Elektronika 2011-06 II.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

w paśmie przewodnictwa i dziur w paśmie walencyjnym. Jednocześniewystępuje proces rekombinacji z prędkością R r(x),który powoduje, że część elektronów przechodzi z powrotemdo pasma walencyjnego. Warunkiem otrzymania prądu z ogniwajest więc spełnienie zależności: G(x) − Rr(x) > 0(11)Prędkość generacji G(x) jest funkcją zależną od α i x zgodnieze wzorem [17]:∞ G( x) = α( λ) N ( λ) [ 1 R ( λ)] exp[ α( λ)x]dλ(12)∫ ph−ref−0Czas życia τ wygenerowanych nośników ładunku bezpośredniozwiązany z długością drogi dyfuzji zależnością (4), w krzemiestosowanym w fotowoltaice jest rzędu kilkudziesięciuµs i w porównaniu z czasem życia dla krzemu o najwyższejjakości elektronicznej, mogącym wynosić i ponad milisekundę,jest bardzo mały. Wynika to z rachunku ekonomicznego,uwzględniającego redukcję kosztów wytwarzania krzemu dlasektora PV, co wpływa na zdefektowanie struktury krystalicznejSi i poziom zanieczyszczeń. Wartość τ jest zależna odczasu życia nośników w wyniku procesu rekombinacji promienistej– τ rad, rekombinacji Augera – τ Augeri rekombinacji poprzezpułapkowanie – τ trap, zgodnie ze wzorem [46]:1 1 1 1 = + +(13)τ τ τ τradAugerDla domieszki do Si mniejszej od wartości 10 17 atom/cm 3 rekombinacjapromienista nie odgrywa istotnej roli. Rekombinacjapoprzez pułapkowanie jest zdeterminowana przez poziomzanieczyszczeń wynikający z procesu technologicznego czyjakości krzemu i na ogół czas życia nośników związany z jejistnieniem waha się w przedziale 10 -3 –10 -6 s. Decydująceznaczenie przy koncentracji domieszki powyżej wartości 10 18atom/cm 3 dla czasu życia nośników ma rekombinacja Augera,powodująca liniowy spadek τ Augerdo wartości 10 -10 s dlakoncentracji domieszki 10 20 atom/cm 3 [16]. Zależność czasużycia nośników ładunku, czy też proporcjonalnej do niego długościdrogi dyfuzji od koncentracji domieszki do Si jest jednymz podstawowych zagadnień w technologii grubowarstwowejwytwarzania krystalicznych, krzemowych ogniw słonecznych.Krzemowe ogniwa słoneczne wytwarzane są na krzemietypu p o koncentracji domieszki akceptorowej N Awynoszącej1,513 × 10 16 atom/cm 3 , co odpowiada rezystywności materiałubazy 1 Ωcm. Dla N Ao malejącej wartości od podanej powyżejuzyskuje się mniejsze napięcie V ocogniwa, natomiast dla N Ao wartości rzędu 10 17 atom/cm 3 i wyższej następuje spadekτ spowodowany głównie rekombinacją Augera co implikujespadek zarówno I scjak i V oc. Domieszkowany donorowo obszartypu n o głębokość około 0,4 µm ma charakter gradientowyo koncentracji domieszki w obszarze przypowierzchniowym~ 10 22 atom/cm 3 . Rezystancja powierzchniowa R ρtegoobszaru dla typowego ogniwa jest na poziomie 40….50 Ω/□,co nie powoduje problemów z wytworzeniem pomiędzy nima elektrodą przednią kontaktu omowego o niskiej wartości rezystancjiwłaściwej ~ 3 mΩcm. Dla malejącej wartości R ρogniwobędzie posiadało mniejszą wartość I sc, natomiast dla R ρna poziomie 60...80 Ω/□ występują problemy technologicznez właściwą metalizacją kontaktu elektrody przedniej. Problemten jest często rozwiązywany poprzez konstrukcję emitera