Явища переносу заряду та фотоелектричні процеси в тонкоплівкових CdTe діодних структурах

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА

УДК: 621.383.52

01.04.10 - Фізика напівпровідників і діелектриків

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

ЯВИЩА ПЕРЕНОСУ ЗАРЯДУ

ТА ФОТОЕЛЕКТРИЧНІ ПРОЦЕСИ

В ТОНКОПЛІВКОВИХ CdTe ДІОДНИХ СТРУКТУРАХ

Мотущук Володимир Володимирович

Чернівці - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі оптоелектроніки Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Косяченко Леонід Андрійович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, завідувач кафедри оптоелектроніки

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Дмитрук Микола Леонтійович, Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України, завідувач відділу поляритонної оптоелектроніки

доктор фізико-математичних наук, професор Раренко Іларій Михайлович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, професор кафедри фізики напівпровідників і наноструктур

Провідна організація: Одеський національний університет імені І.І. Мечнікова (м. Одеса).

Захист відбудеться 27 жовтня 2005 р. 15.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.76.051.01 при Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича (вул. Лесі Українки, 23).

Автореферат розісланий 23 вересня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Курганецький М.В.

Анотації

Володимир Мотущук. Явища переносу заряду та фотоелектричні процеси в тонкоплівкових CdTe діодних структурах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - Фізика напівпровідників і діелектриків. - Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2005.

У дисертації представлено результати дослідження фізичних процесів, що визначають електричні, оптичні і фотоелектричні характеристики тонкоплівкових діодних структур на основі телуриду кадмію.

Досліджено механізми переносу заряду в тонкоплівкових Au-CdTe діодах Шотткі на металевій підкладинці та CdS/CdTe гетероструктур на скляній підкладинці. Доведено, що вольт-амперні характеристики даних структур добре узгоджуються з теорією генерації-рекомбінації Саа-Нойса-Шоклі з урахуванням особливостей процесів у діоді Шотткі. Розходження експериментальної та теоретичної кривих при значних прямих напругах зумовлене внеском надбар'єрного струму в рамках моделі дифузійного наближення. фотоелектричний діодний кадмій

Проаналізовано вплив втрат, зумовлених рекомбінацією в області просторового заряду та поверхневою рекомбінацією, на ефективність збирання заряду у фотовольтаїчній структурі, сформульовано вимоги до електропровідності матеріалу фотоперетворювача.

Досліджено спектри чутливості фотовольтаїчних структур на основі CdTe. Проведено їх розрахунок виходячи з моделі, що враховує дрейфову та дифузійну складові струму, а також поверхневу рекомбінацію. Варіюванням параметрів матеріалу (концентрації некомпенсованих домішок і часу життя носіїв) досягнуто пояснення експериментальних спектрів фоточутливості діодних структур різного типу.

Ключові слова: CdTe діод Шотткі, CdS/CdTe гетероструктура, тонкоплівкові сонячні елементи, механізм переносу заряду, генерація, рекомбінація, концентрація некомпенсованих домішок, час життя носіїв, фотоелектрична квантова ефективність.

Volodymyr Motushchuk. Charge transport phenomena and photoelectric processes in thin-film CdTe diode structures. - Manuscript.

Thesis for a Candidate's Sciences degree by speciality 01.04.10 - Physics of Semiconductors and Dielectrics. - Yuri Fed'kovych Chernivtsi National University, 2005.

The dissertation reports the study of the physical processes determining electrical, optical and photoelectric characteristics of the thin-film diode structures based on cadmium telluride.

The mechanisms of charge transport in thin-film Au-CdTe Schottky diodes on the metal substrates and CdS/CdTe heterostructures on the glass substrates have been investigated. The current-voltage characteristics of the diode structures are shown to be agreed with the generation-recombination Sah-Noice-Shokley theory with account made for the features of the Schottky diode. Some discrepancies between the experimental and theoretical curves under higher forward voltages are caused by over-barrier current and governed in terms of the diffusion model.

The losses caused by recombination in the space-charge region and at the interface as well as their effect on the charge collection efficiency in the CdTe-based photovoltaic structures have been analyzed. The adjusted requirements imposed on the resistivity of the device material are also formulated.

The response spectra of the CdTe photovoltaic structures have been studied. The calculations were made on the basis of a model, which accounts the drift and diffusion components of the current as well as the surface recombination. The good explanation of the experimental photoresponse spectra of different types of the diode structures is attained by variation of the material parameters (the uncompensated impurity concentration ant the carrier lifetime).

Key words: CdTe Schottky diode, CdS/CdTe heterojunction, thin-film solar cell, generation, recombination, uncompensated impurity concentration, carrier lifetime, photoelectric quantum yield.

Владимир Мотущук. Явления переноса заряда и фотоэлектрические процессы в тонкопленочных CdTe диодных структурах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков. - Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2005.

В диссертации представлены результаты исследования физических процессов, которые определяют электрические, оптические и фотоэлектрические характеристики монокристаллических и тонкопленочных структур на основании CdTe.

