WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 7 Поляризационная фоточувствительность кремниевых солнечных элементов с просветляющим покрытием из смеси оксидов индия и олова © В.М. Ботнарюк, А.В. Коваль, В.Ю. Рудь†, Ю.В. Рудь, А.В. Симашкевич, Д.А. Шербан Государственный университет Молдовы, Кишинев, Молдова † Государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 15 августа 1996 г. Принята к печати 29 октября 1996 г.) Изучены фотоэлектрические свойства солнечных элементов ITO/n-Si при наклонном падении линейнополяризованного света на солнечные элементы со стороны ITO. Обнаружены поляризационная фоточувствительность и возрастание относительной квантовой эффективности фотопреобразования в результате снижения потерь на отражение. Коэффициент наведенного фотоплеохроизма PI увеличивается с увеличением угла падения в соответствии с законом PI 2. Изучена поляризационная фоточувствительность солнечных элементов в зависимости от энергии фотонов между ширинами запрещенных зон двух контактирующих материалов. Результаты показывают, что исследованные солнечные элементы могут быть использованы как селективные поляриметрические фотосенсоры.

Прозрачные проводящие окислы интенсивно исполь- отношению к химически полированной поверхности плазуются в роли широкозонного полупроводникового ок- стин n-Si. В диапазоне длин волн от 0.25 до 1 мкм на, которое одновременно играет роль просветляющего пленки имели высокое оптическое пропускание 95 %.

покрытия с низким поверхностным слоевым сопроти- После нанесения пленка ITO снабжалась контактной влением, что в совокупности обеспечивает значитель- сеткой из индия, а свободная кремниевая поверхность ное повышение коэффициента полезного действия (кпд) пластины покрывалась слоем Al. Площадь готовых СЭ солнечных элементов (СЭ) [1–3]. В частности, на составила 1см2.

основе гетеросистемы ITO/p-n-Si разработаны СЭ, кпд Для определения поляризационных параметров фокоторых возрос на 43% по отношению к полученным точувствительности СЭ крепилась на столик Федорова без просветляющей пленки из смеси оксидов индия и СТФ-1, позволяющий плавно изменять угол падения олова (10 % SnO2+90 % In2O3 (ITO) EG 3.6эВ) [1,4,5].

излучения на приемную плоскость и азимутальный Поляризационная фоточувствительность СЭ до сих пор угол между электрическим вектором световой волны E не исследовалась [1]. Настоящая работа посвящена из- и плоскостью падения излучения (ПП) с точностью учению фотоэлектрических процессов структур ITO/n-Si не ниже ±30. Соотношение площадей фотоприемной в линейно-поляризованном излучении (ЛПИ), что ука- плоскости и светового пучка выбиралось таким, чтобы зывает на возможности применений СЭ в поляриза- вплоть до максимальных углов 85 поток линейноционной фотоэлектронике, а также в поляризационной поляризованного излучения не выходил за пределы пленфотоэлектрической спектроскопии — для диагностики ки ITO. Для обеспечения возможности измерений фопросветляющих свойств покрытий в готовых элементах. точувствительности СЭ при максимальных значениях 1. Для создания СЭ использовались ориентирован- предпринимались меры к исключению винъетирования ные в кристаллографической плоскости (111) пластины освещаемой поверхности ITO. Фоточувствительность СЭ кремния n-типа проводимости марки КЭФ-4.5. Пленки в ЛПИ измерялась в режиме фототока короткого заITO осаждались на предварительно нагретые до темпе- мыкания, который был пропорционален плотности по ратур Ts 400500 C пластины n-Si методом пуль- тока падающего излучения и это позволяло определять относительную квантовую эффективность фотопреобраверизации спиртовых растворов [6] хлоридов индия и олова 9 ч (InCl3 : 3H2O) +1ч(SnCl3 : 5H2O) в атмосфе- зования как отношение фототока к числу падающих фотонов.

