Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
Тсуя с сотрудниками изобрели способ сверхскоростного выращивания кремниевой ленты [Tsuya е. а., 1980]. Под давлением расплавленный кремний разбрызгивают через щель в дне тигля, содержащего расплав, на систему охлажденных вращающихся цилиндров, тем самым производя ленту со скоростью от 10 до 40 м/с. Были выращены поликристалличе-ские ленты толщиной 20—200 мкм, шириной 0,1—5 см и с большим размером зерна (10—100 мкм). На ранней стадии исследований этим способом были получены солнечные элементы с КПД rjs = 5% (без просветляющего покрытия).
Выращивание кремния из раствора можно осуществить при более низких температурах, чем температура плавления, используя в качестве растворителей Ga или Sn. Однако из-за низкой скорости выращивания этот способ не нашел широкого применения [Wolf, 1975].
При выращивании пленок Si методом вакуумно-термического испарения требуется высокая температура источника испарения (более 1800°С) и высокий вакуум (не более 1,53-10“5 Па) для предотвращения образования SiO. Коэффициент полезного действия солнечных элементов, выращенных таким образом, достигал 3% [Feldman е. а., 1980]. Для получения эпитаксиальных или поликристаллических пленок с большим размером зерен температура подложки должна превышать 1000°С. При этом снижаются также плотности дислокаций и дефектов упаковки. Температуру можно снизить при соиспарении пленок Pt или других металлов толщиной в несколько монослоев. Атомы металла на поверхности растущей пленки Si существенно увеличивают поверхностную подвижность атомов Si, стимулируя кристаллический рост [Siekhaus, 1976].
Более широко используют метод химического осаждения из паровой фазы, основанный на разложении SiCl4, SiHCl3 [Chu е. а., 1967] или кремнийорганических соединений на горячей подложке. Скорости роста при низких температурах определяются скоростью химической реакции, а при высоких — процессами диффузии и сильно зависят от газового потока и давления. При температурах 1100—1300°С достижимы скорости роста 6—14 мкм/мин, хотя для получения более совершенной кристаллической структуры предпочтительнее скорости около 1 мкм/мин [Runyan, 1965].
Среди достоинств метода — простота контролируемого легирования, осуществляемого путем введения газообразных примесей, таких, как диборан, фосфин или арсин, в газовый поток, а также возможность трав-
159
ления подложек in situ. Простым изменением потока легирующей примеси можно последовательно выращивать слои р- и и-типов проводимости. В условиях эпитаксиального роста выращивают слои высокого качества [Kressel е. а., 1976].
Другие способы выращивания ленточного кремния основаны на:
а) погружении подложек из силиката алюминия или керамики на основе оксида алюминия в расплавленный кремний [Heaps е. а., 1980] ;
б) прокатке кремния при температурах около 1380°С [Noel е. а.,
1976];
в) литье методом направленной кристаллизации с последующей резкой слитка на пластины, в которой все границы зерен нормальны к плоскости пластины [Fischer, Pschunder, 1976; Fischer, 1978];
г) эпитаксии из жидкой фазы с использованием раствора Si в Sn
[Wolf, 1975].
Метод направленной кристаллизации привлек значительный интерес своей дешевизной. В соответствии с одной из его модификаций на одном конце контейнера с расплавленным кремнием устанавливают теплообменник таким образом, чтобы получить фактически одномерный температурный градиент. Полученные слитки отличаются высоким совершенством; размер зерен в них превышает несколько миллиметров [Khattak, Schmid, 1980].
Улучшению качества кремниевых лент способствует их зонная плавка с помощью сканирующих электронно-лучевых или лазерных источников энергии [Lesk е. а., 1976].
Полный сравнительный обзор методов Чохральского, зонной плавки, метода литья с использованием теплообменника, EFG-способа и способа выращивания дендритных лент дан Швутке [Schwuttke, 1979] и Цижеком [Ciszek, 1982].
4.3. ДЕФЕКТНОСТЬ, ЛЕГИРОВАНИЕ И ВРЕМЯ ЖИЗНИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
Эффективность преобразования энергии солнечными элементами решающим образом зависит от концентрации дефектов, влияющих на время жизни г неосновных носителей заряда в активных слоях. С ростом г увеличивается не только ток короткого замыкания Jsc, но также напряжение холостого хода Voc вследствие уменьшения обратного тока насыщения J0. Вторым по важности контролируемым параметром является удельное сопротивление.
Дефекты можно разбить на две большие группы: структурные дефекты (дислокации, междоузельные атомы, вакансии, двойники и малоугловые границы зерен) и примеси (чужеродные атомы внедрения или замещения). Часто в результате взаимодействия чужеродных примесей со структурными дефектами образуются дефектные комплексы. Дефекты могут быть как электрически активными, так и электрически неактивными.
Проявление их электрической активности (в качестве донора, или акцептора, или рекомбинационного центра) определяется положением энергетического уровня в запрещенной зоне полупроводника и положено
В А1 Ga In Zn Cu Au Ag
Рис. 4.8. Измеренные энергии ионизации различных примесей в Si. Энергии доноров Д н акцепторов А отсчитываются от дна зоны проводимости для центров, расположенных выше середины запрещенной зоны, и от потолка валентной зоны для центров, расположенных ниже середины запрещенной зоны