Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
определенных значениях параметров изменение А может сопровождаться небольшими вариациями Фй (и, следовательно, Jo)1. Это предоставляет возможность повысить Voc путем выбора соответствующих значений 6 и Qss. Эта модель не противоречит экспериментальным данным, полученным авторами.
2. Согласно [Pulfrey, 1976], Фь увеличивается при накоплении заряда Qj в слое диэлектрика.
3. Возрастание диодного коэффициента А является следствием увеличения толщины слоя диэлектрика [Lillington, Townsend, 1976].
4. При введении в (2.76) дополнительного члена, содержащего коэффициент прозрачности барьера для туннелирующих носителей заряда, возможно [Card, Yang, 1976] повышение Voc эа счет увеличения толщины оксидного слоя примерно до 3 нм, свыше которой процесс туннелирования становится механизмом, ограничивающим фототок.
5. Показано теоретически [Fonash, 1975 а, 1976], что наличие неподвижного заряда в слое диэлектрика вызывает уменьшение эффективной работы выхода металла и повышение значения А.
Согласно экспериментальным данным [St. Pierre е. а., 1976] при использовании различных методов получения оксидного слоя на кремнии Ф^ изменяется от 0,93 до 0,8 эВ, а соответствующие значения А заключены в пределах от 1,2 до 1,7.
102
Многочисленные теоретические исследования посвящены МДП-струк-турам [Landsberg, Klimpke, 1977, 1978; McQuat, Pulfrey, 1976; Каг, 1977; Viktorovitch, Kamarinos, 1977; Green e. a., 1974], а также опубликован обзор [Pulfrey, 1978] результатов, связанных с теорией и практикой создания солнечных элементов с МДП-структурой. Выполнено интересное сравнение [Ghosh е.а., 1978] теоретических моделей солнечных элементов с гетеропереходом, барьером Шоттки и МДП-структурой на основе Sn02 - и-Si.
Высказано предположение [Fonash, 1975а,b, 1976, 1977; Fonash е. а., 1978] о существовании нескольких основных механизмов, обеспечивающих повышение Voc. Соответствующая энергетическая зонная диаграмма МДП-структуры изображена на рис. 2.41. При освещении структуры генерируется напряжение V, одна часть которого Vs приходится на полупроводник, а другая Vj - на слой диэлектрика. Если предположить, что единственное отличие данной структуры от идеального перехода металл-полупроводник состоит в наличии на границе раздела диэлектрического слоя, то высота барьера = Фт — xj Я — А» а плотность полного тока в освещенном приборе записывается в виде
/= 7eA**T2exp(-q<&bl(kT))[e;xp(qVs/(kT))-exp(-qVi/(kT))] +
+ (frhp„oD„/L„)[exp(qVKkT))- 1] - VhJL. (2.77)
Первая составляющая характеризует термоэмиссионный механизм переноса основных носителей заряда с учетом вероятности их туннелирования Уе через слой диэлектрика. Вторая, определяемая током дырок (неосновных носителей заряда) в идеальной структуре, может стать преобладающей при уменьшении первого слагаемого (например, вследствие снижения 9"е). Множитель позволяет учесть туннелирование дырок через диэлектрический слой.
Третья составляющая полного тока представляет собой плотность фототока, которая не зависит от напряжения смещения и свойств границы раздела (за исключением свойств потенциального барьера, влияющего на туннелирование носителей). Более тонкие процессы исключены из рассмотрения для упрощенной модели.
Доля приложенного напряжения Vj = V- Vs, падающая в слое на границе раздела, зависит от свойств этого слоя1, заряда Qj, находящегося в диэлектрическом слое, поверхностного заряда и характеристик диполей, а также от электрических свойств полупроводника. Анализ электростатических явлений приводит к получению довольно сложного выражения для Vj (V). Если падение напряжения на полупроводнике представить как Vs - V- Vj = VIA, где А = {l - [К;(Ю/П}“! , то (2.77) примет вид
/ ~/oe [exp(qV/(AkT)) - 1] +Joh [exp(qV/(kT)) - 1] - JL. (2.78)
1 Допустимая напряженность электрического поля в таком слое диэлектрика, определяемая его электрической прочностью, не превышает 10® В/см. При толщине этого слоя, обычно составляющей 2 нм, предельное напряжение V/ < 0,2 В (если не учитывать падения напряжения на слоях диполей, которые могут присутствовать на границах раздела металл-диэлектрик и диэлектрик-полупроводник).
103
Это уравнение показывает (в рамках принятых допущений), изменения каких параметров вызывают увеличение Voc. Это, во-первых, высота барьера — наиболее важный параметр, определяющий плотность тока насыщения Joe основных носителей заряда; во-вторых, диодный коэффициент А, который в данной модели характеризует отношение V/Vs (названное Фонашом распределением поля); в-третьих, Joe и Ja^, зависящие от коэффициентов прозрачности барьера !Ге и У/, для туннелирующих носителей. Все эти параметры наиболее существенно влияют на термо-эмиссионную составляющую диодного тока. Рассмотрим их более подробно.
Увеличение эффективной высоты барьера Фь. В силу наличия поверхностных состояний уровень Ферми занимает, как правило, строго фиксированное положение на поверхности Si и GaAs. Однако полупроводник находится теперь в контакте с диэлектриком. Создавая на границе раздела дополнительный слой соответствующего оксида, можно обеспечить условия дня насыщения свободных связей на поверхности полупроводника и тем самым уменьшить плотность состояний на границе раздела. При таком способе пассивации поверхности возможно ослабление фиксации уровня Ферми и появление более ярко выраженной зависимости Фj от работы выхода металла1.
