Однородность структур для солнечных элементов на основе аморфного гидрогенизированного кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ОДЕССКИЙ ГОСУДАРСЯ'ВИШЛ У.'ИЗЕРСИТЕГ им. И.Я. feEMiKKGBA

'. о .

t Специализированный совет К 068.24.03

I ОД по физико-матеыатитеским наукам

На правах рукописи

кАСЫУ ФАОРС ЭЖЕН

О

СД'ЮРС^ЮСТЬ СТРУКТУР ¡ЗДЯ СЦПЕЧШХ ЭЛВиЕТГОВ НА ОСНОВЕ AiiOPi.XrC ГИДРСГЕИШРСВАГСЮГО КРШИЯ ■

01.01.1С - Физика полупроводников и диэлектриков

. АВТОР Е ФЕP AT . диссертации на соискание учёной стапени . кандидата физико-математических наук .

ОДЕССА - 1994

ЛИ-оертациеи является рукопись. -

Работа выполнена в Одесском государственном университете им. И.И, кечникова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор РоЛзин Яков Овсеевич

официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор.Кив Арнольд Ефимович; кандидат физико-математических наук, доцент Игнатов Александр Ва сильеви-*

Ведущая организация: ''ау-то-исследовательский технологический институт Темп" кинистерства маличостроения; конверсии и воённо--. промышленного комплекса Украины,, г. Сдесса ■

Защита состоится " ЬО " /^({Х^ 1994 г. часов

на заседании- специализированного совета, шифр К CG8.24.C3, по физико-математическим наукам (физика) в Одесском государственном университете им. И.И. 'Мечникова <270100., г. Одесса, ул. Ластера, 2?; Большая физическая аудитория).

■ о . •

С диссертацией можно ознакомиться в нау^н^Я библиотеке

Сдосского государственного университета иы. И,И. Мечникова. • • •

Автореферат разослан "-¿5 " А'Ж^п д 1994 г.

' Учёный-секретарь специализированного совета, кандидат физико-математические наук, доцент , • • - М* «вДЧУ?

ьБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы ■

Истощение ископаемых пнергоресурсов и нарастающие трудное--решения эк логических проблем энергетики требуют.поиска но-х,. нетрадиционных методов получения энергии. Наиболее прив-кятелы'ым ни< благодаря своей ■экологической чистоте, ши-¡кой доступности и относительней дешевизне является.фотоэле-рический метод преобразования солнечной энергии. Как извест->, спектр солнечного излучения'близок к излучения абсолютно ¡рного .тела, нагретого'до 5801 К, что значительно выше темле-яуры среды, при которой это излучение используется. Это оз-ыает, что предельный коэффициент полезного действия солнечно преобразователя может приближаться к 100%. Одними из наглее перспективных фотопреобра'ъователей являются солнечные ларей на основе аморфного гидрировагаого кремния (i-Si-H) . гот матерг л имеет низ куп стоимость и может быть сформирован 1 больших по площади подложках, /

В то ¿фёмя как физические процессы в солнечных преобразо-ггелях на основе.кристаллического кремгая изучены достаточно элчо, свойства аналогичных по своему функциональному назначе-ю структур на исследованы недостаточно * ■ В частнос-

{, не проводились систематические исследования однородности эточувствительных структур на основе а:5<:Н по площади. Не-зстаточ'но изучена стабильность-преобразователей на основе ги-рогенизированного кремния к различным внешним воздействиям, то же время солнечные ълеметы на основе a-Bi-H зачастую ' зботают в' экстремаль-'ых условиях. При работе с концентратора-и солнечной энергии на них падают мощные световые потоки, ри работе в составе устройств, функционирующих в космическом ространстве, они подвергаются воздействию ионизирующей ради-ции.-Указанные обстоятельства делают актуальными проблемы зучения однородности электрофизических свойств солнечных полу-роводнкковых элементов на основе л-Si-H по площади и ана- . из их устойчивости к деградационным воздействиям. Эти пробле-ы'должны изучаться в комплексе, так как при деградационных оздействиях изменяются 'и параметры, характеризующие однород-ость. . •

Выяснение механизмов деградационных кзыень"ил важны, с одной стороны, для совершенствования технологии промышленных солнечных члементов, а с другой стороны для развития представлений о фундаментальных' физических '-процессах в некристаллических твердых телах, к которым относится а^г-Н , в частности, для выяснения природы дефектов, определяющих их физические свойства.

