6.2. ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА В ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ

Характер переноса заряда в поликристаллических материалах оказывает существенное влияние на КПД солнечных элементов, использующих эти материалы. Несмотря на то что фундаментальная теория электропереноса в однородных монокристаллических материалах была обсуждена в гл. 3, в большинстве случаев поведение тонких поликристаллических пленок нельзя непосредственно предсказать исходя лишь из известных и поддающихся интерпретации свойств соответствующего массивного материала.

Электрофизические характеристики таких слоев в значительной степени определяются свойствами поверхностей, окружающих кристаллиты, в особенности внутренними поверхностями или границами зерен [Leamy е. а., 1982]. В поликристаллических материалах можно выделить две группы явлений, связанных с межзеренными границами, которые оказывают важное влияние на фотоэлектрическое преобразование энергии.

Электрическое сопротивление. Имеется различие между микроскопическими значениями подвижностей и концентраций носителей заряда в каждом отдельном зерне и макроскопическими эффективными подвижностями и средними концентрациями носителей в слое. Во многих случаях подвижность носителей в слое, а следовательно, его электрическое сопротивление определяют потенциальные энергетические барьеры на границах между зернами. В зтих случаях удельная электропроводность уже не зависит линейно от концентрации свободных носителей заряда, которая проявляется косвенно, главным образом через высоту потенциальных барьеров. В пленках со столбчатыми зернами, ориентированными по нормали к их поверхности, следует рассматривать перенос заряда вдоль (параллельный) и поперек слоя (поперечный перенос). Электрическое сопротивление, связанное с параллельным переносом, естественно, сильно зависит от свойств межзеренных границ, в то время как на сопротивление в поперечном направлении влияние границы зерен

мало. Возрастание удельного электрического сопротивления в солнечных элементах в первую очередь сказывается на снижении и лишь слабо влияет на

Рекомбинация в квазинейтральном поглощающем слое. Дефектные и примесные состояния на внешних и внутренних поверхностях кристаллитов обусловливают рекомбинацию избыточных носителей и тем самым снижают эффективное время жизни неосновных носителей заряда. В большинстве пленок, подходящих в качестве поглощающих слоев солнечных элементов, это обстоятельство приводит к небольшим снижениям значений Внутренние области границ зерен имеют разупорядоченную структуру и связанную с этим уменьшенную ширину запрещенной зоны и повышенную поверхностную проводимость. Соприкосновение подобных межзеренных границ с обедненными областями обусловливает шунтирование и возрастание обратного тока насыщения -перехода и, в конечном счете, снижает . Значения зтих параметров в большинстве солнечных элементов с поликристаллическими слоями (в особенности из прямозонных широкозонных полупроводниковых материалов) значительно ниже, чем в изготовленных из соответствующих монокристаллических или псевдомонокристаллических материалов (см. 6.5.3).

Снижение последовательного сопротивления в поликристаллических солнечных элементах обычно не вызывает проблем при условии, что все остальные параметры оптимизированы. Например, влияние большого последовательного сопротивления, параллельного поликристаллическим слоям, можно почти полностью устранить нанесением прозрачного проводящего покрытия типа ITO или . В большинстве кремниевых элементов снижение вызванное рекомбинационными потерями, в процентном отношении одинаково, несколько выше. Однако в случае широкозонных прямозонных материалов преимущественно наблюдается снижение а значение остается относительно высоким. Влияние контактирования границ зерен с -переходом, по-видимому, наименее изученный из всех механизмов потерь процесс [Fossum е. а., 1980].

6.2.1. Влияние толщины пленок

Когда толщина полупроводникового слоя (или размер кристаллита) становится сравнимой со средней длиной свободного пробега носителей заряда в пленке, рассеяние носителей на ее поверхности приводит к снижению подвижности. Например, если подвижность носителей заряда в массивном материале составляет и эффективная масса то среднее время между столкновениями приблизительно равно с, а средняя длина свободного пробега 15 нм. Эта цифра указывает на порядок толщины пленки, при которой становится важным учет эффектов рассеяния. Для пленок, толщина которых превышает 100 нм, эти эффекты обычно незначительны.

Очень часто справедливой оказывается упрощенная модель поверхностного рассеяния. Если — среднее время между моментами рассеяния

носителей заряда в объеме, на поверхности, то в первом приближении

Предположив, что где t — толщина пленки, - средняя длина свободного пробега носителей заряда, можно получить соотношение между подвижностями носителей в пленке и в объеме

    (6.3)

Этот результат справедлив для случая полного диффузного рассеяния на поверхности в отсутствие на ней изгиба зон. Влияние поверхностного рассеяния на подвижность снижается, если часть носителей заряда зеркально отражается от поверхности. Обедненный слой в околоповерхностной области (при наличии, например, соответствующих поверхностных состояний) препятствует движению носителей к поверхности и тем самым значительно снижает рассеяние на ней. Напротив, обедненный слой притягивает неосновные носители на поверхность.

Более детальный анализ показывает, что эффект поверхностного рассеяния сильнее в невырожденных, чем в вырожденных полупроводниках и металлах [Anderson, 1970]. В пленках не вырожденного полупроводника, толщина которых в 2 раза меньше длины свободного пробега, подвижность носителей почти в 2 раза меньше, чем в массивном материале. Это соответствует результатам простой модели (6.3).

Результаты подробного исследования совместного влияния рассеяния и потенциальных барьеров на границах зерен в пленках изложены в работах Казмерского [Kazmerski е. a., 1972; Kazmerski, Juang, 1977].