2.2.5. Вольт-амперные характеристики элементов с гомогенным переходом при различных механизмах переноса носителей заряда

В солнечных элементах процесс переноса носителей заряда в большей или меньшей степени зависит также от ряда других факторов, таких, например, как последовательное и шунтирующее сопротивления, изменение механизма переноса при высоких прямых напряжениях смещения, распределение концентрации легирующей примеси (введенной диффузионным способом) и краевых эффектов.

Последовательное сопротивление определяется объемным удельным сопротивлением слоев, входящих в структуру элемента, и контактным сопротивлением. При сопротивлением обедненного слоя с достаточной степенью точности можно пренебречь. В большинстве случаев эквивалентную электрическую схему элемента представляют в виде цепи с сосредоточенными сопротивлениями (рис. 2.12), а его вольт-амперную характеристику записывают в виде

где - последовательное и - шунтирующее сопротивления. Отсюда видно, что влияние на вольт-амперную характеристику наиболее значительно при сильных токах (и высоких напряжениях смещения), тогда как влияние - при низких напряжениях, когда ток, протекающий через переход, мал по сравнению с шунтирующим током.

Полный ток, проходящий через элемент, представляет собой сумму диффузионной, рекомбинационно-генерационной и шунтирующей составляющих, которые обычно рассматривают независимо друг от друга. Диффузионный ток, прямо пропорциональный , преобладает в полупроводниках с малой шириной запрещенной зоны и при больших обратных напряжениях смещения, в то время как рекомбинационно-генерационная составляющая играет наиболее важную роль в широкозонных полупроводниках и при малых напряжениях. На рис. 2.13 представлены темновые вольт-амперные характеристики идеализированного гомогенного перехода в при различных механизмах протекания тока.

Как правило, довольно трудно экспериментальным путем разделить шунтирующий и рекомбинационно-генерационный токи, поскольку коэффициент

Рис. 2.12. Эквивалентная электрическая схема диода с последовательным и шунтирующим сопротивлениями

Рис. 2.13. Зависимости плотности тока от напряжения смещения V для диода с обычным гомогенным переходом: 1 и 2 — диффузионная составляющая соответственно при прямом и обратном напряжениях смещения; 3 к 4 - рекомбинационно-генерационная составляющая при прямом и обратном напряжениях; левая часть кривой 5 характеризует изменение кривой 3 при учете шунтирующего сопротивления , правая часть кривой 5 - при учете последовательного сопротивления около кривой 3 указаны значения диодного коэффициента А; для обратных ветвей вольт-амперных характеристик (кривые значения напряжения, указанные на оси абсцисс, следует увеличить в 10 раз

А может изменяться в зависимости от приложенного напряжения. Имеются данные, которые свидетельствуют о том, что происхождение шунтирующих токов связано с такими механизмами, как поверхностная проводимость вследствие рекомбинационно-генерационного процесса или туннелирования носителей заряда по периметру или в области перехода при участии содержащихся здесь дефектов.

При высоких прямых напряжениях смещения обычно преобладает диффузионный ток. Если в квазинейтральной области концентрация инжектированных носителей заряда превышает концентрацию основных носителей, то реализуются условия так называемого высокого уровня инжекции. При сохранении электронейтральности образца положение квазиуровней Ферми при определяется с помощью обычных соотношений. Произведение концентраций носителей заряда

следовательно, граничное условие при теперь имеет вид

Рассуждая таким же образом, как и в 2.2.2, можно показать, что в условиях высокого уровня инжекции коэффициент (рис. 2.13). Следует отметить, что в данном случае активные рекомбинационные центры расположены приблизительно посередине между уровнями (как и

при протекании в диоде рекомбинационно-генерационного тока). В условиях высокого уровня инжекции при наличии рекомбинационных центров, образующих энергетические уровни вблизи середины запрещенной зоны, эффективное время жизни носителей заряда равно большему из двух значений Описание процесса протекания тока усложняется еще тем, что перенос носителей заряда в квазинейтральной области, допустим, -типа проводимости определяется также и диффузией дырок по направлению к обедненному спою. Вследствие этого эффективная диффузионная длина носителей или зависит от координаты. Плотность тока в квазинейтральной области -типа в условиях, приближающихся к высокому уровню инжекции, примерно равна что составляет 5 А/см2 для высококачественного кремния при Такие плотности тока могут быть достигнуты в солнечных элементах, работающих при концентрированном световом потоке. В условиях сильной освещенности становится существенным влияние сопротивления объема квазинейтральных областей и даже обедненного слоя на ток, значение которого под действием этих эффектов уменьшается при большом напряжении смещения. Условия высокого уровня инжекции в гомогенных переходах рассмотрены рядом авторов [Nuss-baum, 1962; Van Vliet, 1966; Giickel e. a., 1977; Lindholm, Fossum, 1977].

Во многих случаях, особенно у тонких элементов, толщина обедненного слоя которых больше ширины диффузионного профиля легирующей примеси, переход не является резким, как это предполагалось ранее, и распределение концентрации примесных атомов описывается дополнительной функцией ошибок (см. 2.2.1). Когда перенос носителей заряда определяется в основном процессами, происходящими в квазинейтральных областях, ни одна из частей вольт-амперной характеристики не претерпевает существенных изменений, если только в структуру элемента не входят сверхтонкие диффузионные слои. При рекомбинационно-генерационном механизме протекания тока получаются несколько иные результаты, причем вольт-амперная характеристика изменяется наиболее значительно в области обратных напряжений смещения. Наблюдается тенденция к переходу от зависимости (свойственной переходам с резкими ступенчатыми распределениями примесей) к V13 (характерной для приборов с линейным профилем распределения легирующей примеси).