Цель работы - исследование исходной однородности пираыет-оров солнечных преобразователей на основе аморфного гидрогени-зированного кремнкя по площади и анализ характера изменения свойста приборных структур при мощных световых и радиационных ' воздействиях.

Для достижения поставленной цели ставились следующие основные задачи:

1. Разработать устройства со. сканируэщими зондами и методики соответствующих исследований для. проведения контроля однородности солнечных преобразователей по площади.'

2. Исследовагь однородность по площади р-1-п структур на основе аморфного кремния приборного' качества, из которых изготавливаются солнечные элементы. ' . .

3. Исследовать процессы, происходящие-в структурах на основе ■■■! в частности, при мощных световых, (терморадаа-ционных) и радиационных воздействиях.

' • ' 4, Достроить физические модели,.объясняющие особенности процессов, которые происходят в р-Г-п структурах на основе

при внешних воздействиях, Лроаналмзировать причины изменения однородности основных параметров по площади,.'

Научная новизна работы состоит в следующем:

• .. ' I. Впервые с помощь» оригинальных сканирую^ ртутных и фотоаоцдов'проведены-систематические исследования однородности основных параметров солнечных преобразователей на осноге

по' площади и проведена классификация дефектов в структура* Не. основе А-бс-Н ; ,На квазиоднородном фоне выявлено три/ типа дефектов, которые отличаются соотношением-величины

. тока короткого / замыкания 1'к) и напряжения холостого хода и„ и особенностями спектральных характеристик фотоответа.

2. Изучена терморадиационная стабильность солнечных ^ле-. ментов при мощных.световых воздействиях «а области собствен- . ного поглощения. Обнаружены -эффекты, связанные.о локальной , эффузией водорода и приводящие к- фбриирсват'/э дополнительных .каналов локальной утечки, токоперенос в которых сопровождается мощными шумами со спектром тила •

, ; .3. ибкаруже!-:а корреляция между поверхностными свойствами р-1-п структур на основе а-й-Н и наличием дефектов в активной области. Дефекты," расположенные в 1-слое (микротрещины, поры, области нестехиометрии по водороду), выходят на по-

• Берхность р-1-п структур и проявляотся. в экспериментах по сканированию ртутными зондами.

1. Лроанадизированы деградациог!ные явления в структурах на &-5<:Н при . -облучении. Определен порог радиационной устойчивости- (от 5*10^до Х'Ю^рад). На фоне уменьшения средних 'значений и„ и 1кэ обнаружено повышение однородности зтих параметров по площади.

5.. Разработан; ряд оригинальных методик измерения однородности, на основе использования установок со сканирующими ртутными и световыми зондами, в. частности, системы, в которых со-вывцоны функции ртутных и лазерных зондов.

Практическая ценность работы

'■■■■■ Результаты по изучении радиационной и терлорадиационной-

• стабильности могут быть использованы при разработке новых типов солнечных элемен^в..-

Разработанные в диссертации методики измерений и аппаратура апробированы на различных фоточувствительных структурах и могут быть о успехом использованы как при конструировании солнеч!ШХ фотопреобразователей, так и для.прогнозирования их надежности и стабильности. ' ' ' ; • . . •

Научные положения. выносимые на ланиту: I. В фоточувстэительных р-1-п - структурах на основе

л-БгН шеется три тида неоднородчостей по площади, отличающих-, ся соотношением токов- короткого замыкания 1кэ и напряжений холостого хода и„ .