Исследованы механизмы переноса заряда в тонкопленочных Au-CdTe диодах Шоттки на металлической подложке и CdS/CdTe гетероструктур на стеклянной подложке. Доказано, что вольт-амперные характеристики тонкопленочных Au/CdTe структур на металлической подложке хорошо согласуются с теорией генерации-рекомбинации Саа-Нойса-Шокли с учетом особенностей процессов в диоде Шоттки. Расхождение экспериментальной и теоретической кривых при значительных прямых напряжениях обусловлено надбарьерным током в рамках модели диффузионного приближения. Выявленная особенность механизма переноса заряда в тонкопленочном n-CdS/p-CdTe гетеропереходе (отсутствие надбарьерного тока основных носителей при повышенных напряжениях) объясняется значительной высотой потенциального барьера для основных носителей. В дополнение к генерации-рекомбинации в обедненном слое становится существенным надбарьерное прохождение неосновных носителей заряда, для которых высота барьера ниже, чем для основных.

Проанализировано влияние потерь, обусловленных рекомбинацией в области пространственного заряда и поверхностной рекомбинацией, на эффективность собирания заряда в фотовольтаической структуре, сформулированы требования к электропроводимости материала солнечного элемента на основе CdTe. Анализ рекомбинационных потерь в области пространственного заряда, исходя из уравнения Гехта, показывает, что для полупроводника с оптимальной для поглощения оптического излучения концентрацией некомпенсированных примесей (NaNd) 1014-1015 см-3 можно достичь практически полного собирания носителей, при условии, что время их жизни превышает 10-8-10-7 с. Особенность процесса компенсации проводимости поглощающего слоя CdTe заключается в том, что NaNd, определяющая ширину области пространственного заряда, остается высокой по сравнению с концентрацией свободных дырок, которая определяет удельное сопротивление материала. Для предотвращения электрических потерь в тонкопленочной диодной структуре удельное сопротивление поглощающего слоя не должно превышать (2,5-5)103 Омсм, а уровень Ферми должен заходить в глубь запрещенной зоны не дальше, чем на 0,3-0,35 эВ, для чего необходимо легирование материала примесью с энергией ионизации, меньшей ~0,15 эВ. Результаты фотоэлектрических исследований показали, что концентрация некомпенсированных примесей NaNd в слое CdTe тонкопленочной CdS/CdTe гетероструктуры обычно составляет (1-3)1016 см-3, что исключает потери, обусловленные поверхностной рекомбинацией. Для диодов, изготовленных на монокристаллическом CdTe, значение NaNd может быть значительно ниже, и тогда поверхностная рекомбинация подавляет фоточувствительность диодной структуры.

Исследованы спектры чувствительности фотовольтаических структур на основе CdTe. Проведен их расчет, исходя из модели, учитывающей дрейфовую и диффузионную составляющие тока, а также поверхностную рекомбинацию. Варьированием параметров материала (концентрацией некомпенсированных примесей и временем жизни носителей) достигнуто объяснение экспериментальных спектров фоточувствительности диодных структур разного типа. Доказано, что спад на коротковолновом (450 нм) участке спектров фоточувствительности тонкопленочных Au/n-CdTe диодов объясняется учетом влияния эффекта Шоттки.

Показано, что практически полное собирание заряда в фотовольтаической структуре на основе CdTe происходит при условии, что время жизни носителей заряда и концентрация некомпенсированных акцепторов превышают соответственно ~ 106 с и 1016-1017 см3. При этом плотность тока короткого замыкания приближается к максимально возможному значению (29,2 мА/см 2 для условий полного солнечного облучения АМ 1.5).

Ключевые слова: Au-CdTe диод Шоттки, CdS/CdTe гетероструктура, тонкопленочные солнечные элементы, механизм переноса заряда, высота барьера, генерация, рекомбинация, концентрация некомпенсированных примесей, фотоэлектрическая квантовая эффективность.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми

Відкритий А.С. Беккерелем ще в 1839 році фотовольтаїчний ефект тривалий час не мав практичного застосування, аж доки в 50-х роках минулого століття в США не була розроблена програма оснащення супутників кремнієвими сонячними елементами. Згодом сонячні елементи знайшли також наземне застосування, зокрема, для живлення віддалених пристроїв у системах зв'язку. Нафтова криза початку 1970-х років і ряд аварій на атомних електростанціях: (Пенсільванія, 1979 р., Чорнобиль, 1986 р.) інтенсифікували пошук альтернативних джерел енергії в багатьох країнах світу.

Спочатку зусилля фахівців були зосереджені на зниженні вартості кремнієвих сонячних елементів. З огляду на потребу широкомасштабного виробництва першочерговим завданням став перехід від монокристалічної до тонкоплівкової технології. Аморфний кремній став першим матеріалом для тонкоплівкових модулів з усією їх привабливістю щодо збільшення площі і зменшення вартості пристрою. Проте, ефективність тонкоплівкових Si сонячних елементів в процесі експлуатації поступово понижується, аж доки не досягне стабільного, але низького рівня (з 8 до 4%), що зумовлене фотостимульованим утворенням дефектів. Ці процеси обмежують довговічність тонкоплівкових Si сонячних елементів і звужують сферу їх застосування.

