Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
6.2.1. Влияние толщины пленок
Когда толщина полупроводникового слоя (или размер кристаллита) становится сравнимой со средней длиной свободного пробега носителей заряда в пленке, рассеяние носителей на ее поверхности приводит к снижению подвижности. Например, если подвижность носителей заряда в массивном материале составляет 10э см2/(В-с) и эффективная масса 0,1юо, то среднее время между столкновениями приблизительно равно 5.10”14 с, а средняя длина свободного пробега 15 нм. Эта цифра указывает на порядок толщины пленки, при которой становится важным учет эффектов рассеяния. Для пленок, толщина которых превышает 100 нм, эти эффекты обычно незначительны.
Очень часто справедливой оказывается упрощенная модель поверхностного рассеяния. Если ть — среднее время между моментами рассея-218
ния носителей заряда в объеме, а т5 — на поверхности, то в первом приближении
г
1
(6.2)
Предположив, что rs — (г/Л) ть, где t — толщина пленки, Л - средняя длина свободного пробега носителей заряда, можно получить соотношение между подвижностями носителей в пленке Ду и в объеме ць:
Этот результат справедлив для случая полного диффузного рассеяния на поверхности в отсутствие на ней изгиба зон. Влияние поверхностного рассеяния на подвижность снижается, если часть носителей заряда зеркально отражается от поверхности. Обедненный слой в околоповерх-ностной области (при наличии, например, соответствующих поверхностных состояний) препятствует движению носителей к поверхности и тем самым значительно снижает рассеяние на ней. Напротив, обедненный слой притягивает неосновные носители на поверхность.
Более детальный анализ показывает, что эффект поверхностного рассеяния сильнее в невырожденных, чем в вырожденных полупроводниках и металлах [Anderson, 1970]. В пленках не вырожденного полупроводника, толщина которых в 2 раза меньше длины свободного пробега, подвижность носителей почти в 2 раза меньше, чем в массивном материале. Это соответствует результатам простой модели (6.3).
Результаты подробного исследования совместного влияния рассеяния и потенциальных барьеров на границах зерен в пленках CdS и CuInTe2 изложены в работах Казмерского [Kazmerski е. a., 1972;Kazmerski, Juang,
1977].
6.2.2. Границы между зернами в поликристаллических пленках
Границы, разделяющие кристаллические зерна в поликристаллической пленке, возникают в результате нарушения ориентации соседних кристаллитов на коалесцентной стадии роста пленки. Они, как правило, представляют собой области с высокой плотностью дефектов и примесей, сегрегированных из зерен в процессе роста. Например, прямое доказательство высокой концентрации примесей на границах зерен получено при анализе методами растровой Оже-злектронной спектроскопии и вторично-ионной масс-спектроскопии поликристаллических кремниевых материалов, выращенных способами кристаллизации расплава и направленной кристаллизации [Kazmerski е. а., 1980].
При сравнении морфологии и характера сегрегации примесей в кристаллах Si, выращенных методом Чохральского, и в поликристаллических слоях Si, полученных химическим осаждением из паровой фазы, была обнаружена значительная сегрегация медленно диффундирующих элементов на границах зерен [Helmreich, Seiter, 1979]. Предполагали, что возникновение заполненных зарядами состояний на границах зерен в некоторых типах кремниевых крупнозеренных поликристаллических
Vf!nb = (1 + x/ty1 ^ 1 _ Xjt.
(6.3)
219
материалов обусловлено сегрегацией кислорода при послеростовом отжиге.
Можно выделить три типа границ зерен: между когерентными двойниками, они имеют ничтожно малую электрическую активность; малоугловые межзеренные границы, содержащие сетку краевых дислокаций и поля напряжений, связанные с деформацией кристаллической решетки. Для них характерна средняя степень электрической активности; высокоугловые межзеренные границы и границы между некогерентными двойниками. Этому классу границ свойственны высокая концентрация дислокаций, большая деформация кристаллической решетки и значительная сегрегация примесей. Их отличает сильная электрическая активность. Дислокации, присутствующие на таких границах, образуют новые энергетические уровни в результате расширения уровней при увеличении межплоскостных расстояний в решетке или появлении полей деформации, а также в результате образования разорванных связей.
Электрический заряд, присутствующий на таких дефектных или примесных энергетических уровнях, обусловливает ряд взаимосвязанных, но четко различимых дефектов на межзеренной границе раздела:
почти ’’металлическую” проводимость вдоль границы раздела в некоторых материалах;
заполнение зарядом пограничных состояний и как следствие образование потенциальных барьеров, оказывающих доминирующее влияние на характер проводимости вдоль пленки;
формирование энергетических уровней, проявляющих себя в качестве рекомбинационных центров для неосновных носителей.
Одномерная периодичность вдоль дислокационных ядер обусловливает расширение дислокационных энергетических уровней и как следствие формирование одномерных каналов почти металлической проводимости для носителей заряда. Этот эффект был отмечен в ряде работ [Elbaum, 1974; Kamienieski, 1976] и подтвёржден наблюдениями сильной анизотропии проводимости в пластически деформированных образцах CdS [Elbaum, 1974] и полос аномального оптического поглощения, приписываемого винтовым дислокациям, соответствующих энергетическим уровням, расположенным на 0,04 и 0,27 эВ выше валентной зоны CdS [Merchant, Elbaum, 1976, 1979]. При наличии двумерной дислокационной сетки на межзеренной границе эффект расширения энергетических уровней может обусловить высокую двумерную проводимость вдоль нее. Так в образцах и-Ge наблюдали высокую проводимость вдоль меж-зеренных границ, характер которой соответствовал проводимости в вырожденном полупроводнике p-типа [Matar^, 1971]. Этот эффект, однако, в других материалах не наблюдали.
