Аморфные полупроводники и приборы на их основе - Хамакава Й.
Скачать (прямая ссылка):
178
179
¦it
PH3/(Sifi,,0,8) + CH?((Di2))
2H6/(SLH,(0;5) + CH,m5))
Рис. 4.2.8. Влияние типа и концентрации легирующих добавок на основные свойства пленок а-З^-д-Сд-: Н, полученных плазменным разложением газовой смеси-а - (0,8) + СН4 (о,2) [ 71; б - 5Ш4 (0,5) + СН4 (0)5) [ 8)
пленок, a-Si i _ХСХ : Н до 0,4 и 0,2 эВ при легировании их добавками дибо-рана и фосфина соответственно. Судя по измерениям электрической проводимости и термо-э.д.с., можно хорошо управлять типом проводимости пленок. Оптическая ширина запрещенной зоны от уровня легирования почти не зависит, за исключением очень высоких концентраций бора.
На рис. 4.2.8, б показаны зависимости основных свойств пленок а-Sii_xCx : Н, полученных плазменным разложением [SiH4 (0,5) + СН4 (0,5)], от концентрации легирующих примесей. Здесь также видна возможность управления типом и концентрацией носителей заряда. Темновая проводимость при добавлении в газовую смесь 1 % диборана или 0,2 % фосфина увеличивается до 10"5 и 10"3 См/см соответственно. Темновая проводимость нелегированных пленок при комнатной температуре из-за малости величины не поддается измерению. Минимальные значения энергии активации для пленок р- и л-типов составляют 0,4 и 0,3 эВ соответственно. Здесь наблюдается значительный эффект увеличения фотопроводимости в результате легирования, однако, величина фотопроводимости оказывается на порядок ниже, чем в пленках состава х = 0,2. Оптическая ширина запрещенной зоны в исследованных пленках зависит от легирования и уменьшается при росте концентрации обоих легирующих компонентов.
Эти результаты показывают, что в пленках a-Sii_xCx : Н, полученных плазменным разложением газовой смеси [SiH4(,_x) +СН4(Х)],, можно управлять типом и концентрацией носителей заряда. Этот материал может быть использован в качестве прозрачного р- или л-слоя в обычных и обратных р-/-л-структурах солнечных элементов.
Эффект прозрачности в солнечных элементах на основе a-Sij-xCx:H
В пленках a-Sii_xCx:H, изготовленных из газовой смеси на основе метана, вызванный легированием бором эффект увеличения фотопроводимости на один—два порядка больше аналогичного эффекта в пленках на основе этилена [7, 8]. Для изучения различий оптоэлектронных свойств этих пленок ряд исследовательских работ был выполнен в университете Осаки [35, 41, 48—52]. На рис. 4.2.9 показаны зависимости фото-вольтаических характеристик солнечных элементов на гетеропереходах a-SiC: H/a-Si Н от оптической ширины запрещенной зоны пленок а-Sii_xtx :Н р-типа, полученных из газовых смесей на основе этилена и метана. Как видно из рисунка, с увеличением в р-слое a-Si[_xCx: Н на основе метана оптической ширины запрещенной зоны в структуре а-SiC : H/a-Si: Н увеличивается наряду с плотностью тока короткого замыкания Jsc напряжение в разомкнутой цепи Voc. В то же время плотность тока короткого замыкания на гетеропереходе a-SiC : Н (на основе этиле-Ha)/a-SiC:H при Egop[ = 1,9 +2,1 эВ меньше, чем Jsc в элементах с р-/-л-гомопереходом на основе a-Si:Н (EgODt = 1,76 эВ). Как и в случае элементов на гетеропереходах a-SiC (на основе MeTaHa)/a-Si: Н, с ростом Eg { в р-слое a-Sii_xCx : Н на основе этилена увеличивается напряжение в разомкнутой цепи. Одним из основных факторов, влияющих на величину плотности тока короткого замыкания, является эффективность проникновения фотонов в область /'-слоя, где преимущественно и образуется фототок [53]. Увеличение Jsc в элементах на гетеропереходе a-SiC:H (на основе метана)/а-Si: Н в значительной мере обусловлено широким спектральным диапазоном прозрачности a-Sii_xCx:H [7].
