WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 6 Токовая неустойчивость в солнечных элементах на основе a-Si : H, возникающая после их засветки © Э.Н. Воронков¶ Московский энергетический институт, 111250 Москва, Россия (Получена 9 ноября 2000 г. Принята к печати 15 ноября 2000 г.) Показано, что засветка солнечных элементов аморфного кремния приводит к изменениям темнового тока.

Характер релаксации тока после выключения освещения зависит от интенсивности и времени засветки.

При определенных временах световой экспозиции возникает токовая неустойчивость в виде хаотических осцилляций, нарастающих со временем и затем резко исчезающих.

Наблюдаемый эффект объясняется тем, что при интенсивном освещении в пленке a-Si : H происходит изменение равновесия между различными типами дефектов и начинают доминировать дефекты, блокирующие существующие каналы утечки тока через барьер. В темноте происходит изменение установившегося на свету равновесия, и блокирующие дефекты со временем исчезают. В моменты, когда их концентрация приближается к значениям, определяющим порог протекания по каналам, возникают хаотические колебания, амплитуда которых нарастает вблизи порогового значения. После частичного или полного восстановления каналов осцилляции исчезают. Хаотический характер осцилляций объясняется случайным характером процессов изменения числа и конфигурации канала.

При изучении солнечных элементов на основе a-Si : H ло 5 с. Измерения переходного процесса прекращались был обнаружен эффект, проявляющийся в том, что по- после того, как значения тока устанавливались вблизи сле выключения освещения наблюдается изменение тем- величины, имевшей место до экспозиции.

нового тока относительно значения, существовавшего На рисунке приведены результаты измерений, демондо освещения. Со временем значение темнового тока стрирующие эффект. Все измерения выполнены в темстремится к некоторой постоянной величине. Время и ноте при прямом смещении на образце 0.5 В. Кривая характер релаксации тока к стационарному значению представляет изменение тока I со временем t для случая, зависят от интенсивности и времени освещения. Осо- когда образец не подвергался засветке. Как видно, на протяжении всего периода измерений среднее значение бенность наблюдаемого эффекта заключалась в том, тока остается постоянным (обозначим его I0). Ток имеет что при определенной световой экспозиции возникала небольшую шумовую составляющую.

токовая неустойчивость в виде хаотических осцилляций, Кривая 2 соответствует случаю, когда образец поднарастающих со временем и затем резко исчезающих.

вергался засветке в течение 2 мин. Засветка приводит к Цель данной работы заключалась в объяснении наблюнезначительному увеличению тока, при этом значительдаемого эффекта.

ного увеличения уровня и изменения характера шума В качестве образцов использовались солнечные элене происходит. Со временем ток плавно приближается менты на металлической фольге, изготовленные по техк исходному значению.

нологии фирмы ECD (Troy USA), площадь образцов Кривые 3–1 и 3–2 соответствуют случаю, когда обрасоставляла 3 см2. Световые и темновые характеристики зец подвергался засветке в течение 10 мин. Эти кривые типичны для элементов этого типа [1], кпд, измеренный с построены на основе двух последовательных выборок:

имитатором солнечного излучения в условиях AM1, сомассива точек, полученного в течение первых 300 с, ставлял 8%. При измерениях в качестве источника света и массива точек, полученного в течение последующих использовалась лампа накаливания с кварцевой колбой.

300 с (развыв по времени между двумя массивами не Освещение осуществлялось через водяной фильтр. Освепревышает 5 с). Сравнение кривой 2 с кривыми 3–щенность образца при экспозиции составляла 5000 люкс.

и 3–2 показывает, что, несмотря на незначительное, каПри первоначальной засветке использовались солнечные залось бы, увеличение экспозиции, характер релаксации элементы, не подвергавшиеся интенсивному освещению.

тока к стационарному значению изменился существенПри измерениях ток с образца (I) поступал на вход ным образом. После выключения засветки на начальном операционного усилителя, затем на аналогово-цифровой участке примерно в течение первых 10 с ток изменяется преобразователь и на компьютер. Результаты измерений так же, как и после засветки в течение 1 мин. Затем в течение 300 с накапливались в виде массива эксперион уменьшается, причем скорость спада значительно ментальных точек (6000 точек). Затем массив записывалвыше, чем для кривой 2. После того, как значение тока ся в файл, и данные вновь накапливались в течение слестановится меньше I0, появляется хаотически осциллидующего временного интервала. Время записи в файл, рующая составляющая, причем амплитуда осцилляций отделяющее последовательные серии точек, не превышанарастает со временем. Примерно через 200 с после ¶ E-mail: edward@b14s1nt.mpei.ac.ru выключения освещения наблюдается резкий бросок тока, 704 Э.Н. Воронков Влияние световой экспозиции на изменения тока через p-i-n-структуру солнечного элемента на основе a-Si : H: 1 — до экспозиции;

2 — экспозиция 2 мин; (3-1) — экспозиция 10 мин, первая серия экспериментальных точек; (3-2) — экспозиция 10 мин, вторая серия экспериментальных точек.