selektywnegoogniwa słonecznego, polegającą na wytworzeniutrapobszaru o R ρo wartości np. 30 Ω/□ bezpośrednio pod ścieżkamielektrody przedniej a obszarem o R ρ~ 100 Ω/□ pomiędzytymi ścieżkami.Ogniwa słoneczne różnią się od innych przyrządów elektronowychznacznie większą wielkością powierzchni co powoduje,że jej wpływ na parametry ogniwa jest niezwykle istotny.Zerwanie periodyczności kryształu na powierzchni i istnienieniewysyconych wiązań wywołuje pojawienie się dodatkowychakceptorowych poziomów energetycznych zlokalizowanychw przerwie energetycznej krzemu. Na rzeczywistejpowierzchni Si, pokrytej cienką warstwą tlenku naturalnego,mogą znajdować się zarówno stany akceptorowe, donorowei pułapkowe. Wpływ powierzchni na kinetykę procesów elektronowychopisuje się wielkością zwaną prędkością rekombinacjipowierzchniowej S, zdefiniowaną jako [47]: JrS = = σ(14)rυrNrq⋅Δnegdzie: J r– gęstość prądu elektronowego lub dziurowego dopływającegodo powierzchni dla podtrzymania stanu ustalonegow którym koncentracja nadmiarowych nośników ładunku w objętościwynosi Δn e, N r– liczba centrów rekombinacji na jednostkępowierzchni, σ r– przekrój czynny wychwytywania nośnikówładunku, υ r– prędkość termiczna nośników ładunku.Proces rekombinacji powierzchniowej zachodzący poprzezdefekty opisuje teoria Shockleya – Reada – Halla.Zgodnie z nią prędkość rekombinacji będzie wzrastała wrazze wzrostem gęstości centrów rekombinacyjnych N rlub koncentracjąwolnych nośników ładunku na powierzchni [48].Wzrost rekombinacji powierzchniowej wpływa bezpośredniona wzrost prądu I r, powodując spadek napięcia i prądumożliwego do uzyskania z ogniwa [49]. Z tego powodu napowierzchni Si wytwarza się cienkie warstwy związków,z których atomy łącząc się z powierzchniowymi atomami półprzewodnikauzupełniają ich niekompletne wiązania, czylipasywują powierzchnię. W praktyce pasywację powierzchnirealizuje się poprzez utlenianie powierzchni płytki krzemuw suchym tlenie w temperaturze w zakresie 800…1100 o C lubpoprzez pokrycie jej warstwą uwodornionego azotku krzemumetodą wspomaganego plazmowo osadzania z fazy gazowej(PECVD). Warstwa H:Si xN yobok właściwości pasywującychi ochronnych powierzchni Si ma dodatkowo tę zaletę, że podczaswysokotemperaturowego procesu metalizacji elektrodyprzedniej, uwolnione z warstwy atomy wodoru pasywują takżemateriał w całej jego objętości, co ma decydujące znaczeniew przypadku ogniw mc-Si [50]. Naniesiona metodą PECVDwarstwa azotku krzemu pozwala nie tylko na pasywację powierzchniSi ale jednocześnie spełnia rolę warstwy antyrefleksyjnej.Warstwa H:Si xN yz racji powinowactwa elektronowegojest odpowiednia dla Si typu n. W przypadku powierzchni nakrzemie typu p bardziej odpowiednia jest warstwa Al 2O 3, którajest nanoszona metodą osadzania warstw atomowych ALD(Atomic Layer Deposition).Tab. 9. Warstwy pasywujące używane w technologii wytwarzaniakrzemowych ogniw słonecznych i wartości prędkości rekombinacjipowierzchniowej (SRV) uzyskiwane w wyniku ich zastosowaniaRodzaj warstwyMetodananoszeniaSRV[cm/s]SiO 2Termiczna 90 [51]Si xN y:H PECVD 10 [52]Al 2O 3ALD 70 [51]a-Si:H PECVD 30 [53]Elektronika 6/2011 79