ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Емкостная спектроскопия глубоких уровней

Метод емкостной спектроскопии глубоких уровней позволяет определять энергетические характеристики, концентрацию и се­чение захвата рекомбинационных центров, связанных с глубо­кими уровнями в запрещенной зоне полупроводников [25—32], а также идентифицировать ловушки для неосновных и основ­ных носителей заряда. Кроме того, с помощью этого метода можно обнаружить центры как излучательной, так и безызлу­чательной рекомбинации, заключенные в широком интервале энергий внутри запрещенной зоны. Данный метод обладает вы­сокой чувствительностью и разрешающей способностью, позво­ляет обнаруживать примеси на глубоких уровнях при концент­рации, составляющей 10^-4. ..10~⁵ от концентрации примесей на мелких уровнях, с разрешающей способностью по энергии, при­близительно равной 0,03 эВ. Кроме того, метод дает возмож­ность определения пространственного распределения примесей, образующих глубокие уровни. Наконец, в отличие от того, что реализуется для других термостимулированных методов изме­рения параметров глубоких уровней, величина выходного сиг­нала не зависит от скорости нагрева или охлаждения образца. Максимум амплитуды сигнала наблюдается всегда при одной и той же температуре, и его величина определяется только ча­стотой, на которой проводят измерения.

На рис. 1.7, а показана блок-схема установки для проведе­ния измерений по данному методу. Синхронный усилитель перио­дически, в режиме импульсного напряжения смещения, вклю­чает измеритель вольт-фарадных характеристик. Если в обед­ненной области образца, содержащего р—n-переход или барьер Шоттки, имеются глубокие примесные уровни, то при помощи синхронного усилителя обнаруживается переходный процесс, характеризующийся экспоненциальным изменением емкости. Амплитуда измеряемого сигнала пропорциональна концентра­ции примесей на глубоких уровнях, а постоянная времени пере­ходного процесса зависит от вероятности опустошения ловушек в результате термоэмиссии. На рис. 1.7,6 схематически изобра­жены синхронизирующий сигнал и сигнал, поступающий на вход синхронного усилителя. Измерения проводятся на фикси­рованной частоте при температуре образца, изменяющейся от температуры жидкого азота (77 К) до комнатной и выше. При определенной температуре, когда скорость опустошения лову­шек соответствующим образом согласуется с частотой измере­ний, амплитуда сигнала достигает максимального значения, ко­торое пропорционально плотности ловушек. Таким образом, из­мерение температурной зависимости сигнала позволяет иденти­фицировать ловушки, обусловливающие переходный процесс. Спектр глубоких уровней, который соответствует температур-

ной зависимости выходного сигнала синхронного усилителя, ре­гистрируется с помощью двухкоординатного графопостроителя. Типичные спектры глубоких уровней [27] поликристаллических элементов с гетеропереходом Cu₂S—CdS показаны нарис. 1.8, а. Участки, соответствующие ловушкам различного типа, обозна­чены символами В_у D и F.

Энергию активации ловушки можно определить исходя из того, что при изменении длительности импульса Т_в положение максимума амплитуды выходного сигнала смещается в другую температурную область [26]. Если сечение захвата ловушки не зависит от температуры, то скорость опустошения ловушки при температуре, соответствующей максимуму амплитуды, равна

N_coV_t f Д£ \                                                        , і 1₀ч

^е=-т^^ехр(-тг)-                                                                     ^ил2)

Здесь g — степень вырождения уровня; N_c (или N_v)—эффек­тивная плотность состояний в зоне, с которой взаимодействуют носители, захваченные ловушками; а — сечение захвата; Vt —Выходной сигнал

тепловая скорость и Д£— энергия активации ловушки. По­скольку произведение N_cVt пропорционально Г², энергию акти­вации ловушки можно найти, используя графики зависимости \g(e/T²) от ЦТ. Зависимости е)Т² от 1 /Т для нескольких типов ловушек, характерных для поликристаллического CdS, пред­ставлены на рис. 1.8, б [27]. На практике величина е_у равная 1/т_у определяется с помощью соотношения [26]

Здесь L — выходной сигнал синхронного усилителя, G_c — коэф­фициент усиления измерителя емкости, G_l — коэффициент уси­ления усилителя. Физический СМЫСЛ величин Tdy Тв и ДСо по­ясняет рис. 1.7, б. Постоянная времени х_Р переходного процесса, соответствующего максимальной амплитуде выходного сигнала синхронного усилителя, входит в соотношение [26]

Из (1.13) и (1.14) следует, что величина е (или тр переходного процесса) при температуре, характерной для максимума амп­литуды, определяется значениями Т_в и Та.