Паралельно з роботами на аморфному кремнії велися пошуки альтернативних матеріалів для дешевих сонячних елементів. Спочатку увага була сконцентрована на гетероструктурі Cu2S/CdS, але через нестабільність параметрів вже на початку 1980-х років її розробки припинились. Зусилля змістились до інших матеріалів, зокрема до полікристалічного CuIn1-xGaxSe2. Фотовольтаїчні модулі на основі цього напівпровідника з ефективністю перетворення енергії, вищою 10%, та за прийнятною для ринку ціною, вже зараз можуть стати базовими для наземного застосування. GaAs і InP мають ширину забороненої зони, оптимальну для ефективного перетворення сонячної енергії в електричну. На цих матеріалах вже досягнута ефективність - 25,1 і 21,9% відповідно, а на добре освоєних Al1-xGaxAs гетероструктурах із складним "профілем" - аж 32%. Проте ці матеріали є занадто коштовними для широкого використання.

Оптимальні характеристики для перетворення сонячної енергії в електричну має також CdTe, ширина забороненої зони якого при 300 К складає 1,47 еВ, а коефіцієнт оптичного поглинання при прямих міжзонних переходах в області енергії фотонів hv>1,6 еВ перевищує 4104 см1, що забезпечує значну густину струму короткого замикання і високий коефіцієнт корисної дії сонячного елемента. Оскільки CdTe є бінарною сполукою, то його легше виготовити, ніж багатокомпонентний напівпровідник CuIn1-xGaxSe2. Понад усе, CdTe - хімічно стійка та нетоксична сполука.

Дослідження сонячних елементів на основі CdTe почалися ще на початку 1960-х років і впродовж наступних десятиліть коефіцієнт корисної дії (ККД) експериментальних зразків зріс від ~6% до ~16,5%. Запорукою того, що ефективність перетворення сонячної енергії в електричну буде значно збільшена, є загальна тенденція до зростання ККД CdTe сонячних елементів упродовж 1960-2000 років у середньому на 4-5% за рік (звичайно, доки ККД не наблизиться до теоретичної межі 28-30%).

Напівпровідникові сонячні елементи можуть стати найрозповсюдженішим засобом виробництва енергії на Землі. Сонячні модулі експлуатаційно надійні, не потребують профілактичного обслуговування, ремонту та витрат на забезпечення роботи, екологічно чисті, не створюють шуму, зручні у використанні завдяки модульній конструкції та можливості компонування батарей потрібної потужності поблизу місця споживання енергії. Щодо подальших перспектив напівпровідникової сонячної енергетики показовою є думка вчених і спеціалістів про необхідність об'єднання зусиль дослідників, технологів і виробників для подолання трьох проблем: освоєння нових матеріалів (зокрема, CuInSe2 і CdTe), збільшення ефективності перетворення енергії та забезпечення багаторічного ресурсу сонячного елемента.

У дисертації представлено результати досліджень, спрямованих на з'ясування фізичних процесів, що визначають характеристики та параметри тонкоплівкових фотовольтаїчних структур на основі телуриду кадмію.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота виконана в рамках планів науково-дослідної роботи "Механізми переносу заряду й детектування оптичного й іонізуючого випромінювання в бар'єрних структурах на основі широкозонних II-VI напівпровідників" (номер державної реєстрації 01034U001110), яка виконувалась в Чернівецькому національному університеті в рамках Координаційних планів НДР Міністерства освіти і науки України у 2001-2004 рр. Роль дисертанта у виконанні цієї теми полягала в дослідженні фізичних процесів у фотовольтаїчних структурах на основі CdTe.

Мета і задачі дослідження

Мета роботи - з'ясування фізичних процесів, що визначають характеристики та параметри тонкоплівкових фотовольтаїчних структур на основі телуриду кадмію. Для її досягнення необхідно було розв'язати такі основні задачі:

Дослідження механізмів переносу заряду в фотовольтаїчних діодних структурах на основі CdTe різного типу провідності, встановлення зв'язку параметрів сонячного елемента з його електричними характеристиками.

Дослідження механізмів фотоелектричних втрат, що обмежують коефіцієнт корисної дії тонкоплівкових CdTe фотовольтаїчних структур, їх особливостей у порівнянні з фотодіодами на монокристалах.

З'ясування ефективності перетворення оптичного випромінювання в електричну енергію, узгодженості параметрів фотовольтаїчної структури, особливо тонкоплівкової, з характеристиками сонячного випромінювання.

Об'єкт досліджень - різні типи діодних структур на основі CdTe.

Предмет досліджень - електричні, оптичні і фотоелектричні процеси в тонкоплівкових та монокристалічних структурах на основі телуриду кадмію.

Методи досліджень - вимірювання оптичних, електричних і фотоелектричних характеристик експериментальних зразків, комп'ютерні розрахунки та комп'ютерне моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів

Вперше дано кількісне описання вольт-амперних характеристик тонкоплівкових Au/CdTe фотовольтаїчних структур в рамках моделі генерації-рекомбінації Саа-Нойса-Шоклі, доповненої надбар'єрним дифузійним проходженням основних носіїв заряду при значних прямих напругах.

Доведено, що основним механізмом переносу заряду в тонкоплівкових n-CdS/p-CdTe гетеропереходах є генерація-рекомбінація у збідненому шарі, але при підвищених напругах стає суттєвим надбар'єрне проходження неосновних носіїв заряду (надбар'єрний струм основних носіїв взагалі не спостерігається).

Сформульовані та фізично обґрунтовані уточнені вимоги до параметрів матеріалу, що визначають основні характеристики тонкоплівкових CdTe фотовольтаїчних структур: енергії іонізації легуючої домішки, ступеню компенсації електропровідності, часу життя носіїв заряду та ефективності фотоелектричного перетворення.