2. Деградациочн.ые изменен!'-:, происходящие при тернорадиа-ционных воздействиях в р-1-л структурах на основе ь-Е^Н связаны с локальной эффузией -водорода. Эффузия всдорода приводит н образованна дополнительных каналов утечки, токоперенос в кот •торых сопровождается шумами типа .

3. Существует корреляция между свойствами внешней поверхности р-1-п структур иа основе и наличием дефектов в.акти£::ой области.

4. Однородность иад.и 1кз солнечных элементов иа основе. &-&--Н при ^ -воздбйствиях повышается (на фоне ухудшения средних значений этих параметров по площади).

Апробация работы

Результаты работы докладывались на международных научных конференциях (Италия - 1993, Германия - 1992),-а также на на-, учкых семинарах в Институте Физики АН Украины (г. Киев), Одесском государственном университете им. И.И. Мечникова и Одесском педагогическом институте им. К.Д. Ушинского.

Публикации . . ■

• Основные результаты диссертационной работы изложены в двух статья-* в республиканском межведомственном научном сборнике "5отоэлектроника" и в тезисах докладов международной конференции в. Италии. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура >. объем диссертации.

..Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа содержит два приложения с распечатками программ, использовавшихся при обработке результатов измерений. Тгяст диссертации изложен на ИЗ страницах, в том чис .ле 31 рисунок и три таблица. Список литературы состоит из 57 наименований.

ЗСДЕРКАШЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывамся актуальность темы Диссертации, формулируются - цели проводимых исследований, анализируется науч-. ная и практическая'значимость изучения фотопреобразователей на • а-Э^Н . Соде^латся также данные о современном состоянии исследуемой проблемы, сведения о научном заделе лаборатории, где проводились исследования, кратко характеризуется структура диссертации;

Лервая глава посвящена обзору технологии получения аморфного гидрогенизированного кремния приборного качества и анализу особенностей его структуры л .плектрот-ых свойств, ¿дормули-рова:-!Ы основные требования к тонкоплечочным элементам, которым они должны удовлетворять для эффективного преобразования солнечной энергии в -»л.ектрическуэ, Указывается, что независимо от метода получения в готовом материале пркбор!:ого качества всегда существует большое количество структурных дефектов типа ии-кротрещин, полостей, локальных отклонений, от стехиометрии сос-тапа. .Аналигиру-отся причины возникноветя дефектов. Гассыатрм-' вазтел особенности свойств пленок аморфного гидрогенизированного кремния,- связанные с присутствием в них водорода, приводятся и анализируется литературные данные о спектра*. плектрон-ных состояний в щели лодвйжно.сти а-&'Н . -

Анализируется конструкции фотопреобразователей на основе й, -5'1:Н . Огагсываотся Методы получения'солнечных элементов. В параграфе,; посвящешом собственно фотоэлектрическим приборам на основе а-Э^Н . особое внимание уделяется проблема тивности преобразования солнеччой. чнергии и путям ловиаения коэффициента, этого преобразования. Подробно описаны физические ограничения при использовании'г^-б^Н , в солнечных батареях.

Во второй главе оллсыва.отся использовавшиеся при исследованиях образцы, приводится описании применявшихся методик ш- . следования и аппаратуры. Основной объем ^исследований выполнен на р-1-д . структурах на основе а-& М ." гфориирсвагголс на ;ю-крытых прозрачным лроводящим слоем стеклянные лодлзкках. Измерялись также-аналогичные структуры на стеклянных.подложках с непрозрачны! нИя-тм-злектродом и .на подложках из ыонскрис- •

- d -

таллического кремния, Лленки &-Si:H получались реакцией разложения силача в ЗЧ-ра-фяде и легировались в процессе получения, для апробации ■ разработанных методик исследования применялись также фото-»увстеитёльные структуры из ¿юнокристалличес-:. кого и поликристал'лического .кремния. •

