6.3. ВЛИЯНИЕ МЕЖКРИСТАЛЛИТНЫХ ГРАНИЦ В СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ С ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИМИ СЛОЯМИ

Из-за большой концентрации дефектов и сегрегированных примесей на границе зерен и наличия локальных электрических полей, собирающих неосновные носители, межзеренные границы являются областями повышенной рекомбинации. Снижение значений основных характеристик солнечного элемента за счет рекомбинации на этих границах сильно зависит от размера кристаллитов в поликристаллических слоях. Это особенно ярко проявляется при исследованиях методом тока, наведенного электронным пучком (рис. 6.18). На фотографии, полученной в режиме наведенного тока, электрически активные границы зерен выглядят темными.

Рассмотрим работу солнечного элемента с поликристаллическими слоями на простом примере -перехода в поликристаллическом материале со столбчатыми кристаллами, ориентированными по нормали к плоскости перехода (рис. 6.19, а и 6.20). Предположим сначала, что напряжение смещения равно нулю. При освещении концентрация пр фотогенерированных носителей заряда максимальна вдоль оси столбчатых кристаллитов и спадает к их границам, характеризующимся высоким темпом рекомбинации. В направлении, перпендикулярном плоскости перехода, наблюдается обычное изменение концентрации фотогенерированных носителей заряда в соответствии с граничными условиями и пространственным

Рис. 6.18. Изображение участка солнечного элемента ITO-Si, полученное в растровом электронном микроскопе в режиме тока, наведенного электронным пучком. Поли кристаллические слои изготовлены методом зонной очистки по способу Монсанто. Под оптическим микроскопом этот участок выглядит бесструктурным. При травлении выявляются ямки травления, которым на микрофотографии соответствуют темные точки на участке В. Появление черных точек обусловлено наличием электрически активных дислокаций в межкристаллитной области. Длинная сторона фотографии соответствует длине 1.1 мм на образце [фото с разрешения Inoue N., Wilmsen С. W., Jones К. A.// Solar (elk. 1981, vol. 3]

Рис. 6.19, Пересечение границы зерна с -переходом: а - вид образца в поперечном разрезе; граница -перехода находится при края обедненного слоя - при граница зерна; 2 - плоскость -перехода; б - концентрация неосновных носителей при освещении и нулевом смещении. Показаны значения пр для двух линий внутри зерна и для его границы у о при в - концентрации пр неосновных носителей заряда при освещении и инжекции при приложении прямого смещения. Заштрихованному участку соответствует область неопределенных значений вблизи - сечения зонных диаграмм параллельны плоскости -перехода при в условии освещения при зона проводимости; 2 - валентная зона

Рис. 6.20. Двумерная диаграмма гетеропереходного солнечного элемента, в котором межкристаллитная граница проходит через обедненные слои -перехода. Область межкристаллитной границы имеет участки -типов проводимости: 1 - зона проводимости; 2 - границы обедненного слоя; 3 - поверхностные состояния на монокристаллитной границе; 4 - валентная зона

распределением фотогенерации (рис. 6.19,б). Таким образом, для определения распределения концентрации неосновных носителей заряда внутри кристаллита требуется решение трехмерного дифференциального уравнения.

Обратимся теперь к граничным условиям. Поскольку высота потенциального барьера, эффективная скорость поверхностной рекомбинации и концентрация избыточных носителей пр взаимозависимы, исчезновение фотогенерированных носителей уже нельзя описать простым введением одной постоянной — времени жизни неосновных носителей заряда. В рассматриваемом случае — расстояние от плоскости -перехода, у — от границы зерна. Вместо этого имеет место сложная зависимость

где символы имеют общепринятые значения, — время жизни неосновных носителей заряда в материале зерна.

Область проявления рекомбинационного влияния межзеренной границы приближенно равна большему из двух параметров: диффузионной длине неосновных носителей заряда или толщине обедненного слоя вблизи границы зерна. Таким образом, задача не только трехмерна, но и имеет нелинейные граничные условия, различные у границ [Lindholm, Fossum, 1981]. Если известны рекомбинационные параметры, ее в принципе можно решить с помощью ЭВМ. Трехмерный характер задачи, строго говоря, не позволяет приписать зерну какое-либо одно среднее теоретическое значение времени жизни неосновных носителей или одну диффузионную длину, поскольку крайне существенно, как и в каком месте зерна определяется это среднее значение.

Ситуация еще более усложняется при прямом смещении. С целью упрощения дальнейших рассуждений предположим, что значение очень велико, а зависимость пр вдоль гарницы зерна сводится к виду (рис. 6.19, а) и стремится к однако это противоречит обычному граничному условию обедненной области, именно пр

Носители, инжектированные при прямом смещении, туннелируют в межкристаллитные области через слои обеднения, образующиеся в местах пересечения границ зерен и -переходов. Распределение концентрации носителей заряда в этих областях (заштрихованы на рис. 3.19, в) с трудом поддается расчету. Полное решение должно учитывать перенос заряда как внутри зерна, так и вдоль границы обедненной области за счет диффузии (а возможно, и за счет дрейфа в электрическом поле). Впервые эту проблему обсуждал еще Шокли [Shockley, 1949], однако полного решения задачи им не было дано.

В ряде случаев предполагалось упростить задачу и ввести средние значения времени жизни диффузионной длины L, характеризующие поликристаллическис агрегаты, однако этой концепцией можно пользоваться лишь крайне осмотрительно, так как вероятность рекомбинации фотогенерированных носителей выше в глубине поглощающего слоя и (или) вблизи межзеренных границ. Поскольку скорость поверхностей рекомбинации

на границе зерна зависит нелинейно от пр, L зависит от уровня инжекции, определяемого прямым смещением и интенсивностью освещения в каждой точке поглощающего слоя. Таким образом, и рекомбинация носителей заряда в элементарном объеме зависит от уровня возбуждения и положения этого объема в зерне.