180
181
13
11
\ 9
r с -
-
•У
\ У
\
4
o1
0
- Voe
d r OD 1
L • ¦--- 1 ' 1 2
1,0
0,9^
o,e
1,7 1,9 2,1
Едт(Р-СЯОй),ЭВ
Рис. 4.2.9. Влияние прозрачного материала из a-Si[_xCx: Н р-типа на основе метана (/) и этилена (2) на плотность тока короткого замыкания Jsc и напряжения в разомкнутой цепи Voc p-i-и-солнечных элементов на основе a-Si
Рис. 4.2.10. Схематическая зонная диаграмма р-/'-я-гетеропереходов a-SiC: Н на основе этилена и метана/a-Si: Н
1,0
Длина Оолны, агам
Рис. 4.2.11. Спектральная зависимость эффективности сбора носителей заряда: / - обычного солнечного элемента на основе a-SiC:H с гомопереходом p-i-n; 2 - солнечных элементов на гетеропереходах a-SiC:H (на основе СН„)/а-SiC : Н (41); і - то же, на гетеропереходах a-SiC:H (на основе С2Н4)/a-Si :Н
182
Эффектом, обусловленным увеличением в р-слое ширины запрещенной зоны, является также рост потенциального барьера для электронов на границе р- и /-слоев. Соотношение ширины запрещенной зоны в гетерострук-туре a-SiC : Н (на основе метана)/a-Si: Н выбиралось таким образом, чтобы на границе р -/-слоев на краях энергетических зон появлялись ступеньки. Такой выбор позволяет практически исключить обратную диффузию электронов из /-слоя в р-слой. Наличие такого потенциального барьера играет особенно важную роль, если длины волн падающих фотонов малы. Как показано на рис. 4.2.10, а в элементах на гетеропереходах a-SiC: Н (на основе этилена)/a-Si: Н ступенька в области границы р- и /-слоев образуется на краю валентной зоны. Так как дырки не могут свободно двигаться в р-слой, фототок в элементах на гетеропереходах a-SiC ; Н (на основе 3THJieHa)/a-Si: Н может быть ограничен. Экспериментальным подтверждением сказанного может служить спектральная зависимость эффективности сбора носителей заряда (рис. 4.2.11). На этом рисунке представлены экспериментальные данные по эффективности сбора носителей заряда в обычных солнечных элементах нар-/-и-гетеропереходах и в гетеропереходах a-Si:H (на основе этилена и MeTaHa)/a-Si: Н. Эффективность сбора носителей заряда в солнечных элементах на гетеропереходе a-SiC: Н (на основе CH4)/a-Si;H в области малых длин волн более чем вдвое выше эффективности обычных элементов на гомопереходе. В области длин волн ~ 550 нм прирост эффективности снижается до 20 %. Отсюда можно сделать вывод, что повышение эффективности сбора носителей заряда в области малых длин волн обусловлено в основном наличием потенциального барьера на границе р- и /-слоев гетероперехода a-SiC: Н (на основе CH4)/a-Si: Н. Кривая спектральной зависимости эффективности сбора носителей заряда в солнечных элементах на гетеропереходах a-SiC:H (на основе C2H4)/a-Si:H лежит несколько ниже кривой для элемента, изготовленного из a-SiC : Н (на основе СН4). Положение максимумов спектральных зависимостей эффективности сбора в гетеропереходах a-SiC : Н (на основе CH4)/a-Si: Н и a-SiC : Н (на основе C2H4)/a-Si: Н совпадают. Этот результат свидетельствует о том, что положение потенциального барьера на границе р- и /-слоев в гетеропереходе a-SiC :Н (на основе C2H4)/a-Si: Н соответствует показанному на рис. 4.2.10,а.
