4.3. ДЕФЕКТНОСТЬ, ЛЕГИРОВАНИЕ И ВРЕМЯ ЖИЗНИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА

Эффективность преобразования энергии солнечными элементами решающим образом зависит от концентрации дефектов, влияющих на время жизни неосновных носителей заряда в активных слоях. С ростом увеличивается не только ток короткого замыкания но также напряжение холостого хода вследствие уменьшения обратного тока насыщения Вторым по важности контролируемым параметром является удельное сопротивление.

Дефекты можно разбить на две большие группы: структурные дефекты (дислокации, междоузельные атомы, вакансии, двойники и малоугловые границы зерен) и примеси (чужеродные атомы внедрения или замещения). Часто в результате взаимодействия чужеродных примесей со структурными дефектами образуются дефектные комплексы. Дефекты могут быть как электрически активными, так и электрически неактивными.

Проявление их электрической активности (в качестве донора, или акцептора, или рекомбинационного центра) определяется положением энергетического уровня в запрещенной зоне полупроводника и положением

Рис. 4.8. Измеренные энергии ионизации различных примесей в Энергии доноров Д и акцепторов А отсчитываются от дна зоны проводимости для центров, расположенных выше середины запрещенной зоны, и от потолка валентной зоны для центров, расположенных ниже середины запрещенной зоны

квазиуровня Ферми. Как правило, уровни, расположенные в пределах нескольких от зоны проводимости или валентной зоны, являются эффективными донорами или акцепторами, но не представляют собой рекомбинационные центры. Обратное утверждение справедливо для близких к центру запрещенной зоны, особенно это касается глубоких донорноподобных (акцепторноподобных) состояний в материале -типа (и-типа), являющихся эффективными рекомбинационными центрами, снижающими время жизни носителей заряда. На рис. 4.8 показаны энергетические уровни различных примесей в Детальный обзор по этому вопросу написан Ченом и Милнсом [Chen, Milnes, 1980].

4.3.1. Легирующие примеси

Легирующую примесь для любого полупроводника выбирают исходя из положения ее энергетического уровня в запрещенной зоне, растворимости в полупроводнике и коэффициента диффузии D. При слишком большом значении D атомы примеси подвижны даже при комнатной температуре, что приводит к нестабильности (в 20-летнем временном масштабе) Коэффициенты диффузии некоторых элементов в кремнии приведены на рис. 4.9. Примесь, кроме того, должна иметь коэффициент сегрегации, соответствующий выбранному способу выращивания кристалла. В качестве легирующих примесей в кремнии наиболее часто используют фосфор (донорная) и бор (акцепторная примесь).

Вследствие рассеяния на заряженной примеси подвижность электронов и дырок уменьшается с ростом концентраций ND и NA донорной и акцепторной примесей (рис. 4.10). Это уменьшение наступает при в кремнии как так -типов проводимости. Кроме того, при большой концентрации примеси может уменьшиться время жизни неосновных носителей заряда вследствие искажения кристаллической решетки и комплексообразования.

В кремниевых солнечных элементах необходимо учитывать механизм оже-рекомбинации. Поэтому эффективное время жизни неосновных носителей заряда связано с временем жизни по рекомбинационному

Рис. 4.9. Зависимости коэффициентов диффузии D различных элементов от обратной температуры

механизму Шокли—Рида—Холла и временем жизни по механизму оже-рекомбинации соотношением

где в случае материала -типа проводимости для Константы оже-рекомбинационного процесса равны соответственно [Hall, 1981].

В качественных материалах, где при NA или эффективное время жизни носителей заряда определяется оже-рекомбинацией [Fisher, Pschunder, 1975].

Указанное влияние степени легирования на подвижность и время жизни носителей заряда ограничивает пределы по концентрации легирующей примеси в активных светопоглощающих слоях солнечных элементов.