■ Особое внимание в главе уделяется описание йслользовапаих-ся при измерениях ртутных зондов различней конструкции, подчеркивается, что на. практике для каздой конкретной зада^... приходилось изготавливать специальные зонды, .цана классификация; зондов по конструкции ь зависимости от принципа формирования ртут-■ ного контакт. Анализируются особе'шости оригиналыих зондов, разработанных в ходе выполнения работы. В частности, для иссле^ дояания однородности параметров солнеч'их элементов на основе '• аморфного гидрированного'кремния был разработан и изготовлен ртутный фотозонд специальчгй конструкции, который сочетает г. себе преимущества светового (лазерного) зонда и сканирующего ртутного зонда. Такой ¿оид позволил проводить из^зрения фотоответа ка непрозрачных подложках в режиме непрерывного сканирования исследуемой поверхности. иодребно рассмотрены устройство указанного зонда и особенности работы с ним.

Списывается разработанная в ходе выполнения работы автоматическая установка, предназначенная для исследования спектральных характеристик фотоэлектрических преобразователей на осноЕе

¿•Si-H .., работающая в автоматическом режиме, цодройно анали- ' зируется методика обработки Экспериментальных данных по анализу спектров оптического поглощения пленок a.-Si■ Н (учет интер-ференционшх эффектов). Соответствуощая'программа, написанная нь языке "BASIS", приведена в приложении I. i

Заключительная часть второй главы диссертации посвящена описанию установки ;ля измерения шумов в структурах на основе a-Si''H !Эта методика исаользуется в работе для анализа фи-з.. «еских процессов б каналах локальной утечки» Результаты измерения шумов также обрабатывались на ЭВк и выдавались на пе-чатгящем устройстве в виде таблиц и графиков. Соответствующая программа приведена ь Приложении 2.

В третьей главе приводятся и интерпретируются результаты измерений однородности параметров:солнечных элементов на ос-

*ове аморфного гидрированного кремния по площади. Исследованы ^однородности напряжения холостого хода и тока короткого замыкания. Проведена классификация неоднородностей, существующих в исходных структурах и возникающих в результате деграда-дионных изменений при моирта световых воздействиях. Лнализи-руэТси свойства р-1-п структур после таких воздействий.

■Результаты йилерегай представлены в виде толограмм, на которых можно выделить ряд особенностей. Прежде всего, это места покальчых каналов утечки, где напряжение холостого хода падает почти-к нулевому значени'о^ а ток короткого замыкания значительно ниже среднего по образцу значения. Другой особенностью, которую мОлно выделить на томограммах однородности, являотся области с пониженными по 'сравнения со средними значениями величинами Хк^. доказателен тот "¿акт, что 'относительные изменения. напряжения холостого хода значительно меньше'относительных изменений тока -короткого замыкания. Указанная закономерность связывается в; работе с флуктуациями котгцентраций рекоыбичациоиных центрср в объеме планки аморфного гидрированного кремния, что подтверждается экспериментами по терморадиационному отжигу р-1-п структур при воздействии концентрированного солнечного излучения. '

Исследования спектральных характеристик солнечных элементов в точках: с повышенными и пониженными по сравнение со средними значениями.токов короткого замыкания не показали систематических 'сдвигов порога фотоэффекта 8 длинноволновую область. Тем не менее, обнаруживались отдельные точки с повышенной чув-ствителыюстьп в длиннро-новой области спектра.

Лри работе солнечного элемента большой площади происходит внутреннее усреднение его локальны:: характеристик,'так что их флуктуации существенно уменьшается. Отдельные участки элементов могут оказаться нагружейными друг на друга, что ведет к понижению коэффициента преобразования всей батареи. Достижение оптимальных значений параметров солнечной батареи возможно лишь при обеспечении высокой однородности р-1-п структур по площади и минимизации числа каналов локальных проводимостей.