Вперше кількісно описані спектри чутливості досліджуваних фотовольтаїчних структур з урахуванням дрейфової та дифузійної складових фотоструму, а також поверхневої рекомбінації носіїв заряду. Спостережуваний для тонкоплівкових діодів Au/CdTe спад фоточутливості на короткохвильовій ділянці спектру (450 нм) пояснено на основі ефекту Шотткі.

Практичне значення одержаних результатів

Результати проведених досліджень поглиблюють розуміння причинних зв'язків характеристик і параметрів як застосовуваних матеріалів, так і фотовольтаїчної структури з її коефіцієнтом корисної дії, дозволяють сформулювати ряд нових рекомендацій, спрямованих на оптимізацію конструкції та технології виготовлення сонячних елементів і модулів на основі CdTe. Одержані результати можуть бути застосовані в розробці і виробництві конкурентно здатних виробів такого типу.

Публікації та особистий внесок дисертанта

За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 11 праць. З них: 3 статті в наукових журналах, 1 стаття у збірнику наукових праць, 7 тез конференцій (перелік публікацій наведено в Додатку 1).

У працях [Д 1-Д 3, Д 8-Д 10] особистий внесок дисертанта полягає у проведенні усіх експериментальних досліджень електричних характеристик зразків, комп'ютерної обробки одержаних даних, комп'ютерному моделюванні процесів переносу заряду з урахуванням їх особливостей в тонкоплівковій структурі. У публікаціях [Д 1, Д 3, Д 10, Д 11] дисертанту належить проведення експерименту, комп'ютерна обробка результатів вимірювань та розрахунків фотоелектричних характеристик, комп'ютерного моделювання процесів збирання фотогенерованого заряду за різних умов збудження. Особистий внесок дисертанта у працях [Д 4, Д 7, Д 9, Д 11] полягає у проведенні усіх вимірювань спектральних характеристик діодних структур різного типу, їх комп'ютерне моделювання, зіставленні розрахованих характеристик з результатами експерименту, визначенні оптимальних параметрів досліджуваних структур. Аналіз одержаних результатів, їх інтерпретація і формулювання основних висновків роботи зроблені дисертантом або самостійно, або разом із співавторами опублікованих праць. Зразки для досліджень виготовлені на кафедрі оптоелектроніки Чернівецького національного університету при безпосередній участі дисертанта, монокристали вирощені на кафедрі фізики напівпровідників та наноструктур, тонкоплівкові фотовольтаїчні структури у Дослідницькому центрі "Енергія" Мексиканського національного університету, Мексика.

Апробація результатів дисертації

Основні результати досліджень, викладених у дисертаційній роботі, доповідались і обговорювались на кафедрі оптоелектроніки ЧНУ, а також на таких наукових конференціях: 12th International Research Materials Congress. Symposium on Solar Cells & Solar Energy Materials (Cancъn, Mйxico, 2003); Міжнародній конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики "Еврика 2004" (Львів, 2004); 13th International Research Materials Congress. Symposium on Solar Cells & Solar Energy Materials (Cancъn, Mйxico, 2004); International Conference on Polycrystalline Semiconductors "POLYSE 2004", (Potsdam, 2004); Другій Українській Науковій Конференції з фізики напівпровідників (Чернівці, 2004); Міжнародній конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики "Еврика 2005" (Львів, 2005); XXІX Intern. School on Phys. Semicond. Compounds (Jaszowiec, Poland, 2005), 14th International Research Materials Congress. Symposium on Solar Cells & Solar Energy Materials (Cancъn, Mйxico, 2005).

Структура і об'єм дисертації

Дисертаційна робота складається зі вступу, аналітичного огляду з теми дослідження (розділ 1), трьох оригінальних розділів, висновків, списку використаних літературних джерел з 79 найменувань. Загальний обсяг дисертації складає 134 сторінки, робота включає 53 рисунки та 1 таблицю.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи та її зв'язок з науковими програмами і темами досліджень Чернівецького національного університету, сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, наведено дані про апробацію роботи, публікації та особистий внесок дисертанта.

У першому розділі подано аналітичний огляд літератури з теми дослідження. Розглянуто характеристики та параметри різних видів сонячних елементів на основі телуриду кадмію. Проаналізовані моделі, що використовуються для пояснення характеристик вищезгаданих приладів. Обґрунтовано необхідність подальшого дослідження фізичних процесів в діодних структурах на основі CdTe з метою поліпшення характеристик приладів на їх основі.

Другий розділ присвячений дослідженню механізмів переносу заряду в тонкоплівкових Au-CdTe діодах Шотткі на металевій підкладинці та CdS/CdTe гетероструктур на скляній підкладинці. Для врахування впливу неоднорідності плівки телуриду кадмію вимірювання проводили на Au-CdTe контактах малої площі (0,1 мм 2).

Врахування струму через шунтуючий опір призводить до появи на I-V характеристиці Au-CdTe діода протяжної ділянки, на якій струм I~exp(qV/2kT)1, (q - заряд електрона, k - постійна Больцмана, Т - температура, V - прикладена напруга), що характерне для рекомбінаційного механізму прямого струму через діод. В області великих струмів I0,1 мкА стає суттєвим спад напруги на опорі об'ємної частини плівки, знайденому з залежності диференціального опору діода від напруги при прямому включенні. В області значних прямих струмів, до того ж, проявляє себе надбар'єрне проходження носіїв (I~exp(qV/kT)).