ре кислорода. Слои ITO с геометрической толщиной d 0.5 мкм осаждались в указанных условиях в течение 2. Полученные СЭ имели достаточно хорошие вы 40-60 с. Полученные пленки были электрически прямляющие свойства. Типичная стационарная вольтоднородными. Концентрация свободных электронов и амперная характеристика одной из таких структур предхолловская подвижность в полученных пленках ITO ставлена на рис. 1 (кривая 1). Пропускное направлесоставляли 1021 см-3 и 30 см2/(В·c) при T = 300 K, ние в СЭ отвечало отрицательной полярности внешнесоответственно. Пленки были однородно окрашены в го смещения на пленке ITO. Прямая ВАХ в области темнолиловый цвет и обладали высокой адгезией по смещений U > 0.2 В аппроксимируется соотношением Поляризационная фоточувствительность кремниевых солнечных элементов... Рис. 1. Стационарная вольт-амперная характеристика (1) и спектральная зависимость относительной квантовой эффективности фотопреобразования солнечного элемента ITO/n-Si (T = 300 K; освещение неполяризованным излучением вдоль нормали со стороны пленки ITO.) U = Ucut off + Rresi. Напряжение отсечки хорошо воспро- фотонов при = 1.1 эВ, что совпадает с шириной изводится в полученных СЭ и достигает Ucut off 0.1В, запрещенной зоны кремния [7].

что, вероятно, отвечает контактной разности потенци- В спектральных зависимостях ( ) для всех СЭ алов изотипного гетероконтакта ITO/n-Si. Остаточное при нормальном падении естественного излучения на сопротивление Rres 45кОм при T = 300 K, а плоскость пленки ITO четко проявилась система эквидистантных пиков с расстоянием между их максимумами обратные токи при U 0.5 В обычно не превышали 0.13 эВ. Если связывать эту систему полос с ин2 · 10-5 А. Резкий пробой наступает при достижении терференцией в слое ITO с показателем преломления напряжений U 2-2.5 В. При освещении СЭ со стороn = 1.8 [1], тогда получим толщину d = 2.2мкм, что ны ITO фоточувствительность была высокой и достигала явно выше толщины пленки ITO. Поэтому можно предпо 80-90 мА/Вт. В условиях освещения АМ 1.5 кпд ложить, что наблюдаемая система полос не может быть полученных солнечных элементов находился на уровне приписана интерференции излучения в пленке ITO и 10–11 %.

для выяснения ее природы необходимы дополнительные Спектральная зависимость относительной квантовой исследования полученных СЭ.

эффективности фотопреобразования для одного из 3. При освещении полученных структур ЛПИ вдоль типичных СЭ приведена на рис. 1 (кривая 2). При освенормали к плоскости пленки ITO ( = 0) фототок щении вдоль нормали к плоскости ITO спектр фоточувне зависит от положения E относительно главных криствительности широкополосный. Полная ширина спексталлографических осей пластин Si. Это определяется тральной полосы фоточувствительности на полувысоте изотропным характером фотоактивного поглощения в составляет 1/2 2.0 эВ, позволяя перекрыть широкую ITO и Si, что и приводит к тому, что коэффициент спектральную область от 1.4 до 3.4 эВ. Следовательно, фотоплеохроизма контакт между n-Si и просветляющей пленкой ITO обнаруживает характерный для идеальных гетероструктур ip - is PI = 100 %, эффект окна. Длинноволновая граница СЭ определяется ip + is непрямыми межзонными переходами в узкозонной компоненте гетероструктуры. Из рис. 2 (кривая 2) видно, где ip и is, соответственно, фототоки при E ПП и что в координатах - длинноволновой край фо- E ПП, во всей области фоточувствительности СЭ точувствительности спрямляется и при экстраполяции оказывается равным нулю и поэтому есть основания 0 характеризуется отсечкой на оси энергий считать, что естественный фотоплеохроизм [8] в этих 3 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 802 В.М. Ботнарюк, А.В. Коваль, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, А.В. Симашкевич, Д.А. Шербан находятся в качественном соответствии с ожидаемым из соотношений Френеля, описывающих прохождение световой волны через границу двух сред [13]. Такие зависимости представлены на рис. 3, b (кривые 1 и 2).