С целью деталеьного исследования особенностей коупномаси-табных дефектов с • помощью 'ртутных зондов были _проведены изменения вольт-амперных и нагрузочных характеристик отдельных

участков p-I-п структур. Измерения вольт-амперных характеристик показали, что в завизимо-:ту от режима измерений наблюдаются токи, имеющие инжекционнуо природу и'токи, ограниченные последовательным сопротивлением контактов. На участках сильных флуктуация основных параметров (U„ и 1КЗГ наблюдаются более низкие значения шунтирующих сопротивлений,' более высокие значения ограничивающих сопротивлений каналов и наличие вместо омического участка зависимостей I {• U ) сублинейных^ характе-рисгик. Последнее, видимо, является следствием появления в структуре потенциального рельефа типа встречно включенных бадь еров Шоттки, что подтверждается специфическим видом вольт- фа-радных характеристик на дефектных участках структуры..Частотные измерения емкости и. проводимости р-I-ii структур показали, что в .области частот от 20 Гц до 5С кГц емкость образцов практически постоянна. Они могут рассматриваться как плоские конденсаторы с I-слоем в качестве диэлектрика. При более низких-частотах результирующая емкость системы растет и определяется не размерами металлического контакта, а характерными размерами образца. Яри измерениях спектров диэлектрических потерь регистрируемые зависимости проводимости о от частоты <а удовлетворительно спрямляются р логарифмических координатах. Для интерпретации полученных данных использовалась теория прыжковой проводимости на переменном токе. Проведенный анализ позволил оценить концентрации ловушек до и после светового воздействия. Обнаружено, что после облучения концентрированным солнечным светом (100 Вт/сы2, t =*20 мин.) ллотность ловушек возрастает примерно вдвое. Этот .<*|фект связан с эффузией водорода и образованием дополнительных оборванных связей (реком-. бинационны.с состояний), что отражается на параметрах фотопре- . .образования. .' ' " '.•

В ходе исследований обнаружена корреляция ыееду поверхностными свойствами p-I-д структур на основе a.-Si!H ; и^ свойствами объема p-I-п перехода. Такая'корреляция наблюдается как на исходных структурах, так й на структурах, облученных сфоку п-рован:!Ым солнечным светом. Этот факт свидетельствует о наличии протяженных дефектов типа дислокаций для'поликристаллы-ческого кремния-, либо пор для аморфного гвдрогенизированного крекния, выходящих на поверхность образца. Такие дефекты ве-,

зут к Б'огфастапгэ концентрации ловушек в.¡цели подвижности I-эбласти р-1-л структуры, что приводит к уменьшения .напряжения холостого хода и тока короткого замыкания и, в, конечном итоге, отрицательно влияет га эффективность работы солнечного элемен- ' та. Закт выхода дефектов на поверхность проявляется в,экспериментах по записи заряда на поверхности с помощью сканирующих ртутных зондов. . •* "

Заключительная, четвертая глава посвящена исследовании плиякин радиационных воздействий на свойства солнечных элементов ría основе a-Sí-H . Измерялись нагрузочные характеристики типичного p-L-п элемента с верхним металлическим электродом . диаметром 3 мм в исходном состоянии и' после у -облучения дозами 1'10ьрад, I"1С'рад и 2%1С^рад. полученные даяние позволили оценить пороговые до^ы, при которых начинают проявляться деградационные изменения. Эти до^и находятся в области от 5*1С°рад до I* 1С 'рад. Зледует отметить, что при указанных дозах не наблюдается существенных изменений коэффициента оптического поглощения аморфного кремния, из которого изготовлен солнечный элемент. Заметим также, vrc. радиационные изменения частично отжигаются дате при комнат:-: 1 температуре, но полного восстановления исходных параметров не удалось добиться дане в результате отаигср при повышенных температурах.