Застосування теорії Саа-Нойса-Шоклі [1] і результатів роботи [2] дозволяє описати генераційно-рекомбінаційний струм в Au-CdTe діоді, який визначається інтегруванням швидкості генерації-рекомбінації по всій області просторового заряду:

(1)

де А - площа діода, W - ширина області просторового заряду, n(x,V) і p(x,V) - концентрації вільних носіїв у зоні провідності та валентній зоні,

, ,

n1 і p1 - їх рівноважні значення за умови, що рівень Фермі співпадає з рівнем центру рекомбінації, nі - власна концентрація носіїв, no і po - ефективні часи життя електронів і дірок в області просторового заряду, - енергія рівня Фермі, (x, V) - залежність висоти бар'єру від координати і прикладеної напруги, Nv і Nc - ефективна густина станів у валентній та зоні провідності.

Експериментальні I-V характеристики найкраще узгоджуються з розрахованими за формулою (1) при n і p = 3,71011 с та o=0,43 еВ (рис 1). Виміряні зворотні струми при підвищенні напруги відхиляються від теорії завдяки тунелюванню носіїв через контакт Шотткі. Надбарє'рне проходження основних носіїв при значних прямих напругах описується в дифузійному наближенні за формулою

. (2)

Типові вольт-амперні характеристики досліджуваних n-CdS/p-CdTe гетероструктур з відносно низькоомним CdTe (104 Омсм) добре узгоджуються з теорією Саа-Нойса-Шоклі. Однак доповненням до рекомбінаційного струму при великих прямих напругах є надбар'єрний дифузійний струм неосновних носіїв, оскільки для n-CdS/p-CdTe гетеропереходу висота бар'єру для електронів помітно нижча ніж для дірок. Істотні особливості механізму переносу заряду спостерігаються для CdS/CdTe гетеропереходу з високоомним (5107 Омсм) р-CdTe шаром Теорія добре описує I-V характеристику гетеропереходу за виключенням ділянки прямих напруг 0,2-0,4 В, де розрахунок дає дещо завищені значення струму. Це пояснюється непараболічним розподілом потенціалу від координати в області просторового заряду, оскільки умовою застосування параболічного розподілу є незалежність від координати густини об'ємного заряду (напівпровідник, легований мілкою домішкою). Гарне співпадання результатів розрахунку з експериментом спостерігається якщо хід потенціалу представити у формі

, (3)

поклавши = 0,9.

У третьому розділі досліджено вплив втрат, зумовлених рекомбінацією в області просторового заряду та поверхневою рекомбінацією, на ефективність збирання заряду у фотовольтаїчній структурі, сформульовано уточнені вимоги до електропровідності матеріалу поглинаючого шару.

Ширина області просторового заряду, що визначає дрейфову складову фотоструму для контакту Шотткі з CdTe, який завжди є частково компенсованим напівпровідником, описується формулою

, (4)

де Nd -Na - концентрація некомпенсованих домішок, 0 - електрична постійна та - відносна діелектрична проникливість середовища.

Для максимальної контактної різниці потенціалів і напруги розімкненого кола сонячного елемента питомий опір матеріалу мусить бути відносно низьким, але для ефективного поглинання випромінювання збіднений шар повинен бути доволі широким (порядку 1 мкм). У тонкоплівкових сонячних елементах у частково компенсованому CdTe положення рівня Фермі, крім енергії іонізації донорів, істотно залежить від ступеню компенсації акцепторами. Аналіз результатів, отриманих з розв'язку рівняння електронейтральності з урахуванням ефекту "захоплення" рівня Фермі рівнем у забороненій зоні, приводить до висновку, що для ефективного поглинання випромінювання величина W повинна складати ~1 мкм, що відповідає Nd -Na 1015 см-3, тобто при Na = 1016-1017 см-3 ступінь компенсації Na / Nd повинен бути рівним 0,9-0,99. Щоб уникнути небажаного спаду напруги на послідовно ввімкненому опорі нейтральної частини діодної структури, питомий опір матеріалу не повинен перевищувати (2,5-5)103 Омсм, для чого енергія рівня Фермі повинна бути меншою 0,3 еВ. Щоб задовольнити цим вимогам, шар CdTe необхідно легувати домішкою з енергією іонізації, не більшою 0,1-0,15 еВ (рис 3).

Результати експериментального дослідження, що ступінь компенсації акцепторів донорами Nd/Na в поглинаючому шарі CdTe виявився рівним 0,04, а енергія рівня Фермі

. (5)

для досліджуваних CdS/CdTe гетероструктур не є оптимальною, оскільки вона значно більша ніж 0,2-0,3 еВ (це пояснює низьку ефективність діодів).

Проблема ефективності збирання заряду у збідненому шарі с ускладнюється тим, що електрон і дірка в CdTe мають різні часи життя і рухливості. У разі однорідного електричного поля ефективність збирання заряду описується рівнянням Гехта [3]:

, (6)

де

n=мn·Fфn і p=мp·Fфp -

довжини дрейфу електронів і дірок, n і n та р і р - час життя і рухливість електронів і дірок, відповідно.

