Structures based on porous silicon with singleand double-layer coatings photoelectric properties

Full Text

Введение Фоточувствительные структуры на базе пористого кремния показали хорошие перспективы использования в солнечных элементах [1]. Наличие развитой пористой поверхности с наличием нанокристалов кремния в порах расширяет спектр чувствительности СЭ и увеличивает общую эффективность преобразования. Однако актуальным становится вопрос просветляющих покрытий для такой поверхности. Значительный коэффициент отражения света (40-45 %) от поверхности кремния в области спектральной чувствительности фотоэлектрических приборов (400-1100 нм) вызывает необходимость просветления рабочей поверхности кремниевого фотоэлектрического преобразователя. Перспективным материалом для просветления поверхности кремния являются фториды редкоземельных элементов [2] Они обладают высокой прозрачностью в рабочей области спектра, 0.98 и 0.9, соответственно, и имеют оптимальный для кремния показатель преломления. Кроме того, пленки фторидов редкоземельных элементов обладают пассивирующими свойствами, что позволяет уменьшить скорость поверхностной рекомбинации. Показатель преломления пористого кремния зависит от его пористости и может сильно отличаться от значения для объемного материала, как и коэффициент отражения от пористой поверхности [3]. Поэтому теряется смысл покрытия, просветляющего систему лишь для одной длины волны падающего света, и принципы выбора покрытия для пористой поверхности становятся другими. Более важными являются пассивирующие свойства фторидов РЗЭ, так как при анизотропном травлении количество рекомбинационных центров на поверхности кремния увеличивается. К тому же электрическое сопротивление пористого кремния существенно выше, чем у объемного материала, поэтому возникает необходимость еще одного слоя в покрытии, обладающего низким электрическим сопротивлением. В кремниевых солнечных элементах в качестве такого слоя используется оксид или сульфид цинка, диоксид титана. В настоящей работе исследуются фотоэлектрические характеристики структур на базе пористого кремния и с одно- и двухслойным покрытием из и ZnS. 1. Методики эксперимента Пористый кремний формировался методом электрохимического травления в ячейке вертикального типа в спиртовых растворах плавиковой кислоты на различных типах рабочей поверхности монокристаллов кремния: полированной, шлифованной и тестурированной [1]. Пленки фторида диспрозия и сульфида цинка формировались на подложках методом термического испарения из молибденовой лодочки в вакууме Torr на установке типа ВУП-4. Слои фторида диспрозия и сульфида цинка получались методом термического испарения порошкообразного фторида или сульфида на подогретую подложку. Формирование n+ слоя проводилось посредством диффузии фосфора при температуре 800-900 градусов Цельсия. Контакты к n+ слою формировался в виде пленочной полоски алюминия через маску методом термического испарения алюминия в вакууме. Спектральные зависимости коэффициента отражения света измерялись с помощью спектрофотометра Shimadzu UV-2450 с приставкой 206-14046. Диапазон измерения составил 0,3-1 мкм, шаг измерения и спектральная ширина щели монохроматора - 2 нм, скорость сканирования - средняя. Угол падения излучения, имеющего эллиптическую поляризацию около 3:1 - 4:1, был равен при апертуре не более Диаметр освещенной поверхности образца составлял 5-15 мм. Приемником излучения спектрофотометра Shimadzu UV-2450 является фотоэлектронный умножитель. Это обуславливает увеличение шумов измерения прибора в ближней инфракрасной области. Для исследования световых ВАХ использовался имитатор солнечного излучения производства TS SpaceSystems, где источником излучения служит ртутная лампа ARRI. Измерения ВАХ проводились при мощности падающего излучения 1380 при термостатировании образцов при 29 Для обработки результатов испытаний использовалось программное обеспечение Volthalla (версия 6.7.2). Программное обеспечение записывает в базу данных результаты измерений, находит точку максимальной мощности и высчитывает фактор заполнения по методу Монте-Карло. Экстремальные значения упомянутых величин важны для определения фактора заполнения FF, который определяет эффективность преобразования энергии (fill-factor) (1) По данным факторазаполнения можно посчитать КПД солнечной батареи h по следующей формуле. (2) 2. Результаты и их обсуждение На рис. 2, а, б приведены графики спектральной зависимости коэффициента отражения для диапазона длин волн от 300 нм до 1000 нм образцов кремния с текстурированной (а) и полированной (б) поверхностью. Регистрируемый коэффициент отражения исходного материала без пористого слоя для текстурированной поверхности изменяется от 0.7 % до 0.25 % в диапазоне от 0.3 мкм до 0.55 мкм и остается примерно на этом уровне вплоть до 1 мкм. Создание пористого слоя увеличивает рассеяние излучения, что выражается в снижении регистрируемого коэффициента отражения до 0.05-0.15 % во всем исследуемом спектральном диапазоне. Последующее нанесение пленки или ZnS немного увеличивает измеряемый коэффициент отражения в коротковолновой части спектра за счет частичного заполнения пор, снижения шероховатости поверхности и уменьшения эффекта рассеяния. Исследование влияния двухслойного покрытия на отражающие свойства рабочей поверхности проводилось на полированных пластинах кремния, где коэффициент отражения существенно выше. Для полированных пластин (рис. 2, б) коэффициент отражения исходного материала без пористого слоя и без нанесенной пленки составляет в среднем 60-35 % в диапазоне от 0.3-0.45 мкм и около 35 % в остальном спектральном диапазоне. После формирования пористого слоя, рассеивающего падающее излучение, регистрируемый коэффициент отражения значительно падает. Особенно сильно это проявляется в коротковолновой части спектра ввиду более выраженного рассеяния [4]. При нанесении двухслойного покрытия и ZnS, коэффициент отражения приобретает осциллирующий характер, обусловленный интерференционными свойствами покрытия. Световые ВАХ фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), изготовленных на структурах с различными покрытиями, приведены на рис. 3-5. Проведенные исследования ВАХ ФЭП показали, что пленки фторида диспрозия обладают пассивирующими свойствами, тем самым, увеличивая фактор заполнения для образцов полированного кремния без пористого слоя (0.83-0.84). Образцы с просветляющей пленкой из сульфида цинка обладали меньшим фактором заполнения (0.68-0.72). Для пористых структур ситуация была обратная, образцы с сульфидом цинка показывали больший фактор заполнения. Это можно объяснить компенсацией потери носителей заряда в обедненном слое свободными электронами из пленки ZnS, поскольку сульфид цинка является полупроводником n-типа. Наибольший фактор заполнения показали структуры с двойным покрытием (0.87). В этом случае проявляется и дополнительное легирующее свойство покрытия ZnS, и пассивирующее свойство покрытия [5]. Заключение Таким образом, проведенные исследования показывают в целом положительное воздействие покрытий на фотоэлектрические свойства структур с пористым слоем на рабочей поверхности кремниевой подложки. Однослойные покрытия как ZnS, так и DyF3 заметно снижают коэффициент отражения от пористой поверхности, но не дают максимального фотоэлектрического эффекта. Наиболее эффективной проявила себя фоточувствительная структура с двойным покрытием, в котором слой ZnS, как полупроводник n-типа проводимости, обеспечивает подлегирование чувствительного слоя, а слой - играет роль пассивирующего рабочую поверхность.Благодаря высокой прозрачностипокрытий в исследуемом спектральном диапазоне двойное покрытие также обладает высокой прозрачностью. Однако следует отметить, что вопрос оптимальной толщины покрытий для пористой поверхности требует дополнительных исследований.

About the authors

A. V Drondin

N. V Latukhina

D. A Lizunkova

V. D Paranin

References

Supplementary files