Библиографическое описание:

Зайнабидинов С. З., Саидов А. С., Усмонов Ш. Н., Мадаминов Х. М., Курбанов А. О., Маткаримова Н. Б. Пути повышения эффективности солнечных элементов // Молодой ученый. — 2015. — №9. — С. 53-56.

В данной работе приведены результаты исследований спектральных зависимостей фототока pSi-nSi1-xSnx (0£х£0.04)- структур, полученные на основе эпитаксиальних пленок твердого раствора Si1-xSnx 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 Si1-xSnx образуют энергетический уровень Ec 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-nSi1-xSnx (0£х£0.04) — structures derived from epitaxial films of Si1-xSnx 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 Si1-xSnx energy level Ec ≈ 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 < Eg,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 (Egi) у которых меньше, чем запрещенной зоны (Eg) базового полупроводника Egi< Eg.

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 rSi+rSi=2.34 Å и rSi+rSn=2.57 Å, соответственно. Эти компоненты удовлетворяют условие образование твердого раствора замещения, представленное в работе [8];

                                                         (1)

где zSi, zSn, rSi и rSn 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-nSi1-xSnx (0£х£0.04)- структур в широком спектральном диапазоне энергий фотонов (Eph). 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-nSi1-xSnx (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-nSi1-xSnx — структуры в длинноволновую сторону обусловлен шириной запрещенной зоны твердого раствора. На основе сдвига фототока pSi-nSi1- xSnx (0£х£0.04)- структуры в длинноволновую сторону спектра излучения по сравнению с кремниевой структурой мы оценили ширину запрещенной зоны твердого раствора, которая составляла Eg,SiSn = 1.06 эВ.

Спад фототока рSi-nSi1-хSnх (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-nSi1-хSnх (0£х£0.04)- струк-туры в коротковолновой области спектра с энергией фотонов Ep >1.6 эВ сильнее, чем контрольных рSi-nSi — структур. Это, обусловлено тем, что длина диффузии неосновных носителей в твердом растворе nSi1-хSnх (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-nSi1-xSnx (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 (Jph(Т)) к его значению при комнатной температуре (Jph(300 K)) от энергии фотонов, падающих на образец.

Из рис. 3 видно, что когда энергия фотонов Eph> Eg,SiSn, в собственной области поглощения, фототок практически не зависит от температуры. Когда Eph< Eg,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 Eph» 1.01 эВ. При достижении температуры Т = 363 К максимальный относительный прирост фототока составляет Jph(Т)/Jph(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 Dni 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 Eph≥Eg,SiSn результате таких электронных переходов в валентной зоне генерируются неравновесные дырки. Поскольку максимальный прирост фототока наблюдается при значениях Eph» 1.01 эВ, близких ширине запрещенной зоны полученного твердого раствора Si1-xSnx 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      mn* — эффективная масса электрона в зоне проводимости — mn*=0.33m.

Зная n, мы можем определить положение уровня Ферми в твердом растворе nSi1-хSnх (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 EC»0.04–0.07 эВ в запрещенной зоне ТР Si1-xSnx.

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 Si1-xSnx, 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.

Основные термины (генерируются автоматически): твердого раствора, зависимости фототока, фототока pSi-nSi1-xSnx, твердого раствора si1-xsnx, спектра излучения, базового полупроводника, зоны твердого раствора, в примесной области поглощения, области спектра излучения, зависимости фототока pSi-nSi1-xSnx, Спектральные зависимости фототока, в широком спектральном диапазоне, энергии фотонов, прироста фототока, диапазоне энергии фотонов, solar cells, зоне базового полупроводника, прирост фототока, зоне твердого раствора, относительного прироста фототока.

Ключевые слова

твердый раствор, спектральные зависимости, жидкофазная эпитаксия, солнечный элемент, инфракрасная область

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос