Пути повышения эффективности солнечных элементов

В данной работе приведены результаты исследований спектральных зависимостей фототока pSi-nSi_1-xSn_x (0£х£0.04)- структур, полученные на основе эпитаксиальних пленок твердого раствора Si_1-xSn_x выращенные методом жидкофазной эпитаксии, в широком спектральном диапазоне энергии фотонов,. Полученные данные позволили определить ширину запрещенную зону данного твердого раствора, значение которого составляло ~ 1.06 эВ. Было определено, что атомы олова (Sn) в запрещенной зоне твердого раствора Si_1-xSn_x образуют энергетический уровень E_c ≈ 0.04–0.07 эВ. Этот факт представляет большой интерес при создании солнечных элементов на основе данного твердого раствора, обхватывающий инфракрасной области спектра излучения.

Ключевые слова: твердый раствор, спектральные зависимости, жидкофазная эпитаксия, солнечный элемент, инфракрасная область

This article presents the results of studies of the spectral dependence of the photocurrent pSi-nSi_1-xSn_x (0£х£0.04) — structures derived from epitaxial films of Si_1-xSn_x grown by liquid phase epitaxy, in a wide spectral range of photon energy. The data obtained allowed to determine the width of the band gap of the solid solution, the value of which is ~ 1.06 eV. It was determined that the tin atoms (Sn) in the band gap of the solid solution form Si_1-xSn_x energy level E_c ≈ 0.04–0.07 eV. This fact is of great interest in the creation of solar cells on the basis of a solid solution bows infrared radiation spectrum.

Key words: the solid solution, spectral dependence, liquid phase epitaxy, solar cells, infrared radiation spectrum.

Как известно, примерно 44 % фотонов солнечного излучения лежат в инфракрасной (ИК) области спектра излучения. Учитывая, что в настоящее время основным материалом для солнечных элементов (СЭ), является кремний, представляет большой интерес создание в запрещенной зоне кремния примесной зоны, позволяющей осуществить двойной электронный переход из валентной зоны в зону проводимость с поглощением фотонов с энергией hv < E_g,Si. Исследования разработки технологий эффективных СЭ с использованием ИК спектра излучения Солнца на основе примесного фотовольтаического эффекта (ПФВЭ) является актуальным и до настоящего времени остается нерешенным [1].

Одним из основных трудностей при решении этой проблемы является, требования, предъявляемые к состоянию примесных атомов в кристаллической решетке матрицы базового полупроводника [2–5]. Введение примесей с высокой растворимостью () и энергетическими уровнями в запрещенной зоне базового полупроводника с фиксированной энергией ионизации  требует особых технологических приемов. Одновременно, с этим примесные атомы должны не искажать кристаллическую решетку базового полупроводника [4].

Вышеперечисленным требованиям отвечает лишь небольшое число примесей, в котором так же входят изовалентные примеси. Изовалентные примеси, энергетические уровни которых лежат в запрещенной зоне базового полупроводника, называются запрещено-зонными изовалентными примесями (ЗЗИП) [5]. ЗЗИП могут быть атомы или молекулы полупроводниковых материалов, запрещенные зоны (E_gi) у которых меньше, чем запрещенной зоны (E_g) базового полупроводника E_gi< E_g.

В этом плане для исследования ПФВЭ весьма интересно использовать ЗЗИП атомов олова (Sn), растворимость которых не менее  [6] и создающий энергетический уровень в запрещенной зоне с энергией ионизации  в Si [7].

Si и Sn изовалентны и сумма ковалентных радиусов атомов Si₂ и молекул соединение Si-Sn близки r_Si+r_Si=2.34 Å и r_Si+r_Sn=2.57 Å, соответственно. Эти компоненты удовлетворяют условие образование твердого раствора замещения, представленное в работе [8];

                                                         (1)

где z_Si, z_Sn, r_Si и r_Sn валентности и ковалентные радиусы атомов кремния и олова, соответственно. Следовательно, взаимное замещение молекул этих компонентов не сильно деформирует кристаллическую решетку.