его значение приближается к I0, и после нескольких 5) Значения t1 и t2 не являются фиксированными и осцилляций малой амплитуды ток перестает изменяться, имеют случайный разброс не только для разных образустановившись на уровне, существовавшем до засветки. цов, но и для разных измерений.

6) Области неустойчивости тока может предшествоПри больших временах засветки осциллирующая совать гладкий участок как с повышенными, так и пониставляющая исчезала, при этом стационарное значение женными относительно I0 значениями.

тока имело пониженное значение.

Влияние световой экспозиции на характер релаксации Отметим некоторые экспериментальные факты.

темнового тока наблюдалось и ранее в поликристалли1) Наблюдаемые в экспериментах времена релаксации ческих солнечных элементах [3] и было объяснено взаслишком велики для электронных процессов в объеме и имодействием возбужденных светом носителей заряда с близки к значениям, характеризующим дефектообразовадефектами на межкристаллитных границах. Кривая рение в a-Si : H [2].

лаксации темнового тока описывалась несколькими экс2) Малые времена световой экспозиции на образце, понентами с постоянными, характеризующими времена не подвергавшемся ранее засветке (рис. 1, кривая 2), существования различных фотовозбужденных дефектов.

приводят к некоторому увеличению прямого тока через Кривые были монотонными и хорошо воспроизводились солнечный элемент.

от эксперимента к эксперименту, однако могли и разли3) Увеличение времени экспозиции сверх некоторого чаться для различных образцов. Особенность солнечных значения t1 приводит к появлению на кривой релаксации элементов на основе a-Si : H cостоит в том, что наряду тока (рисунок, кривые 3-1 и 3-2) хаотических осцилс медленным монотонным изменением тока в релаксаляций, при этом непосредственный переход к значению ционном процессе возникает сравнительно быстро хатока I0 может происходить скачком.

отически осциллирующая составляющая. Считаем, что 4) При увеличении времени экспозиции сверх неко- в нашем случае, как и в случае, рассмотренном в [3], торого значения t2 (t2 > t1) общее время участка с релаксация обратного тока определяется изменением осцилляциями уменьшается, они становятся разрывными при засветке равновесия между дефектами различного (шум типа телеграфного сигнала), и при больших вре- типа.

менах экспозиции исчезают совсем. При этом значение Объясним возникновение крупномасштабных хаотичетока становится меньше I0 и стремится к некоторому ских осцилляций, которые не наблюдались в [3]. Одна из постоянному значению с очень большой постоянной особенностей солнечных элементов большой площади из времени (сотни минут). аморфного кремния заключается в том, что они имеют Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Токовая неустойчивость в солнечных элементах на основе a-Si : H, возникающая после их засветки значительную шунтирующую барьер проводимость по за возникновение каналов ответственны IVAP-центры.

каналам с повышенным темпом рекомбинации, которые В пользу этого говорит их структура, способствуюи контролируют темновой ток. Засветка приводит к щая кластерообразованию, отсутствие барьера для их уменьшению тока и, следовательно, к уменьшению числа образования [2] и то, что они являются эффективными шунтирующих каналов. Каналы образованы некоторыми центрами рекомбинации. Генерация этих дефектов может перекрывающими i-слой кластерами дефектов, облада- происходить по следующей схеме:

ющими большим сечением захвата как электронов, так h + e +(Si - H) +(Si - Si) {Si- +(Si - H - Si)+}.

и дырок, т. е. выступающими как эффективные центры рекомбинации. При засветке происходит интенсивная При распаде на промежуточном этапе активную роль генерация электронно-дырочных пар, стимулирующих играет MH, что снижает энергию реакции:

реакции между дефектами и сдвигающими равновесие таким образом, что число эффективных центров ре{Si- +(Si - H - Si)+} {Si- +(H+ - Si - Si)} комбинации уменьшается, соответственно уменьшается число каналов и ток утечки. После выключения освеще (Si - H) +(Si - Si).

