‑n‑перехода, R_sh - шунтирующее сопротивление.

При низких уровнях освещенности

, V_s ~ ΔQ_s.

Выразим I_sc через V_s из формулы (1) в линейном приближении:

.                                (2)

Релаксация неравновесного поверхностного заряда  с хаpaктерным временем τ >> τ_n, τ >> τ_p обусловливает изменение тока короткого замыкания

.                       (3)

Измерения тока короткого замыкания СЭ выполнялись с помощью автоматизированного спектрального комплекса [2] по методике с низким уровнем освещенности. Погрешность измерений не превышала 5%. Исследовались двусторонние кремниевые СЭ, изготовленные НПФ "Кварк" (г. Краснодар), со структурой n⁺-p-p⁺ или p⁺-n-n⁺ типа, субмикронным (0,15 мкм) p-n-переходом, текстурированной поверхностью, на которую наносилось пассивирующее просветляющее покрытие SiO₂. В качестве образца-свидетеля использовался СЭ с глубоким плоским p‑n‑переходом.

Измерялось стационарное значение тока короткого замыкания I_sc при постоянных условиях освещения. Затем световой поток резко прерывался, и измерялась зависимость I_sc(t) на участке спада. У исследуемых СЭ наблюдался плавный участок спада функции I_sc(t), а у образца-свидетеля I_sc изменялся скачком от одного постоянного значения к другому.

На рис. 1 показаны типичные временные зависимости тока короткого замыкания. Начальные участки соответствуют освещению светом с длиной волны λ=950 нм (зависимость 1) и λ=1000 нм (зависимость 2). Участки спада для обеих зависимостей описываются формулой (3) с t » 7 с. Значения τ не зависят от λ в пределах погрешности измерений.

Наблюдаемая у исследуемых СЭ нестационарность тока короткого замыкания с хаpaктерным временем τ ~ 10 с объясняется релаксацией неравновесного заряда на медленных поверхностных электронных состояних границы Si-SiO₂, имеющих достаточно большие времена обмена носителями заряда с разрешенными зонами. Согласно данным [4] для этих процессов t может составлять 10^-1-10⁴ с и зависит от молекулярного состава межфазной границы. Текстурирование поверхности увеличивает площадь границы Si-SiO₂ и p-n-перехода более чем в 10 раз, поэтому эффект влияния изменения плотности неравновесного поверхностного заряда на ток короткого замыкания возрастает вследствие увеличения эффективных значений I₀, I_r в формуле (1).

 

Рис. 1. Зависимость тока короткого замыкания от времени: 1 - λ=950 нм; 2 - λ=1000 нм

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Гаман В.И. Физика полупроводниковых приборов. Томск: НТЛ. 2000. - 426 с.
2. Богатов Н.М., Матвеякин М.П., Родоманов Р.Р., Яковенко Н.А. Автоматизация измерений спектральных хаpaктеристик двусторонних солнечных элементов. // Автометрия. 2003. Т. 39. № 6. С. 68-77.
3. Богатов Н.М., Корнеев А.И., Матвеякин М.П., Родоманов Р.Р. Исследование влияния неравновесного заряда границы SiO₂-Si на динамику спектральной чувствиительности солнечных элементов с субмикронным p-n-переходом // Известия высших учебных заведений Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2006. № 2. С. 52-54.
4. Киселев В.Ф., Козлов С.Н., Зотеев А.В. Основы физики поверхности твердого тела. М.: МГУ. 1999. -284 с.

---