Для діода Шотткі проблема ускладнюється неоднорідністю електричного поля F(x) в області просторового заряду:

. (7)

Оскільки F є лінійною функцією x, неоднорідність поля можна врахувати, провівши заміну F у виразах для довжин дрейфу її середніми значеннями на ділянці (x,W) для електронів і на ділянці (0,x) - для дірок:

, (8)

. (9)

Із аналізу залежностей c(x), розрахованих за формулою (6) з урахуванням (8) і (9) випливає, що при часі життя 10-10 с і оптимальній концентрації некомпенсованих донорів 1015 см-3 ефективність збирання заряду є низькою, а при Nd-Na1016 см-3 спостерігається практично повне збирання заряду. При збільшенні часу життя ефективність збирання заряду зростає.

У фотовольтаїчні структурі поверхнева рекомбінація залежить від спектрального складу випромінювання, посилюючись у міру збільшення коефіцієнта поглинання та швидкості поверхневої рекомбінації S, вплив якої на квантовий фотоелектричний вихід в діоді Шотткі на основі напівпровідника р-типу провідності при великих (W"1) описує формула [4]:

, (10)

де Dn - коефіцієнт дифузії електронів. Відміна ефективності від одиниці пов'язана тільки з поверхневою рекомбінацією, що дозволяє визначити концентрацію некомпенсованих домішок, зіставляючи при великих експериментальні залежності (V) з кривими, розрахованими за формулою (10) Аналіз отриманих результатів засвідчує, що концентрація некомпенсованих акцепторів у CdTe досліджуваних гетероструктур складає 1016 см-3, коли поверхнева рекомбінація відіграє незначну роль, але при зменшенні Nd-Na втрати на поверхневу рекомбінацію стають все помітнішими.

Четвертий розділ присвячений дослідженню спектрів чутливості та ефективності фотовольтаїчних структур на основі CdTe. Проведено їх розрахунок виходячи з моделі, що враховує дрейфову та дифузійну складові струму, а також поверхневу рекомбінацію. Варіюванням параметрів матеріалу (концентрації некомпенсованих домішок і часу життя носіїв) досягнуто пояснення експериментальних спектрів фоточутливості та ефективності діодних структур різного типу.

Виміряні в широкому діапазоні довжин хвиль (250-900 нм) спектри фоточутливості діодних залежать від технології виготовлення та умов збудження (прикладеної напруги, температури). Спектрам чутливості Au/n-CdTe діодів на монокристалах з Nd - Na < 1014 см-3 притаманний гострий пік на довжині хвилі g, що відповідає енергії фононів hvEg, а з більшим Nd - Na - доволі рівномірна чутливість у інтервалі =400-800 нм. У разі тонкоплівкового Au/n-CdTe діода характерним для спектрів фотоелектричної квантової ефективності є менше або більше виражений максимум на довжині хвилі 480-500 нм та "плече" в області 350 нм. При зміні температури форма спектральних кривих видозмінюється, але їх головні риси зберігаються. Характерною ознакою спектрів фотоелектричної квантової ефективності гетероструктури CdS/CdTe є відносно рівномірна чутливість на ділянці спектру=550-800 нм. При зменшенні питомого опору плівки CdTe спектр стає рівномірнішим але завжди в області 530-550 нм спостерігається стрімкий спад фоточутливості, що пояснюється поглинанням шарами, через які випромінювання проникає в CdTe.

На ділянці 550 нм спостерігається інтенсивне поглинання шаром CdS, в області 450 нм стає суттєвим поглинання шаром ІТО.

Спостережувані спектри фотоелектричної ефективності описуються, виходячи з рівняння неперервності, яке для неосновних носіїв в електронному напівпровіднику (дірок) має вигляд

, (11)

де p - надлишкова концентрація дірок, o - число фотонів, що падають на одиницю площі в одиницю часу. Ширина збідненого шару задається формулою (4), а залежність від координати напруженості електричного поля в області просторового заряду - формулою (7). Розв'язок рівняння (11) дає вираз [4]:

, (12)

де Dn - коефіцієнт дифузії електронів, Lp - дифузійна довжина дірок, а також використані позначення

W0=(20kT/q2(Nd-Na))1/2

та:

, . (13)

Замінивши інтегрування множенням максимального значення підінтегральних функцій на їх "напівширину", замість (12) можна записати [5]:

. (14)

Розрахунки за формулою (14) показують, що при реальних значеннях часу життя дірок (1010 -1011 с) і швидкості поверхневої рекомбінації 107 см/с спектральні криві, для різної концентрації нескомпенсованих домішок NdNa, досить сильно відрізняються між собою. У міру збільшення NdNa фоточутливість діода в короткохвильовій області зростає, оскільки збільшується напруженість електричного поля, що стримує поверхневу рекомбінацію. Водночас, зі збільшенням NdNa помітно зменшується чутливість у довгохвильовій області 600-700 нм, що пояснюється потоншенням збідненого шару - найактивнішої області фотодіодної структури. Коли NdNa змінюється в межах 1015-1017 см3, форма розрахованих спектральних залежностей в основних рисах відтворює експериментальні криві для тонкоплівкових Au/CdTe діодів але тільки в області 400-450 нм. Спостережуваний спад у короткохвильовій області формула (14) не описує. Результати розрахунків узгоджуються також з виміряними спектрами фоточутливості тонкоплівкової гетероструктури, але з урахуванням поглинання шаром CdS.