Из них следует, что для поляризованной в плоскости падения световой волны фототок ip с ростом угла падения увеличивается и проходит вблизи 75 через p iмаксимум. Это возрастание 1.2 и соответствует p iснижению потерь на отражение. Для другой поляризации E ПП (рис. 3, кривая 2) фототок is, напротив, во всем диапазоне изменения падает с ростом угла падения и это отвечает увеличению потерь на отражение.

При других энергиях фотонов (рис. 3, a, кривые 1 и 2) фототоки ip и is имеют одинаковую угловую зависимость, близки по величине на одинаковых и обнаруживают максимум на практически одинаковом угле 55. Следовательно, при изменении энергии фотонов падающего излучения встречаются области, когда для обоих поляризаций ЛПИ с увеличением происходит рост фототоков, свидетельствующий о падении потерь на отражение не только для волны E ПП, но и для E ПП, что не вытекает из соотношений Френеля [13,14]. Такую закономерность в поляризационной зависимости фотоРис. 2. Спектральная зависимость относительной квантовой тока от угла падения ЛПИ, по нашему мнению, можно эффективности фотопреобразования в координатах - t связать с эффектом просветления пленкой ITO. Этот солнечного элемента ITO/n-Si (T = 300 K; 1 —неполяризованное излучение, = 0; 2 — E ПП, = 70; 3 — E ПП, эффект, как следует из рис. 1 (кривая 2), не проявился = 70).

ярко в спектральной зависимости при использовании неполяризованного света. Однако, с переходом к ЛПИ, в спектральных зависимостях ip и is возникают максимумы и минимумы фототока, которые были ”скрыты” в случае СЭ отстутствует (рис. 3). При переходе к измерениестественного излучения суммированием вклада от света ям фоточувствительности СЭ в геометрии наклоннос полным набором поляризаций.

го падения ЛПИ на их приемную плоскость, т. е. при На рис. 4 приведены типичные спектры квантовой эф >0 возникают различия в значениях фототоков ip и фективности фотопреобразования для двух поляризаций is, в результате которых коэффициент фотоплеохроизма падающего ЛПИ на поверхность пленки ITO под углом становится отличным от нуля и плавно возрастает с 75, когда влияние поляризации на фотоактивное увеличением угла падения по квадратичному закону поглощение в соответствии с PI 2 уже достаточно PI 2. Действительно, как видно из рис. 3, a и b, большое. Длинноволновый край фотоактивного поглозависимости PI() ”выходят” из нуля при = 0 и это щения при этом расщепляется, ip > is в соответствии свидетельствует об отсутствии естественного фотоплеос соотношениями Френеля [13]. Из рис. 2 (кривые хроизма [8]. В случае > 0 возникающий фотоплеои 3) видно, что для обеих поляризаций длинноволновый хроизм согласно [8] квалифицируется как наведенный, край фоточувствительности СЭ следует характерной для и в координатах PI - эти зависимости уже имеют непрямых межзонных переходов корневой зависимости вид прямых (рис. 3, a и b, кривые 4), что согласуется с ip, is, причем экстраполяция этих зависимостей анализом [9].

к нулю дает одинаковое и совпадающее со случаем Из данных на рис. 3, a и b также следует, что велиестественного излучения (рис. 2, кривая 1) значение чина коэффициента PI при изменении энергии фотонов отсечки по оси энергий, равное ширине запрещенной ЛПИ в области фоточувствительности СЭ обнаружила зоны кремния [7]. Этот факт согласуется с наведенной явную зависимость от энергии фотонов, что противонаклонным падением ЛПИ природой анизотропии фоторечит проведенному без учета эффекта просветления активного поглощения [8], возникающей вследствие потеоретическому рассмотрению и многочисленным эксляризационной зависимости прохождения границы сред периментальным результатам, полученным в условиях, воздух/ITO излучением разных поляризаций и отражакогда этим эффектом можно пренебречь [8–12].