Если длительность импульса достаточна для заполнения всех ловушек, распределение концентрации ловушек и легирующих примесей пространственно-однородно и для концентрации лову­шек N_T выполняется соотношение N_t<^N_a—N_Di то

N _т — 2 (ДС₀/С) (N_a—N_d).                               (1.15)

Здесь ДСо — изменение емкости к моменту прекращения подачи импульса напряжения смещения, С — емкость при обратном на­пряжении смещения, (N_a—N_d) —результирующая концентра­ция легирующих примесей. Величину ДСо можно определить по измеренной высоте пика Стах [25] путем подстановки в уравне­ние (1.13) значения тр, найденного из уравнения (1.14). Скорость заполнения ловушки входит в уравнение [26]

N (0 = N_T [1 — exp (—с/)].                               (1.16)

Здесь N (t)— концентрация ловушек, заполненных при подаче импульса напряжения длительностью /, N_T — суммарная кон­центрация ловушек. Значения N (t) находятся по результатам измерения высоты пиков при различной длительности импульса напряжения; при этом N (t) соответствует длительности им­пульса, обеспечивающей насыщение всех ловушек. График за­висимости [N_T—N(t)]/N_T от t позволяет определить значение с, которое используется затем для нахождения сечения захвата сг ловушек, ^ходящего в соотношение c=oNVt. Нарис. 1.8, б пред­ставлены N_T и N(t), выраженные через изменения емкости АС(оо) и АС(^). При подаче импульса напряжения, сопровож­дающегося инжекцией основных носителей, концентрация N ин­жектированных носителей равна концентрации легирующей при­меси. Если импульс напряжения вызывает инжекцию неоснов­ных носителей, величину N определить трудно.

В том случае, когда под действием соответствующего им­пульса напряжения инжектируются только основные носители, обратное напряжение смещения и толщина обедненной обла­сти уменьшаются. Если (при инжекции под действием света или прямого напряжения смещения) вводятся как основные, так и неосновные носители, то отношение их концентраций определя­ется величиной проходящего тока. В условиях высокого уровня инжекции это отношение стремится к единице и концентрация захваченных ловушками неосновных носителей приближается

_{к а}неосн/(_анеосн _+(уосн ) Следует ОТМЄТИТЬ, ЧТО ИЗМЄрЄНИЯ СЄЧЄ-

ния захвата неосновных носителей обычно связаны с большими трудностями, а получаемые результаты менее достоверны [26].

• Исследование характеристик материалов

В этом разделе мы познакомимся с различными современ­ными экспериментальными методами изучения структуры, со­става, а также электронных, оптических и оптоэлектронных свойств материалов, применяемых для изготовления солнечных элементов. Поскольку в своем большинстве эти методы ЯВЛЯ­ЮТСЯ стандартными и широко используются уже на протяжении ряда лет, мы не будем рассматривать экспериментальные уста­новки и приборы, а сосредоточим внимание только на том, ка­кого рода информацию можно получить с их помощью.

Структурные характеристики

Значительное влияние на оптические и электронные свой­ства тонких пленок оказывают строение их кристаллической ре­шетки и микроструктура. Аналогичным образом особенности структуры на границе раздела р- и n-областей определяют электронные свойства электронно-дырочного перехода. Разра­ботан ряд методов исследования морфологии, кристаллической структуры и дефектов в различных областях объема солнечных элементов и на границе раздела слоев, обеспечивающих очень высокую разрешающую способность, вплоть до атомных разме­ров, хотя это достигается за счет уменьшения общей площади или объема исследуемой области материала. В большинстве случаев необходимую информацию о свойствах материала можно получить при использовании методов, обладающих низ­кой разрешающей способностью, но позволяющих изучать обла­сти большого размера, в сочетании с методами, обеспечиваю­щими высокую разрешающую способность при изучении микро­объектов.