ния происходят процессы в направлении восстановления первоначального равновесия, при этом концентрация эф- Концентрация метастабильного водорода зависит от фективных центров рекомбинации возрастает, возникают качества материала, интенсивности и времени освещеусловия для их кластеризации и образования каналов. ния. Согласно [5], для материала ”приборного” качеВключение канала происходит скачком, когда концентра- ства при интенсивностях засветки, близких к нашим, ция центров рекомбинации в кластере увеличивается до должно пройти примерно 100 с, для того чтобы коннекоторого критического значения [4]. Поскольку шун- центрация MH достигла значений, способных оказывать тирующие барьер кластеры имеют разную концентрацию влияние на дефектообразование (время t1). В течение и разную плотность дефектов, время их включения имеет времени t < t1 в a-Si : H под действием света возможно значительный разброс относительно некоторого харак- формирование новых дефектов (DB, DBH, IVAP), однако теристического времени, которому соответствует опре- их распад с участием MH маловероятен, поскольку возделенная критическая концентрация рекомбинационных растающая со временем концентрация MH мала на надефектов. чальном этапе. Поэтому при небольших экспозициях моПри временах засветки, больших некоторого критиче- жет наблюдаться возрастание шунтирующего действия ского значения t2, основная часть каналов блокирована, каналов за счет увеличения под действием света DB и появление и исчезновение относительно небольшого их генерируемых ими IVAP (рисунок, кривая 2). При увеличисла не будет оказывать заметного влияния на ток. чении времени экспозиции возрастает концентрация MH При временах засветки, меньших t2, число дефектов, и одновременно с генерацией дефектов происходит их блокирующих имеющиеся каналы, мало, и условия для распад. При этом соотношение между водородсодерисчезнования сквозного кластера не соблюдаются (кон- жащими дефектами сдвигается в сторону увеличения центрация дефектов меньше критической, необходимой концентрации DBH и уменьшения концентрации IVAP.

для блокировки каналов). Приближение концентрации Сответственно количество каналов уменьшается и ток создающих канал дефектов к критической уменьшает утечки падает. После выключения освещения благодавероятность появления сквозного тока, причем именно ря оставшемуся в образце метастабильному водороду вблизи критической концентрации и соответствующего происходит восстановление существовавшего до освеей момента времени увеличивается дисперсия вероятно- щения равновесия. При этом скорость восстановления сти исчезновения и возникновения каналов, поэтому ам- равновесия пропорциональна концентрации MH. Если плитуда колебаний тока становится максимальной [4,5]. в i-области солнечного элемента метастабильный водоВ a-Si : H спектр метастабильных дефектов весьма род отсутствует или его концентрация мала, то после широк [2], изучение кинетики их образования далеко от выключения освещения каналы не восстанавливаются завершения, и тем не менее установлено, что основными (или восстанавливаются медленно).

типами метастабильных дефектов в a-Si : H являются В пользу рассмотренного механизма говорят и расоборванные связи кремния (DB), значительная часть четы, выполненные в [5], согласно которым времена которых пассивирована водородом (DBH). Кроме того, засветки, при которых MH начанает играть заметную существуют дефекты, являющиеся сближенными парами роль в дефектообразовании, примерно соответствуют переменной валентности (IVAP), образующимися при временам, наблюдаемым в эксперименте. В [5] показано, захвате электрона и дырки оборванными связями и что эти времена весьма чувствительны к начальной являющимися эффективными центрами рекомбинации. концентрации дефектов. Таким образом, рассмотренный Генерация светом электронов и дырок и последующий в работе эффект может быть использован как для исслезахват их дефектами приводит к нарушению равновесия, дования кинетики образования и исчезновения фотоиндупри этом основную роль в преобразовании DB в DBH цированных дефектов в a-Si : H, так и для оценки качества и IVAP играют атомы возникающего при засветке мета- материала i-области солнечных элементов на основе стабильного водорода (MH) [6]. Наиболее вероятно, что a-Si : H и прогнозирования их возможной деградации.

5 Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 706 Э.Н. Воронков Список литературы [1] А. Фаренбрух, Р. Бьюб. Солнечные элементы. Теория и эксперимент (М., Энергоатомиздат, 1987) [A.L. Fahrenbruch, R.H. Bube. Fundamentals of solar cells. Photovoltaic solar energy conversion (N.Y., 1983)].

[2] H. Yang, G. Lukovsky. J. Appl. Phys., 37, 1082 (1998).

[3] Э.Н. Воронков, А.Е. Шаронов, В.В. Колобаев. ФТП, 33, (1999).

[4] Б.И. Шкловский, А.Л. Эфрос. Электронные свойства легированных полупроводников (М., Наука, 1979).

[5] В.Г. Голубев, В.Ю. Давыдов, А.В. Медведев, А.Б. Певцов.

ФТТ, 39 (8), 1335 (1997).

[6] K. Morigaki, H. Hikita. Sol. St. Commun., 114, 69 (2000).




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.