Спад в короткохвильовій області в спектрах Au/CdTe тонкоплівкових діодів пояснюється впливом ефекту Шотткі, що призводить до виникнення біля поверхні напівпровідника шару, в якому електричне поле діє в напрямку, протилежному до поля в решті збідненого шару (аналогічно до фотодіодних структур на інших напівпровідниках). Товщина цього шару залежить від напруженості електричного поля, яка, в свою чергу, залежить від висоти бар'єру і концентрації некомпенсованих домішок. Введення деякої "ефективної" товщини цього шару do, доповнення (14) множником exp(- do), а також нехтування поверхневою рекомбінацією, дає:

. (15)

Розрахунки за формулою (15) показують, що врахування ефекту Шотткі пояснює різкий спад фоточутливості діода в короткохвильовій області <400 нм. Поступовий спад чутливості при збільшенні на ділянці 450 нм (штрихові лінії) пояснюється тим, що при високій концентрації некомпенсованих донорів збіднений шар є занадто вузьким. Через це помітна частка довгохвильового випромінювання поглинається поза збідненим шаром і при малій дифузійній довжині дірок (~0,01 мкм при p=109 с, Dp=2 см 2/(Вс)) фотогенерований заряд збирається неефективно.

Знання спектрального розподілу сонячного опромінення та фоточутливості фотовольтаїчної структури дозволяє розрахувати густину струму короткого замикання сонячного елемента:

, (16)

де K(i) - коефіцієнт пропускання шарів, що передують поглинаючому шару CdTe (з урахуванням відбивання від меж поділу), i(i)i/hvi - число фотонів в інтервалі i . Розрахунки Jsc для умов опромінення АМ 1.5 в інтервалі Na - Nd =1014-1017 см3 при швидкості поверхневої рекомбінації S = 107 см/с і часі життя носіїв = 109-106 с показали, що ефективне збирання заряду, генерованого сонячним випромінювання, досягається за умови, що час життя носіїв перевищує 108 с, а концентрація некомпенсованих домішок є більшою за 1016 см3. Високої ефективності фотоелектричного перетворення можна досягнути за рахунок збільшення дифузійної компоненти, для чого час життя носіїв заряду повинен бути більшим ~ 106 с.

Основні результати і висновки

Результати проведених досліджень фізичних процесів, що визначають параметри та характеристики фотовольтаїчних діодних структур на основі CdTe, зводяться до таких найважливіших положень і висновків:

1. Доведено, що подібно до CdTe діодних структур на основі монокристалів, вольт-амперні характеристики тонкоплівкових Au/CdTe структур на металевій підкладинці добре узгоджуються з теорією генерації-рекомбінації Саа-Нойса-Шоклі зі врахуванням особливостей процесів у діоді Шотткі. Розходження експериментальної та теоретичної кривих при значних прямих напругах зумовлене внеском надбар'єрного струму в рамках моделі дифузійного, а не діодного наближення.

2. Виявлена особливість механізму переносу заряду в тонкоплівковому n-CdS/p-CdTe гетеропереході, яка полягає у відсутності надбар'єрного струму основних носіїв при підвищених напругах і пояснюється значною висотою потенціального бар'єру для дірок. У доповнення до генерації-рекомбінації у збідненому шарі стає суттєвим надбар'єрне проходження неосновних носіїв заряду, для яких потенціальний бар'єр нижчий.

3. Особливість процесу компенсації провідності поглинаючого шару CdTe полягає у тому, що концентрація некомпенсованих акцепторів NaNd, яка визначає ширину області просторового заряду, залишається високою у порівнянні з концентрацією вільних дірок, яка визначає питомий опір матеріалу. Для запобігання електричних втрат в тонкоплівковій діодній структурі питомий опір поглинаючого шару не повинен перевищувати (2,5-5)103 Омсм, а рівень Фермі не повинен заходити вглиб забороненої зона далі, ніж 0,3-0,35 еВ, для чого необхідне легування матеріалу домішкою з енергією іонізації, меншою за ~0,1-0,15 еВ.

4. Результати фотоелектричних досліджень, проведених двома незалежними методами, доводять, що концентрація некомпенсованих акцепторів у шарі CdTe тонкоплівкової CdS/CdTe гетероструктури зазвичай складає (1-3)1016 см-3, що практично виключає втрати, зумовлені поверхневою рекомбінацією. Для діодів, виготовлених на монокристалах CdTe, концентрація некомпенсованих домішок може бути значно нижчою, і тоді поверхнева рекомбінація подавляє фоточутливість діодної структури.

5. Показано, що у напівпровіднику з оптимальною для поглинання оптичного випромінювання концентрацією некомпенсованих домішок (1014-1015 см-3) рекомбінаційні втрати в області просторового заряду усуваються, якщо час життя носіїв заряду перевищує 10-8-10-7 с.

6. Доведено, що спектри чутливості CdTe фотовольтаїчних структур різного типу знаходять кількісне описання в рамках моделі з урахуванням дрейфової та дифузійної складових фотоструму, а також поверхневої рекомбінації носіїв заряду. Спад на короткохвильовій (450 нм) ділянці спектрів фоточутливості тонкоплівкових Au/n-CdTe діодів пояснено врахуванням впливу ефекту Шотткі.