ющей вырождение состояний верхней валентной зоны Из приведенных на рис. 3, a и b зависимостей фо- кремния в отсутствие направленных возмущений.

тотоков ip и is от угла падения ЛПИ можно также В области максимальной фоточувствительности СЭ видеть, что для одной из поляризаций эти зависимости (рис. 4, кривые 1 и 2) фототоки для разных поляФизика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Поляризационная фоточувствительность кремниевых солнечных элементов... Рис. 3. Зависимость фототоков короткого замыкания (1, 2) и коэффициента наведенного фотоплеохроизма (3, 4) солнечного элемента ITO/n-Si (T = 300 K;, эВ: a — 1.60, b —1.27).

Рис. 4. Спектральные зависимости относительной квантовой эффективности (1, 2) и коэффициента наведенного фотоплеохроизма (3, 4) солнечного элемента ITO/n-Si (T = 300 K; = 70, 1 — E ПП, 2 — E ПП).

3 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 804 В.М. Ботнарюк, А.В. Коваль, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, А.В. Симашкевич, Д.А. Шербан ризаций — ip и is изменяются в противофазе. Так, мальным значениям зависимости (кривая 4) наглядно максимумам в спектральной зависимости ip( ) при демонстрируют области просветляющего действия плен1.95 и 2.65 эВ отвечают минимумы на кривой is( ) ки ITO. Максимальные значения PIm в соответствии с [9] и, наоборот, максимумам в спектре is( ) при 1.60 позволяют оценить величину показателя преломления и 2.30 эВ отвечают минимумы в спектре is( ). Обратим материала входного окна СЭ n 1.8-2, что соответствувнимание на тот факт, что вблизи энергий фотонов 1.ет ITO. Наблюдаемый спад PIm с ростом энергии фотонов и 2.30 эВ происходит сближение между спектральными (рис. 4, кривая 4), по-видимому, свидетельствует о кривыми is( ) и ip( ), тогда как при энергиях 1.некотором снижении n по толщине пленки в направлении и 2.65 эВ, напротив, наблюдается максимальное расхок наружной плоскости ITO.

ждение между is( ) и ip( ).

В заключение укажем, что максимальная азимутальная Видно, что при сложении поляризационных зависитоковая фоточувствительность в полученных нами СЭ мостей is( ) и ip( ), соответствующему переходу при углах падения 70 достигает 80 мА/(Вт · град) от ЛПИ к естественному излучению, можно получить при T = 300 K. Следовательно, такие солнечные элеменнаблюдаемый при освещении неполяризованным излуты могут использоваться в качестве селективных полячением спектр ( ), в котором проявившиеся в ЛПИ риметрических сенсоров, а сами поляризационные изме(рис. 4, кривые 1 и 2) особенности ”замыкаются” и рения фоточувствительности СЭ — в неразрушающей поэтому не проявляются. Здесь уместно отметить, что диагностике готовых структур и технологии создания четко проявившаяся в естественном излучении система просветляющих покрытий.

из 7 эквидистантных максимумов (рис. 1, кривая 2) Эта работа была поддержана Комитетом Европейского сохранились и в ЛПИ, но только в поляризации E ПП.

сообщества (Contract INTAS N 94-3998).

Если проявившиеся в ЛПИ минимумы при 1.и 2.65 эВ или максимумы при 1.60 и 2.30 эВ в зависимостях p( ) и s( ) связать с интерференцией Список литературы излучения в пленке ITO, тогда оценки толщины пленки дают значение d 0.47 мкм, что практически совпадает [1] М.М. Колтун. Оптика и метрология солнечных элеменс измеренной толщиной ITO.

тов (М., Наука, 1985) с. 280.

Pages:     || 2 |



© 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.