Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
314
Глава 6
Рис. 6.5. Зависимости удельной фотопроводимости ор в условиях АМ1 (а), энергии активации Ед (б) и тем-новой удельной проводимости Gq (в) пленок a-Si : F : Н, осаждаемых в тлеющем разряде, от отношения концентраций SiF4 и Н2 [6].
Рис. 6.6. Зависимости удельной фотопроводимости Ор (при комнатной температуре) пленок a-Si : Н, получаемых методом ионного распыления, от парциального давления аргона рАг при парциальном давлении водорода, равном 0,03 Па (/) и 0,08 Па (2) [22]; энергия фотонов — 1,96 эВ; плотность потока фотонов—1015 см-2-с-1.
димость обусловлена наличием свободных носителей заряда. Кривые имеют две температурные области, которым соответствуют различные значения энергии активации: ?а = 0,05 эВ (y = 0,7) и ?’а = 0,12 эВ (у = 0,5). Значение температуры, разделяющей эти области, определяется интенсивностью излучения. Такой характер температурной зависимости фотопроводимости согласуется с предположением о существовании различных механизмов рекомбинации. Однако приведенные данные противоречат результатам Спира и др. [96], наблюдавших изменение энергии активации в пленках a-Si: Н, осажденных в высокочастотном тлеющем разряде, при температурах ниже 250 °С. Авторы полагают, что это изменение вызвано переходом от проводимости, обусловленной переносом свободных носителей заряда, к прыжковой проводимости по локализованным состояниям. Отсутствие прыжковой проводимости даже при относительно низкой температуре имеет важное значение с точки зрения возможности создания эффективных солнечных элементов.
В пленках a-Si: F: Н, изготовленных Маданом и др. [6] посредством осаждения в тлеющем разряде при отношении концентраций SiF4 и Н2, равном десяти, плотность локализованных состояний составляет менее 1017 см~3-эВ-1. Эти пленки обла-
Солнечные элементы на основе аморфного кремния 315-
дают высокой фотопроводимостью и большой механической прочностью; кроме того, их структура не изменяется под действием света.
Благодаря низкой плотности локализованных состояний возможно легирование аморфного материала как донорными, так и акцепторными примесями! При этом для получения очень высокой удельной проводимости (~5 Ом-1 «см-1) и низкой энергии активации (ЕА~
~0,05 эВ) достаточно введения небольшого количества вещества. Значения удельной фотопроводимости, энергии активации и темновой удельной проводимости существенно зависят от отношения концентраций SiF4 и Н2 (см. рис. 6.5).
Кривые зависимости удельной фотопроводимости пленок а-Si: Н, создаваемых методом ионного распыления, от парциального давления аргона рАт показаны на рис. 6.6 [22]. При повышении рАг удельная фотопроводимость возрастает на несколько порядков величины. Увеличение парциального давления аргона от 0,7 до 1 Па не вызывает изменения темновой удельной проводимости oD, однако при дальнейшем повышении рАг ее значение возрастает, а энергия активации (определяемая из температурной зависимости aD) уменьшается. Парциальное давление водорбда влияет на удельную фотопроводимость таким же образом, как и рАт. Изменения фотопроводимости и темновой удельной проводимости при вариациях парциальных давлений аргона и водорода являются следствием зависимости структурных свойств пленок а-Si: Н и плотности состояний в запрещенной зоне от условий осаждения.
6.4.4.2 Подвижность и время жизни носителей заряда
В пленках а-Si: Н, осаждаемых в тлеющем разряде постоянного тока и в высокочастотном разряде, дрейфовая подвиж-ность электронов [ып и дырок jмр при температурах 20 ... 400 К обусловлена прыжковой проводимостью. Измерения подвижности основных носителей заряда показывают, что при комнатной температуре ^п = 2 • 10~2... 5 • 10~2 см2/(В«с) и = 5-10-4...
...6* 10-4 см2/(В*с), а соответствующие значения энергии активации равны 0,19 и 0,35 эВ [34] (см. рис. 6.7). Согласно расчетам, подвижность свободных носителей составляет приблизи-тельно 1 см2/(В*с) [101, 104].
Рис. 6.7. Температурные зависимости дрейфовсй подвижности основных носителей заряда — электронов (jidn) и дырок (jijp) — в пленках а-Si : Н [34]. Подвижность измеряется в см2/(В-с).
316
Глава 6
Время жизни электронов в нелегированных пленках a-Si: Н, найденное по результатам измерений фотопроводимости [56], изменяется в пределах 10~3... 10~7 с. Наличие зависимости времени жизни носителей заряда от интенсивности излучения обусловлено смещением квазиуровня Ферми для электронов и изменением механизма рекомбинации носителей при вариациях освещенности [56]. Измерений времени жизни неосновных носителей заряда в пленках a-Si: Н до настоящего времени не проводилось, однако, исходя из характеристик солнечных элементов, на основе a-Si: Н можно оценить диффузионную длину дырок (она составляет ~0,2 мкм [31]), а затем, используя значение подвижности свободных носителей заряда (~1 см2/ /(В-с), определить время жизни дырок (~2*10-8 с).
6.4.4.3 Плотность состояний в запрещенной зоне
Характеристики элементов в значительной степени зависят от энергии, плотности и типа состояний в запрещенной зоне a-Si:H. Плотность и тип состояний определяются главным образом условиями осаждения пленок. Согласно результатам измерений параметров большого количества пленок a-Si: Н, полученных в тлеющем разряде, концентрация глубоких центров (ловушек) составляет 1015...1016 см-3 [105, 106]. Плотность состояний в запрещенной зоне уменьшается при повышении температуры подложки [105, 106] и достигает минимального значения при Гп~330 °С [37, 58]. Дальнейшее увеличение температуры подложки приводит к возрастанию концентрации дефектов вследствие экзодиффузии водорода [58, 107]. При воздействии света глубокие центры заполняются носителями заряда, и в условиях «светового насыщения» [37] для пленок a-Si: Н характерна высокая плотность состояний в середине запрещенной зоны.