7. Показано, що практично повне збирання заряду в фотовольтаїчній структурі на основі CdTe відбувається за умови, що час життя носіїв заряду і концентрація некомпенсованих акцепторів перевищує ~ 106 с та 1016-1017 см 3, відповідно. При цьому густина струму короткого замикання наближається до максимально можливого значення (29,2 мА/см 2 для умов сонячного опромінення АМ 1.5), а коефіцієнт корисної дії - до 25% (при наявності антивідбиваючого покриття). У реальній тонкоплівковій CdS/CdTe гетероструктурі оптичні втрати, зумовлені відбиванням і поглинанням, можуть складати 25-30%.

Список цитованої літератури

1. C. Sah, R. Noyce, W. Shockley. Carrier generation and recombination in p_n-junction and p-n-junctions characteristics // Proc. IRE. - 1957. -Vol. 45, №9. - P. 1228-1243.

2. Л.А. Косяченко, В.П. Махний, И.В. Потыкевич. Генерация-рекомбинация в области пространственного заряда контакта металл-CdTe // УФЖ. - 1978. - 23, №2. - C. 279-286.

3. K. Hecht. Zum Mechanismus des lichtelektrischen Primдrstromes in isolierenden Kristallen // Zeits. Phys. - 1932. - 77. - P. 235-243.

4. Lavagna M., Pique J.P., Marfaing Y. Theoretical analysis of the quantum photoelectric yield in Schottky diodes // Solid State Electron. -1977. - 20. - P. 235-240.

5. L.A. Kosyachenko, V.M. Sklyarchuk, Ye.F. Sklyarchuk, K.S. Ulyanitsky. Surface-barrier p-CdTe-based photodiodes // Semicond. Sci. Technol. - 1999. - 14. - P. 373-377.

Основні результати дисертаційної роботи викладені в таких публікаціях

1. Л.А. Косяченко, С.Ю. Паранчич, Ю.В. Танасюк, В.М. Склярчук, Е.Ф. Склярчук, Е.Л. Маслянчук, В.В. Мотущук. Генерационно-рекомбинационные центры в CdTe:V // ФТП. - 2003. - 37, №4. - С.469-472.

2. Kosyachenko L.A., Maslyanchuk O.L., Motushchuk V.V., Sklyarchuk V.M. Charge transport generation-recombination mechanism in Au /n-CdZnTe diodes // Solar Energy Materials & Solar Cells. - 2004. - 82. - P.65-73.

3. Л.А. Косяченко, X. Mathew, В.В. Мотущук, В.М. Склярчук. Генерационно-рекомбинационный механизм переноса заряда в тонкопленочном гетеропереходе CdS/CdTe // ФТП. - 2005. - 39, №5. - С.569-572.

4. Л.А. Косяченко, В.В. Мотущук, В.М. Склярчук, Хав'єр Метью. Спектральна фоточутливість тонкоплівкової Au/CdTe діодної структури // Науковий вісник Чернівецького університету. - 2005. 237. Фізика. Електроніка. - С. 19-24.

5. L.A. Kosyachenko, O.L. Maslyanchuk, V.V. Motushchuk, V.M. Sklyarchuk, X. Mathew. Generation-recombination mechanism of charge transport in Au /n-CdZnTe diodes. // Abstracts of XII International Materials Research Congress. Symposium 10 Solar Cells & Solar Energy Materials., - Cancъn, Mйxico, 2003. - Р.22-10.

6. В. Мотущук. Механізм переносу заряду в діодах Шотткі на основі монокристалічного та полікристалічного CdTe // Збірник тез Міжнародної конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики "Еврика 2004". - Львів, Україна, 2004. - С.76-77.

7. L.A. Kosyachenko, X. Mathew, V.V. Motushchuk, V.M. Sklyarchuk. Spectral response of Au/CdTe solar cells // Abstracts of XIII International Materials Research Congress. Symposium 4 Solar Cells & Solar Energy Materials. - Cancъn, Mйxico, 2004. - Р.33.

8. Л.А. Косяченко, X. Mathew, В.В. Мотущук, В.М. Склярчук. Електричні та фотоелектричні властивості тонкоплівкових Au-CdTe діодів. Тези доповідей. Том 2. Стендові доповіді. ІІ Українська наукова конференція з фізики напівпровідників (за участю зарубіжних науковців) УНКФН-2. - Чернівці-Вижниця, Україна, 2004. - С.438.

9. L.A. Kosyachenko, V.V. Motushchuk, V.M. Sklyarchuk, O.F. Sklyarchuk, X. Mathew. Electrical Transport Properties of Au-CdTe Thin-Film Solar Cells on Metal Substrate. Abstracts of International Conference on Polycrystalline Semiconductors "POLYSE 2004". -Potsdam, Germany, 2004. - P. 2.18.

10. L.A. Kosyachenko, E.V. Grushko, V.V. Motushchuk, V.M. Sklyarchuk. Charge transport mechanism in thin-film CdS/CdTe photovoltaic devices. Abstracts of XXXIV International School on the Physics of Semiconducting Compounds Jaszowiec 2005. - Ustron- Jaszowiec, Poland, 2005. - P. 62.

11. Володимир Мотущук, Євген Грушко. Нова модель пояснення спектральної чутливості тонкоплівкового сонячного елемента на основі CdTe // Збірник тез Міжнародної конференції студентів і молодих вчених з теоретичної й експериментальної фізики "Еврика 2005". - Львів, Україна, 2005. - С. 92-93.

Размещено на Allbest.ru

...