Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Все три указанных выше метода измерения диффузионной длины и времени жизни неосновных носителей применимы, если значения диффузионной длины составляют не менее 10 мкм, а значения времени жизни — не менее 0,1 мкс. Однако в поликристаллических тонких пленках диффузионная длина неосновных носителей очень мала, и ее значения, как правило, не превышают 1 мкм. Поэтому обычными методами, которые были здесь рассмотрены, измерить диффузионную длину довольно трудно. Применение растрового электронного микро-
Анализ свойств полупроводниковых материалов
35
скопа с пучком электронов диаметром от 5 до 10 нм позволяет проводить измерения со значительно более высокой разрешающей способностью. Диффузионную длину можно теперь определить в условиях генерации неосновных носителей заряда электронами. На рис. 1.13, а показана схема экспериментальной установки для этого метода измерений, известного под названием «метод наведения тока электронным лучом». На боковой поверхности солнечного элемента создают скол, позволяющий определить положение перехода, после чего элемент устанавливают в растровом электронном микроскопе таким образом, чтобы плоскость перехода была расположена параллельно направлению распространения электронного луча. Сканирование осуществляется в направлении нормали к плоскости перехода. Если базовую область элемента считать полубесконеч-ной, то зависимость между током I, наведенным электронным лучом, и расстоянием х от оси пучка до плоскости перехода имеет вид [73]
/=/0ехр(
X, МКМ
5
Рис. 1.13. Схема экспериментальной установки для измерения диффузионной длины неосновных носителей заряда по методу наведения тока электронным лучом (а) и зависимость /(*)//( 0) от расстояния до перехода в тонкопленочном солнечном элементе на основе Cu2S—CdS (б).
-x!Ld).
(1.34)
Здесь /0 — значение / в плоскости перехода (х=0), a LD — диффузионная длина неосновных носителей в той области элемента, на которую направлен электронный луч. Диффузионная длина выражается через тангенс угла наклона зависимости lg I от х. На рис. 1.13,6 приведена зависимость ///о от х. Оукс и др. [73] отмечают, что при использовании метбда наведения тока электронным лучом точные измерения диффузионной длины могут быть проведены при Ld^>0,25Rg, где Rg—длина пробега первичных электронов в материале. При Ld<C0,25J?g наведенный ток не зависит от Lo, но в то же время сильно зависит от энер-
36
Глава 1
Рис. 1.14. Зависимости нормированного тока, наведенного электронным лучом, от средней глубины генерации носителей в слое CuxS солнечных элементов на основе CuxS—CdS, подвергнутых обработке в различных условиях [74]. Сплошные линии — теоретические зависимости при различных значениях диффузионной длины электронов Ln и нормированной скорости поверхностной рекомбинации 5 после получения пленки CU2S химическим методом (1), после термообработки на воздухе (2) и обработки в тлеющем разряде в атмосфере водорода с последующим старением (3).
гии электронов в пучке. Это означает, что при использовании электронов низких энергий (5. ..10 кэВ) точность измерений Ld повышается, поскольку эффективная глубина d генерации носителей (например, для CuxS) определяется соотношением
d = AEloe2 = 0,5Ra, (1.35)
где Ео — энергия электронов в пучке, выраженная в киловольтах, а величина d представлена в микрометрах.
В методе возбуждения тока световым лучом — оптическом аналоге предыдущего метода — вместо электронного луча используют лазерное излучение и диффузионную длину неосновных носителей находят из зависимости In Isc (1ЗС — ток короткого замыкания) от х таким же способом, как и раньше [71]. Однако предел разрешения, обеспечиваемый методом возбуждения тока световым лучом, ограничен размером светового пятна (^1 мкм). Кроме того, при измерениях этим методом влияние поверхностной рекомбинации на получаемые результаты становится более существенным. При учете поверхностной рекомбинации в случае возбуждения тока световым лучом
Анализ свойств полупроводниковых материалов
37
эффективную диффузионную длину Leff можно рассчитать с помощью соотношения [71]
Leff 2 1 — exp ( — Z) fj RW [W cth (W/2) — Zcth (Z/2)] ]
^LD ~~ l+tfcth(W72) 1 W2 — Z2 j
(1.36)
Здесь W = t/LD, Z = ta, R = Sr/LD, ^ — толщина солнечного элемента от освещаемой до тыльной поверхности, а — коэффициент поглощения света, соответствующий длине волны лазерного излучения, S — скорость поверхностной рекомбинации.
При использовании метода наведения тока электронным лучом измерения могут быть также выполнены способом, обеспечивающим относительно меньшую точность в определении
Ld [73, 74]. В этом случае образец, к примеру солнечный эле-
мент на основе Cu^S—CdS, устанавливают в таком положении, при котором электронный луч направлен перпендикулярно поверхности CuxS, а объем, в котором генерируются носители, перемещается, пересекая плоскость перехода, вследствие изменения Ео и соответственно эффективной глубины генерации d. Для того чтобы исключить эффекты, связанные с различием электронных токов и с увеличением скорости генерации неосновных носителей при повышении ускоряющего напряжения, измеренный ток I нормируют на IbEq (где 1в — электронный ток в пучке). При достаточно малых величинах ?о, когда генерация носителей происходит преимущественно в CuxS, зависимость In (I/IBEo) от эффективной глубины генерации позволяет определить значение LD. Шоком [74] были построены зависимости нормированного тока от пробега первичных электронов в CuxS и путем сравнения полученных результатов с теоретическими зависимостями найдены значения LD и 5, как это показано на рис. 1.14.
