Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Несколькими исследователями [54, 55] было установлено, что при введении в аморфный германий металлических примесей в концентрации, достигающей 40 % 1}, свободные химиче-
Здесь и в дальнейшем речь идет об атомном содержании примеси.— Прим. перев.
300
Глава 6
ские связи насыщаются. Такую же роль играют атомы Н, которые проникают в пленки, выращиваемые в водородсодержащей атмосфере. В результате компенсации ненасыщенных связей водородом концентрация дефектов [60] и величина прыжковой проводимости [61] значительно уменьшаются, фотопроводимость [32] и интенсивность фотолюминесценции [33, 62] увеличиваются, а край оптического поглощения смещается в область более высоких энергий [63]. В ряде работ [28, 56—59] показано, что в пленках а-Si: Н, осаждаемых в тлеющем разряде, концентрация водорода обычно составляет 5...50%, поэтому гид-рогенизированный аморфный кремний по существу является сплавом. В последние годы некоторыми авторами [6, 14] исследована возможность использования в фотоэлектрических преобразователях аморфного сплава кремния с фтором и водородом (a-Si:F:H). Введение в аморфный кремний атомов Н и F обеспечивает относительно низкие значения плотности состояний в запрещенной зоне (менее 1017 см~3), что облегчает легирование материала как донорными, так и акцепторными примесями.
Атомарный водород удается также внедрять в пленки аморфного кремния в процессе их осаждения, осуществляемого с помощью высокочастотного ионного распыления [24, 64] и пиролиза [38]. Фотоэффект был обнаружен в структурах, изготовленных на основе пленок, нанесенных посредством высокочастотного ионного распыления [65]. Важная роль водорода в снижении плотности локализованных состояний в полупроводниках с тетраэдрическим расположением атомов была выявлена при изучении аморфных пленок, создаваемых методом ионного распыления [66]. Пленки аморфного кремния получают также с помощью вакуумного испарения [67], ионного осаждения [68], нанесения в дуговом и коронном разрядах [23], магнетронного ионного распыления [40] и ионной имплантации [40].
Пленки а-Si: Н обладают высокой фотопроводимостью и большим удельным сопротивлением и при легировании могут приобретать проводимость как р-, так и п-типов. Эти свойства пленок не только полезны, но и необходимы для создания солнечных элементов с хорошими фотоэлектрическими характеристиками. Для изготовления приборов в наибольшей степени подходят пленки, осаждаемые в тлеющем разряде, возбуждаемом в силане. Получаемые на их основе солнечные элементы имеют КПД 5... 10% [14, 37—39]. Элементы, создаваемые с помощью высокочастотного ионного распыления, обладают худшими характеристиками, однако в силу ряда особенностей процесса распыления его можно признать перспективным для приготовления тонких пленок. Рассмотрим .кратко условия осаждения а-Si: Н в тлеющем разряде и в системах для высокочастотного ионного распыления.
Солнечные элементы на основе аморфного кремния 301
6.3.1 Осаждение в тлеющем разряде
В наиболее ранних работах возбуждение безэлектродного тлеющего разряда осуществлялось с помощью внешнего витка [1]. Рабочая частота обычно составляла 0,5.. .13,5 МГц, а давление силана SiH4— 10...270 Па. При скорости потока газа (в стандартных условиях) 0,2... 5,0 см3/мин пленки осаждались со скоростью 10... 100 нм/мин. Однако из-за небольших размеров разрядной камеры они были неоднородны.
Пленки более высокого качества наносят в системах с высокочастотным тлеющим разрядом, возбуждаемым с помощью конденсатора [69]. В этом случае на плоскопараллельные электроды, находящиеся внутри разрядной камеры, подается переменное напряжение частотой 13,5 МГц. При давлении 0,7... ... 33 Па и скорости потока силана (в стандартных условиях)
10... 30 см3/мин скорость осаждения пленок составляет около
50 нм/мин. Если к электродам дополнительно приложить постоянное напряжение смещения, то пленки, образующиеся на аноде и катоде, могут обладать различными свойствами [70].
В тлеющем разряде постоянного тока, возбуждаемом в си-лане при давлении — 130 Па, при вариациях плотности катодного тока в пределах 0,2... 2,0 мА/см2 скорость осаждения пленки на подложке, служащей катодом, может изменяться от 0,1 до 1 мкм/мин. При использовании в качестве подложки анода скорость осаждения уменьшается примерно на порядок величины.
Пленки а-Si: Н, получаемые на подложках, нагретых до температуры 200...400 °С, как правило, имеют хорошие электронные свойства. Следует отметить, что низкое давление газа способствует однородному осаждению гидрогенизированного аморфного кремния на всех участках подложки [37—39]. При высоком давлении газа создаются благоприятные условия для полимеризации и образуются тусклые, сильно рассеивающие свет пленки а-Si: Н, в которых в виде включений содержатся захваченные из паровой фазы кластеры дисилана Si2H6 и три-силана Si3H8 [27]. Исследование свойств пленок показывает, что их качество в значительной степени определяется температурой подложки и мощностью разряда. Влияние других параметров процесса осаждения, таких как расположение подложки, форма реакционной камеры, давление и скорость потока газа, изучено недостаточно глубоко. Имеются данные о том, что при загрязнении исходного газа водородом или азотом характеристики приборов ухудшаются [39].
