Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
10*
292
Глава 6
имеет более благоприятную для эффективного преобразования солнечного излучения ширину запрещенной зоны (~1,6 эВ [42]), чем кристаллический. Будучи полупроводником с прямыми оптическими переходами, он обладает высоким коэффициентом поглощения света [42, 43]. В пленке аморфного кремния толщиной 1 мкм поглощается до 70 % падающего излучения (в условиях АМ1) с энергией более 1,6 эВ. Согласно теоретическим оценкам, предельный КПД солнечных элементов на основе a-Si: Н составляет 15 % [5, 30].
Основным стимулом к исследованию гидрогенизированного аморфного кремния является реальная возможность крупномасштабного применения фотоэлектрических преобразователей, поэтому особое внимание уделяется созданию приборов на основе a-Si:Н (разработке конструкций, анализу свойств перехода и выявлению причин потерь энергии). В то же время еще недостаточно глубоко изучены кинетические явления, механизм легирования, оптические характеристики и особенности микроструктуры a-Si: Н. Кроме того, известные технологические методы недостаточно совершенны для того, чтобы обеспечить получение пленок с требуемыми свойствами. Таким образом, существует еще много проблем, для решения которых необходимы интенсивные экспериментальные и теоретические исследования аморфного материала.
Несмотря на то что некоторые свойства пленок аморфного кремния аналогичны свойствам массивных монокристаллов и тонких поликристаллических пленок, а действие солнечных элементов, изготовляемых из аморфного кремния и из обычных материалов, осцовано на одних и тех же принципах, в силу существования особых свойств пленок a-Si: Н аморфные элементы обладают специфическими характеристиками. Имеется большое количество публикаций по вопросам, связанным с разработкой солнечных элементов на основе a-Si: Н. Несомненно, аморфные материалы и соответствующие элементы заслуживают подробного рассмотрения. Обсуждению свойств аморфных полупроводников (в первую очередь a-Si: Н) и изготовляемых на их основе фотоэлектрических приборов посвящена данная глава.
6.2. Кинетические явления в аморфных материалах
Статическая удельная проводимость ряда аморфных полупроводников в общем случае может быть представлена в виде
G = a0exp (— EA!kT). (6.1)
Здесь Еа — энергия активации, обычно равная 0,5...1,0 эВ [44]. Для многих аморфных халькогенидных полупроводников Оо~Ю3 Ом-1 *см-1. При температуре 300 К этим параметрам
Солнечные элементы на основе аморфного кремния
293
Рис. 6.1. Зависимости подвижности ju (Е) носителей заряда (а) и плотности состояний N (Е) (б) от энергии Е в аморфных полупроводниках. Ef — уровень Ферми, Ес и Ev — пороги подвижности, соответствующие дну зоны проводимости и вершине валентной зоны в кристаллических полупроводниках
отвечают значения удельной проводимости в пределах 10~3... ... 10-13 Ом-1 «см-1. Кривая зависимости подвижности носителей от энергии jx(?) имеет области резкого снижения подвижности при энергиях, соответствующих дну зоны проводимости Ес и вершине валентной зоны Ev (см. рис. 6.1, а). Эти области называются порогами подвижности, и при ТфО в интервале энергий, заключенных между Ес и EVi jx(?) принимает очень низкие (но не нулевые) значения. Указанный интервал энергий может быть назван «щелью для подвижности», а величина входящая в уравнение (6.1), представляет собой энергию, которая обеспечивает переход носителей заряда через область низких значений подвижности.
6.2.1 Модели энергетических зон
Для описания процесса переноса носителей заряда в аморфных полупроводниках предложено несколько моделей зонной структуры. Общая для всех моделей посылка состоит в том, что в хвостах энергетических зон существуют локализованные состояния. Их появление связано с пространственными флуктуациями потенциала, обусловленными отсутствием упорядоченной структуры у аморфных материалов.
Коэн, Фритцше и Овшински [45] разработали модель энергетических зон в халькогенидных стеклах, согласно которой «хвосты» плотности состояний, вызванные наличием хаотически распределенных структурных дефектов, проникают на значительную глубину в запрещенную зону идеального полупроводника, причем степень разупорядочения структуры настолько велика, что хвостц состояний, соответствующие зоне проводимости и валентной зоне, перекрываются и в середине запре-
294
Глава 6
щённой зоны сосредоточивается большое количество локализованных состояний. Вследствие этого происходит перераспределение электронов и появляются заполненные, отрицательно заряженные состояния в хвосте, прилегающем к зоне проводимости, и свободные, положительно заряженные состояния — в хвосте, связанном с валентной зоной. Эти процессы вызывают самокомпенсацию материала, в результате чего уровень Ферми занимает фиксированное положение вблизи середины запрещенной зоны. Данная модель позволяет объяснить электрические свойства халькогенидных стекол. Однако аморфные халькогениды обладают высокой оптической прозрачностью за краем поглощения, имеющим резкую границу, что не согласуется с предположением о глубоком проникновении хвостов плотности состояний в запрещенную зону. Рассматриваемая модель в большей степени подходит для описания свойств аморфного кремния, в котором свет поглощается значительна сильнее, чем в соответствующих кристаллических образцах.
