Солнечные элементы - Марк Михайлович Колтун

отполированных пластин позволяет выделить из спектра источника ультрафиолетовое излучение с длиной волны 0,28 мкм, наиболее полезное для контроля состояния поверхности кремния.

Для этой же цели могут быть использованы также более сложные по конструкции приборы, в которых выделение необходимого спектрального интервала осуществляется с помощью кварцевых призм, дифракционных решеток, параболических и поворотных зеркал.

Оптические измерения имеют и свои ограничения. Так, например, исследование свойств тонких слоев сильнолегированных полупроводников с помощью спектров отражения инфракрасного излучения не может привести к количественным результатам, когда глубина проникновения излучения в материал полупроводника превышает толщину слоев. Это положение подтверждается при исследовании тонких р-n-переходов, полученных бомбардировкой кремния ионами фосфора, являющегося для кремния донорной примесью, приводящей к электронному типу проводимости (исходный кремний был легирован атомами бора, акцепторной примесью, и пластины имели дырочный тип проводимости). Методики, используемые в таких экспериментах, должны включать и электрические измерения для определения профиля концентрации свободных носителей заряда, глубины залегания р-n-перехода и их изменения в процессе отжига и т. д.

Приведем пример подобного комплексного подхода к исследованию тонких легированных слоев в солнечных элементах. В экспериментах одной из групп советских исследователей использовался кремний p-типа с удельным сопротивлением р=1 Ом×см. Тщательно полированная поверхность, ориентированная по (111), подвергалась бомбардировке сепарированным пучком ионов фосфора с энергией 30 кэВ дозой D=6×103 мкКл/см2 для создания на поверхности пластин тонкого слоя n-типа, необходимого при дальнейшем изготовлении солнечного элемента.

Профиль концентрации свободных носителей тока исследовался при последовательном удалении слоев кремния толщиной 160–500 А анодным окислением в 0,04 А-растворе азотнокислого калия в этиленгликоле.

Проводимость удаляемых слоев измерялась четырехзондовым методом. Пересчет к средней концентрации свободных носителей в удаленном слое велся с использованием описанных в литературе методик. Общая глубина легированного слоя оценивалась по методу косого цилиндрического шлифа.

Рис. 2.4. Зависимости концентрации свободных носителей заряда в поверхностном легированном слое кремния, полученном бомбардировкой кремния р-типа ионами фосфора, от расстояния до поверхности

1 — до отжига, доза ионов фосфора 6 × 103 мкКл/см2; 2 — тот же образец после отжига в течение 2 ч при 850o С; 8 — теоретическая кривая, соответствующая диффузии примеси из бесконечного источника, расположенного на расстоянии 0,3 мкм от поверхности; стрелки указывают глубину залегания р-n-перехода

Коэффициенты пропускания и отражения в области 1—25 мкм определялись с помощью инфракрасного спектрофотометра с использованием приставки для измерения коэффициента зеркального отражения.

На рис. 2.4 (кривая 1) представлено полученное сразу после бомбардировки распределение концентрации свободных носителей по глубине легированного слоя. У поверхности образуется относительно широкая область с отрицательным градиентом концентрации, максимум достигается на глубине около 0,12 мкм, после чего концентрация уменьшается до значения, соответствующего исходному кремнию. Ход кривой объясняется специфичностью профиля концентрации внедренных атомов и радиационных дефектов: максимум концентрации сдвинут к поверхности.

Проведенные электронографические исследования поверхности кремния, подвергнутой бомбардировке ионами фосфора, обнаружили аморфизацию кремния вплоть до глубины 0,2 мкм, причем верхний слой толщиной 0,05 мкм из монокристаллического состояния перешел полностью в аморфное. Количественная оценка средней по слою концентрации носителей тока (см. кривую 1 на рис. 2.4) дает значение порядка 1018 см-3, что примерно в 1000 раз меньше средней концентрации введенного фосфора (3×1021 см-1).

Уменьшение количества радиационных дефектов и увеличение концентрации электрически активных внедренных атомов фосфора, как известно, легко достигаются тепловым отжигом образцов: глубина залегания р-n-перехода, как показывает кривая 2 на рис. 2.4, увеличилась до 1 мкм после отжига пластин при 850o G в течение 2 ч. Участок кривой 2 от 0,3 до 1 мкм довольно хорошо описывается уравнением диффузии примеси из бесконечного источника в полуограниченное тело. Интегрирование кривой 2 показало, что в кремний из начального слоя толщиной 0,3 мкм продиффундировало 4,2 % фосфора. По мере приближения к поверхности, так же как и до отжига, наблюдается уменьшение концентрации свободных носителей тока. Электронограммы, полученные при последовательном удалении слоев, показали остаточные нарушения монокристалличности до глубины 0,15 мкм, что подтверждает неполноту отжига, из-за чего концентрация свободных носителей в этом слое не могла стать высокой.

Была сделана попытка исследовать распределение концентрации свободных носителей в легированном слое по изменению коэффициента отражения в инфракрасной области спектра. Коэффициент отражения образцов, не подвергнутых отжигу после ионной бомбардировки, совпадает с коэффициентом отражения нелегированного кремния. В этом случае поверхностная концентрация свободных носителей N≃1018 см-3, однако глубина залегания перехода настолько мала (0,2–0,3 мкм), что легированный слой оказывается в высокой степени прозрачным в окрестности λ=19 мкм. Это говорит о том, что для мелких р-n-переходов (глубина залегания <1 мкм) изменение коэффициента отражения при послойном снятии кремния не передает истинного распределения концентрации свободных носителей в легированном слое, так как значение коэффициента отражения обусловливается не только поверхностными, но и всеми нижележащими слоями с уменьшающейся концентрацией свободных носителей.

Этот вывод, сделанный на основании эксперимента, подтверждается расчетом. После подстановки в соотношение, связывающее показатель и коэффициент поглощения, значений λ=19 мкм и k=4,1 для легированного кремния получим, что глубина проникновения света, на которой плотность потока излучения снижается в е раз, 1/α=0,4 мкм. Если учесть, что в описанных выше экспериментах концентрация свободных носителей в хорошо отожженных легированных слоях составляла 3×1020 см-3 и значение k=4,1 для этих слоев является весьма разумной величиной, подтверждаемой экспериментом, то совпадение расчетных и экспериментальных данных по зависимости прозрачности легированного слоя в инфракрасной области от его толщины следует признать весьма хорошим.

Таким образом, исследование спектров отражения как в инфракрасной, так и в ультрафиолетовой областях, дополненное измерениями электрической проводимости слоев, дает возможность получить информацию об электрофизических и оптических свойствах кристаллов и слоев, используемых в солнечных элементах, в частности, помогает оценить концентрацию свободных носителей заряда, качество обработки поверхности, степень отжига дефектов, параметры зонной структуры, в том числе ширину запрещенной зоны полупроводника и ее температурную зависимость.

Преобразование оптического излучения в электроэнергию в полупроводниковых солнечных элементах

Фотоэлементы, основанные на фотоэффекте в полупроводниковых структурах с р-n-переходами, так называемом