Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Концентрация ND легирующей примеси находится расчетным путем из слагаемого, в которое в качестве переменной величины входит напряжение, другие же слагаемые, не зависящие от напряжения и определяющие величину указанного сдвига вольт-фарадной характеристики, позволяют вычислить значение произведения NAd2, где d—расстояние между поверхностью раздела и наиболее удаленным от нее краем компенсированного слоя, a Na — концентрация акцепторов. При очень высоких значениях Na образуется гомогенный р—д-переход в слое CdS, а при очень низкой концентрации акцепторов обедненный слой содержится внутри компенсированной области. Для двух рассмотренных предельных случаев зависимости С~2 от V совпадают, и если провести их линейную экстраполяцию, то соответствующие кривые пересекут ось напряжений в точке V=Vd• При непланарной форме перехода в уравнение, с помощью которого определяется емкость, необходимо ввести коэффициент увеличения площади перехода. У солнечных элементов с большой площадью перехода (вследствие травления слоя CdS) [76] помимо сдвига графика зависимости С~2 от V происходит изменение его наклона, которое связано с вариациями коэффициента увеличения площади перехода вследствие того, что край области пространственного заряда приобретает более гладкую форму [75, 76].
Солнечные элементы на основе сульфида меди
251
Как показано на рис. 4.9, в, коэффициент увеличения площади перехода снижается при повышении продолжительности термообработки и возрастании обратного напряжения смещения [76]. Наличие высокой плотности заряда на границе раздела и низкого диффузионного потенциала можно объяснить исходя из предположения о существовании в области перехода сильно заряженного тонкого слоя, который образуется вследствие значительного несоответствия параметров кристаллических решеток Cu2S и CdS [29].
Для описания емкостных характеристик солнечных элементов на основе Cu2S—CdS (при освещении и в темновых условиях) Ротворф [42] предложил другую физическую модель, согласно которой в запрещенной зоне CdS имеются глубокие энергетические уровни. Данные о их наличии получены с помощью измерений характеристик элементов методом емкостной спектроскопии глубоких уровней (см. гл. 1). При определенном напряжении, приложенном в прямом направлении, область, обедненная носителями заряда, отсутствует. При более низких напряжениях смещения электроны уходят из области толщиной W, благодаря чему в слое CdS образуется потенциальный барьер высотой Vd—V. Если для результирующей концентрации доноров ввести обозначение ND* (ND*=ND—NA), то
W = [2(Vd—V)es/qN*Df2,
C~2 = 2q(VD — V)/ssN*d-
Здесь 8S — диэлектрическая проницаемость полупроводника, a q — заряд электрона. При дальнейшем уменьшении напряжения уровень Ферми в области перехода занимает более низкое положение по сравнению с глубокими энергетическими уровнями. Ионизация этих уровней вызывает дополнительное падение напряжения, но не приводит к расширению области пространственного заряда. При еще более низком напряжении смещения ширина области пространственного заряда изменяется незначительно и график зависимости С-2 от V имеет малый угол наклона.
Считается, что под влиянием термообработки происходит повышение концентрации глубоких уровней, а не расширение области пространственного заряда. Увеличение количества глубоких уровней приводит к более сильной компенсации мелких примесных уровней и, следовательно, к понижению ND*. В этом случае в процессе уменьшения напряжения смещения свободные носители заряда должны покинуть более значительную часть слоя CdS, прежде чем начнется ионизация глубоких уровней, что и является причиной расширения обедненного слоя.
В рамках данной модели особенности емкостных характеристик освещенных элементов объясняются влиянием процесса
252
Глава 4
ионизации глубоких урорней. Однако следует иметь в- виду, что под действием света может происходить ионизация значительно более глубоких уровней. При освещении элементов ионизированные глубокие уровни обеспечивают дополнительный объемный заряд, способствующий поддержанию разности потенциалов на переходе, что приводит к уменьшению ширины области пространственного заряда, создаваемого мелкими донорными уров^ нями, и увеличению измеряемых значений емкости. Характерные черты спектральной зависимости емкости (см. рис. 4.10) и, в частности, эффекты ее спада и резкого возрастания связаны с ионизацией глубоких уровней и обратным процессом — захватом носителей, которые происходят при воздействии излучения с разной длиной волны.
4.4.5 Анализ вольт-амперных характеристик
Дас и др. [74] исследовали влияние температуры на вольт-амперные характеристики тонкопленочных солнечных элементов со структурой C112S—CdS, изготовляемых методом вакуумного испарения в сочетании с химической реакцией в твердой фазе, и установили, что на графиках зависимости lg(r + IL) от V при всех рассмотренных значениях температуры отчетливо видны два участка с различным наклоном. При повышенных напряжениях данная зависимость характеризуется диодным коэффициентом п= 1, тогда как области пониженных напряжений соответствует п = 2. Высота барьера, найденная расчетным путем для диода с п= 1 при наличии рекомбинации на границе раздела, составляет 0,98 эВ, а плотность тока насыщения Js равна ~7 • 10~9 мА/см2. Для величины Jso получено значение Ю8 мА/см2, и с помощью соотношения Jso~qNcSi (Nc — эффективная плотность состояний в зоне проводимости CdS, Si— скорость рекомбинации на границе раздела) вычислено значение Si, составившее ~2* 106см/с. При низких напряжениях преобладает рекомбинационно-генерационный механизм протекания тока в обедненном слое. Согласно результатам Мартинуцци и Маллема [80], в солнечных элементах, создаваемых методом вакуумного испарения в сочетании с мокрым процессом, для плотностей темнового прямого 7/ и обратного Jr токов справедливы соотношения Jf = Cexp($V-{-уТ) и /г =—СУехр[—А(У0—V)-1/* ]. Здесь С — постоянная величина, р и у -г- параметры, практически не зависящие соответственно от температуры Т и напряжения V, а К представляет собой функцию Т. Наличие экспоненциальной зависимости 7/ и Jr от Т, линейный характер изменения 1-п/г при вариациях (VlD—V)~l/2y а также существование слабо выраженной зависимости величины d(\nJf)/dV от Т позволяют предположить, что реализуется процесс многоступенчатого туннелирования носителей, причем число довершаемых ими тун-
