Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
1.3.1. Структурные характеристики
Значительное влияние на оптические и электронные свойства тонких пленок оказывают строение их кристаллической решетки и микроструктура. Аналогичным образом особенности структуры на границе раздела р- и n-областей определяют электронные свойства электронно-дырочного перехода. Разработан ряд методов исследования морфологии, кристаллической структуры и дефектов в различных областях объема солнечных элементов и на границе раздела слоев, обеспечивающих очень высокую разрешающую способность, вплоть до атомных размеров, хотя это достигается за счет уменьшения общей площади или объема исследуемой области материала. В большинстве
22
Глава 1
случаев необходимую информацию ,о свойствах материала можно получить при использовании методов, обладающих низкой разрешающей способностью, но позволяющих изучать области большого размера, в сочетании с методами, обеспечивающими высокую разрешающую способность при изучении микрообъектов.
1.3.1.1 Исследования кристаллической структуры
Методы рентгенографии [33—37] относятся к наиболее точным методам исследования кристаллической структуры твердых гел, не требующим, как правило, тщательной подготовки образца, и, что особенно важно, являются неразрушающими. Тонкие поверхностные пленки толщиной до 100 нм могут изучаться с применением электронографии [38—40], однако процесс подготовки образца оказывается довольно сложным, так как пленку необходимо отделить от подложки и укрепить на сетчатом держателе электронного микроскопа. Для исследования более толстых пленок можно использовать дифракцию электронов высоких энергий. Анализ дифракционных картин, получаемых этими методами, и их сравнение со стандартными данными ASTM (Американского общества по испытанию материалов) позволяют выявить различные кристаллические фазы в пленке, их относительное содержание, параметры кристаллической решетки и преимущественную ориентацию. По ширине дифракционных полос можно определить средний размер зерен в пленке [33]. Относительно новый метод исследования кристаллической структуры с пространственным разрешением около 1 мкм, основанный на анализе процесса каналирования электронов [41], гребует использования растрового электронного микроскопа. Общую картину кристаллической структуры можно получить путем изменения направления падения электронного луча для фиксированной точки на поверхности образца. Просвечивающий растровый электронный микроскоп позволяет изучать области структуры размером 5. ..10 нм.
1.3.1.2 Исследование микроструктуры
Для изучения морфологии и структуры фотоэлектрических приборов наряду с простыми методами оптической микроскопии— наблюдения в отраженном и проходящем свете — могут применяться методы интерференционного и фазового контраста [42, 43]. Метод сканирования поверхности солнечного элемента световым пятном можно использовать для исследования элемента непосредственно в рабочем режиме. Однако все оптические методы имеют невысокий предел разрешения, ограниченный несколькими десятыми долями микрометра.
Анализ свойств полупроводниковых материалов
23
Существует довольно много электронно-лучевых методов, обеспечивающих повышенную разрешающую способность. Наиболее высокой информативностью обладает метод растровой электронной микроскопии. Его достоинствами являются обеспечение большого расстояния между системой магнитных линз и поверхностью образца, что удобно для работы оператора, и возможность непосредственного изучения практически любой свободной поверхности. Растровые электронные микроскопы могут работать в нескольких режимах [38]. Чаще всего исследуется изображение, формируемое с помощью вторичных электронов; при этом обеспечиваются предел разрешения менее 10 нм, практически неограниченная глубина проникновения поля и высокий контраст изображения основных составляющих солнечного элемента [44—47]. При использовании относительно простого дополнительного оборудования можно регистрировать отраженные электроны и катодолюминесценцию, что позволяет изучать изменение состава и обеспечивает более контрастное изображение различных фаз. Картина распределения тока, возбуждаемого электронным лучом [45], а также изображение, получаемое методом вольтова контраста [48], дают наглядное представление об электронных процессах в приборе. Возможные виды информации, получаемой при различных режимах работы растрового электронного микроскопа, представлены в табл. 1.1.
Просвечивающие электронные микроскопы обладают более высокой разрешающей способностью по сравнению с растровыми микроскопами. Однако при использовании просвечивающих электронных микроскопов необходимо подготовить образцы толщиной менее 100 нм. В том случае, когда исследуемый элемент имеет многослойную структуру, приготовление образца представляет собой довольно сложную проблему; однако если это препятствие преодолено, то детали структуры образца можно изучать с разрешением, достигающим атомных размеров. В последние годы разработаны оригинальные методы приготовления образцов, которые позволяют исследовать морфологию и дефекты структуры на границе раздела двух слоев и в активной области элемента. При рассмотрении соответствующих методов получения образца для иллюстрации будут приведены примеры, связанные с изучением тонкопленочных солнечных элементов с гетеропереходом Cu2S — CdS.