.Лолучеиьые результаты объясняются тем, что .энергии у -кванте достаточно для- разрыва основных связей Sí -6* и Si-И в аморфном гидрированном .-кремний с образованием большого числа оборванных связей, кремния. Ионы водорода могут соединяться в молекулы и эффундиро^ат^ из. пленочной структуры. Мощные светоЕые воздействия такке могут поиводить к эффузии водорода. Часть водорода остается возле оборванных Si -связей и образует новые квазкустойОвие состояния, которые являются аффективными центрами рекомбинации электронно-дырочных пар. Лри отжиге происходи обратный процесс, завершающийся частичным восстановлением деградированных структур. Генерация указанных дефектов при % -облучении происходит однородно по всему объему пленки в.отличие-от локальных нарушений при облучении мощным видимый-светом. Это приводит к повышению од. jподмости ^электрических параметров p-I-п структур, естественно, на фоне общего ухудшения нагрузочных кривых. .

- гг. -

в и в о'Д ¿1

1 *

1. Проведена классификации (¡еоднородностей в ^оточувстви-тельных структурах на основе аж . фного кремния. Выделено три типа неоднородностей, отличающихся соотношением 11„ и 1кзи порогом спектральной чувствительности.

2. Исследовано влияние каналов локальной проводимости на характеристики фоточувсгвительных структур.* .

5. Проанализированы факторы, определяющие коэффициента полезного действия фотопреобразователей. Построена эквивалент? нал схема фоточувствительных р-Х-п элементов.

4. Изучены изменения, происходящие в р-3-п структуре на основе г»-8(:Н под действием мощного излучения из области соб-ственнсго поглощения. Даны .оценки изменений концентрации ловушек в активной области.'

5. Показано,, что в р-1-п структурах на основе К* то-кщ: утечки сопутствуют мощный шумы со спектром 1/р , которые увеличиваются при токовых, световых и термических воздействиях и объясняются токопереносом по локальным- каналам утечки.

6. Обнаружены корреляции мевду поверхностными свойствами

и характеристиками объема р-1-п структур. Указанные корреляции свидетельствует о том, что часть дефектов 1-слоя в р-1-п структуре выходит на поверхность солнечного элемента,

7. Проведены систематические исследования радиационной стабильности р-1-п фотопреобразователей на"основе аморфного гидрогенизированного кремния под Действием у -излучения. . Определено, что предельная допустимая доза облучения составляет от 5*1и^рад до.I'Ю*7 рад. На фоне общего ухудшения.нагрузочных кривых обнаружено повышение однородности иы и 1кэ после облучения. * :

8. Построены физические модели, объясняющие характер ' : радиационных изменений в структурах яа основе ¿\-Sr-H под . действием света из области собственного поглощения и под действием ^ -излучения. Интерпретированы наблюдавшиеся изменения параметров фотоэлементов- по площади.

9. Разработана оригинальные методики контроля однородное?-

ти фоточувствительности планарных солнечных преобразователей по площади, специальные ртутно-световые сканирующие зонды и контактные устройства. Разработанные приборы и методики апробированы на солнечных элементах различного типа.

■¡ШШШЧЩ до ТШБ ДИССЕРТАЦИИ-

1. Rolzin УО., Мьогпоц F.E., SoloshenUo V.I., SviridovM. Ikhomo^eneiiies '

of photosensitive i>-Si;H based structures//International conference "From Galileo's occUblmo io optoelectronics: frontiers of opiic&l systems an J

ma.-teri&U"(p^0VA.June ЭМ2,1932,IWy). - Ыоу*.--092.

2. Дойчо И.К.', Ыаому Ф.Э., РоЯзин Я.О". Влияние жесткого облучения на свойства солнечных батарей на основе аморфного гидрированного кремния// Фотоэлектроника.-1993.- Вып. б.

3. Лелеченко В.П., Маому'Ф.Э., Ройзин Я.О. Неоднородности параметров солнечных элементов на основе гидрированного кремния по площади// Фотоэлектроника.-Ï993,-Вып. б.-

Подп.к печати 17.03.94г.'Формат 60x84 1/16. 0б"ем 0,5уч.ивд.л. 0,75п.л? Заказ №*305. Тираж 60экз. Гортипография Одесского управления по печати,цех$3. Ленина 49.