Для установления влияния изовалентной примеси Sn на фотовольтаический эффект (ФВЭ) были исследованы спектральные зависимости фототока pSi-nSi_1-xSn_x (0£х£0.04)- структур в широком спектральном диапазоне энергий фотонов (E_ph). C этой целью, также были исследованы контрольные образцы — стандартные pSi-nSi- структуры, без примеси Sn.

При исследовании к структурам создавались токосъемные омические контакты, методом вакуумного напыления серебра — сплошные с тыльной стороны и полосатые из серебра со стороны эпитаксиального слоя твердого раствора (ТР) (см. рис. 1). Спектральные зависимости фототока исследовались на установке с призменным монохроматором фирмы CARL ZEISS JENA (Германия). Источником светового излучения служила галогеновая лампа накаливания мощностью 100 Вт.

Рис. 1. Схема pSi-nSi1-xSnx (0х0.04) — структуры: 1, 2 — омические контакты

Из экспериментальной зависимости спектра фототока, приведенной на рис. 2 видно, что край изменения фототока pSi-nSi_1-xSn_x (0£х£0.04) — структуры (кривая 1, рис. 2) сдвинут в длинноволновую сторону по сравнению с контрольной структурой (кривая 2, рис. 2). Сдвиг фототока pSi-nSi_1-xSn_x — структуры в длинноволновую сторону обусловлен шириной запрещенной зоны твердого раствора. На основе сдвига фототока pSi-nSi_{1- x}Sn_x (0£х£0.04)- структуры в длинноволновую сторону спектра излучения по сравнению с кремниевой структурой мы оценили ширину запрещенной зоны твердого раствора, которая составляла E_g,SiSn = 1.06 эВ.

Спад фототока рSi-nSi_1-хSn_х (0£х£0.04) — структуры в коротковолновой области спектра излучения обусловлен глубиной залегания разделяющего p-n- перехода, в нашем случае она составляет 20 мкм. Когда длина диффузии неосновных носителей меньше, чем глубину залегания p-n- перехода, то электронно-дырочные пары, генерированные высокоэнергичными фотонами, в приповерхностной области структуры не доходят до разделяющего барьера и не участвуют в создании фототока, что приводит к спаду фото-чувствительности структуры. Спад фототока рSi-nSi_1-хSn_х (0£х£0.04)- струк-туры в коротковолновой области спектра с энергией фотонов E_p >1.6 эВ сильнее, чем контрольных рSi-nSi — структур. Это, обусловлено тем, что длина диффузии неосновных носителей в твердом растворе nSi_1-хSn_х (0£х£0.04) меньше, чем в nSi материале.

Рис. 2. Спектральные зависимости фототока рSi-nSi1-хSnх (0£х£0.04) — структур: 1- рSi–nSi1-хSnх (0£х£0.04); 2 — рSi–nSi

Известно, что генерационно-рекомбинационные процессы носителей в полупроводниках связаны не только положением энергетических уровней примесей, но и с их концентрацией, которая в свою очередь сильно зависит от температуры.

Для проверки вышесказанного были исследованы температурные зависимости фототока pSi-nSi_1-xSn_x (0£х£0.04)- структур в широком спектральном диапазоне энергии фотонов. На рис. 3 показаны зависимости относительного прироста фототока, определяемые как отношение значений фототока при различных температурах (J_ph(Т)) к его значению при комнатной температуре (J_ph(300 K)) от энергии фотонов, падающих на образец.

Из рис. 3 видно, что когда энергия фотонов E_ph> E_g,SiSn, в собственной области поглощения, фототок практически не зависит от температуры. Когда E_ph< E_g,SiSn, в примесной области поглощения фототок сильно зависит от температуры. С ростом температуры наблюдается монотонный рост фототока в примесной области поглощения, причем максимальный прирост фототока наблюдается при E_ph» 1.01 эВ. При достижении температуры Т = 363 К максимальный относительный прирост фототока составляет J_ph(Т)/J_ph(300 K) = 4.3, что является существенным и свидетельствует о возникновении примесного теплофотовольтаического эффекта в исследуемых образцах с участием уровня Sn.

