Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
нием квазиуровня Ферми. Как правило, уровни, расположенные в пределах нескольких кТ от зоны проводимости или валентной зоны, являются эффективными донорами или акцепторами, но не представляют собой рекомбинационные центры. Обратное утверждение справедливо для близких к центру запрещенной зоны, особенно это касается глубоких донорноподобных (акцепторноподобных) состояний в материале р-типа (и-типа), являющихся эффективными рекомбинационными центрами, снижающими время жизни носителей заряда. На рис. 4.8 показаны энергетические уровни различных примесей в Si. Детальный обзор по этому вопросу написан Ченом и Милнсом [Chen, Milnes, 1980}.
4.3.1. Легирующие примеси
Легирующую примесь для любого полупроводника выбирают исходя из положения ее энергетического уровня в запрещенной зоне, растворимости в полупроводнике и коэффициента диффузии D. При слишком большом значении D атомы примеси подвижны даже при комнатной температуре, что приводит к нестабильности (в 20-летнем временном масштабе) . Коэффициенты диффузии некоторых элементов в кремнии приведены на рис. 4.9. Примесь, кроме того, должна иметь коэффициент сегрегации, соответствующий выбранному способу выращивания кристалла. В качестве легирующих примесей в кремнии наиболее часто используют фосфор (донорная) и бор (акцепторная примесь).
Вследствие рассеяния на заряженной примеси подвижность электронов и дырок уменьшается с ростом концентраций ND и NA донорной и акцепторной примесей (рис. 4.10). Это уменьшение наступает при ND и NA —
— 1016 см-3 в кремнии как и-, так ир-типов проводимости. Кроме того, при большой концентрации примеси может уменьшиться время жизни неосновных носителей заряда вследствие искажения кристаллической решетки и комплексообразования.
В кремниевых солнечных элементах необходимо учитывать механизм оже-рекомбинации. Поэтому эффективное время жизни г неосновных носителей заряда связано с временем жизни T$RH по рекомбинационному
161
Рис. 4.9. Зависимости коэффициентов диффузии D различных элементов от обратной температуры
механизму Шокли—Рида—Холла и временем жизни тА по механизму оже-рекомбинации соотношением
т~1=тЛ1+ТзЬн,
где в случае материала p-типа проводи-M0C™ TSRH= (пР ~ пР*Ш а тА„ = = 11(СпгР) 1 /(tyvj) для n-Si и тАр = 11(Срр2) - 11(Ср]^А) для p-Si. Константы С„ и Ср оже-рекомбинационного процесса равны соответственно 2,8-10“ 31 и 1 - 1(Г31 см6/с [Hall, 1981].
В качественных материалах, где tsrh — 50 мкс, при NА или ND >, 5 • 1017 см~3 эффективное время жизни носителей заряда определяется оже-рекомбинацией [Fisher, Pschunder, 1975].
Указанное влияние степени легирования на подвижность и время жизни носителей заряда ограничивает пределы по концентрации легирующей примеси в активных светопоглощающих слоях солнечных элементов.
4.3.2. Примеси, снижающие время жизни носителей заряда
Неполный список примесных элементов, образующих уровни в середине запрещенной зоны, обусловливающие уменьшение времени жизни носителей заряда в кремнии, приведен в табл. 4.1, где указаны и предельные концентрации примесей, допустимые для изготовления солнечного элемента с КПД T)s ^ 10% [Wakefield е. а., 1975; Hill е. а., 1976].
Как показано на рис. 4.11, время жизни г линейно зависит от концентрации этих примесей. Например, концентрация Au в кремнии не должна превышать 10_7%. Особенно опасны для Si примеси Na, Си и Fe, поскольку они, кроме того, имеют высокие коэффициенты диффузии. Особое влияние оказывают дефекты или примеси, введенные в процессе выращивания кристалла; обусловленный ими диапазон изменений времен жизни носителей заряда может быть достаточно велик.
При последующей технологической обработке также может происходить значительное изменение т (рис. 4.12) за счет образования комплексов примесей и других дефектов в процессе термообработки при относительно низких температурах [Graff, Fischer, 1979].
nor С 1155 375 С
162
10s
77 К
1°*', i w*
}юг г
.100 К
300 к \ шк \
350 К S00 К
Iiiiinil Iininil I 11 llllll 1 11 llllll i i mini иш
101
101
10
1t 10” 101t NB, Cm"1
a)
У Ю*
10’
= 100 К -: 150 К 200 К
= 300 К
: ш к
i linn 11 1 1 1 mill 1 i i uni! i —1—11 l!Ul L
101
10’
101t
S)
101
Na, CM
Рис. 4.10. Зависимости подвижности fig электронов в кремнии и-типа, легированном фосфором, от концентрации Njy донорной примеси и температуры (а) и подвижности Hfj дырок в кремнии p-типа, легированном бором, от концентрации Nд акцепторной примеси и температуры (б)
<SpVthHt
10п 1013
Рис. 4.11. Зависимость времени жизни Тр неосновных носителей заряда в я-Si от концентрации N, примеси Аи. Из этой зависимости следует, что, сечение захвата дырок Ор = 5 10” см2; Ts - температура насыщения золотом [Grove, Physics and Technology of Semiconductor Devices. New York, Wiley, 1 967 |
Рис. 4.12. Зависимость времени жизни Т неравновесных носителей заряда от температуры Та изохронного отжига кремния с удельным сопротивлением 1 Ом-см. выращенного методом Чохральского
163
4.3.3. Введение легирующей примеси путем диффузии
Введение легирующей примеси в базовую область осуществляют, как правило, в процессе выращивания кристалла. Затем, например, слой п-типа на базе p-типа можно получить диффузионным введением донор-ных примесных атомов в базовый слой, концентрация которых должна превышать долю акцепторов в базовом слое, а также выращиванием дополнительного п-слоя (например, химическим осаждением из паровой фазы) или методом ионной имплантации. Подробное обсуждение способа диффузионного легирования кремния проведено Грувом [Grove, 1967].