Рис. 3. Спектральные зависимости относительного прироста фототока Jph(Т)/Jph(300 K) рSi–n-Si1-хSnх (0£х£0.04)- структур при различных значениях температур: 1–293 K; 2–313 K; 3–323 K; 4–333 K; 5–343 K; 6–353 K; 7–363 K

Повышение прироста фототока с ростом температуры в примесной области поглощения, по-видимому, обусловлено возрастанием скорости тепловой генерацией неравновесных электронов Dn_i из уровня олова за счет увеличение тепловой генерации электронов с примесного уровня, способствует электронным переходам из валентной зоны на примесный уровень, которые происходят под воздействием фотонов с энергией E_ph≥E_g,SiSn.В результате таких электронных переходов в валентной зоне генерируются неравновесные дырки. Поскольку максимальный прирост фототока наблюдается при значениях E_ph» 1.01 эВ, близких ширине запрещенной зоны полученного твердого раствора Si_1-xSn_x а примесный уровень олова может быть расположен ближе к дну зоны проводимости твердого раствора.

Для невырожденных полупроводников уровень Ферми всегда находится в запрещенной зоне и для расчета концентрации электронов, находящихся в зоне проводимости, можно воспользоваться распределением Максвелла-Больцмана:

                                                                  (2)

где      Nc — эффективная плотность состояний в зоне проводимости:

,                                             (3)

где      m_n^* — эффективная масса электрона в зоне проводимости — m_n^*=0.33m.

Зная n, мы можем определить положение уровня Ферми в твердом растворе nSi_1-хSn_х (0£х£0.04):

                                                                                          (4)

Таким образом, исследования спектральной зависимости фототока и оценка уровня Ферми образцов при различных температурах позволили предположить, что положение энергетического уровня Sn находится в интервале E_C»0.04–0.07 эВ в запрещенной зоне ТР Si_1-xSn_x.

В кремниевых структурах с изовалентными запрещено-зонными примесями Sn совместное влияние температуры и освещения способствует тепло — и фотогенерации неравновесных электронно-дырочных пар в примесной области поглощения и расширяет спектральную область чувствительности в длинноволновую сторону. Этот факт даст нам получить солнечный элемент на основе твердых растворов Si_1-xSn_x, обхватывающий ИК область спектрального диапазона.

Данная работа выполнена в рамках проекта ЁА4-ОТ-0–1936 ЁА4–6 по теме “Разработка и испытание фотоэлектрических модулей, предназначенных в качестве источника электропитания для маломощных электронно-бытовых изделий”.

Литература:

1.            Бахадырханов М. К., Илиев Х. М., Тачилин С. А., Насриддинов С. С., Абдурахманов Б. А. Примесный фотоэлектрический эффект в кремнии с многозарядными кластерами марганца //Гелиотехника. -Ташкент, 2008. № 2. -С.88–92.

2.            Luque A. Marti. Increasing the Efficiency of Ideal Solar Cells by Photon Induced Transitions at Intermediate Levels//Phys.Rev.Lett., 1997. -V. 78. № 26.-Р.5014–5017.

3.            Beaucame G., Brown A. S., Keevers M. J., Corkish R., Green M. A. The impurity photovoltaic (IPV) effect in wide-bandgap semiconductors: an opportunity for very-high-efficiency solar cells? // Prog. Photovolt. Res. Appl., 2002. -V. 10. -P. 345–353., Saidov M. S. Valence band Impurity Photovoltaic Effect // Гелиотехника. –Ташкент, 2002. № 1. -С. 3–6.

4.            Саидов М. С. Электроактивность изовалентных примесей и фотовольтаический эффект // Гелиотехника. — Ташкент, 2005. № 3. -С. 67–72.

5.            Trumbore F. A., Isenberg C. R. and Porbansky E. M. On the temperature-dependence of the distribution coefficient: The solid solubilities of tin in silicon and germanium // J. Phys. Chem. Solids. — 1959.- V. 9. -P. 60.

6.            Бахадирханов М. К., Ортиков И. Б. Малый энциклопедический справочник по полупроводниковым материалам. — Ташкент, 2006. -199 с.

7.            Саидов М. С. Твердые растворы кремния и возможности их использования для каскадных солнечных элементов // Гелиотехника. -Ташкент, 1997. № 5–6. -С. 57–67.