当前位置:首页 > 图书馆信息 > 技术 > 正文
微晶硅uC-Si:H PIN可见/近红外光探测的一种三相模型
发表于:2012-04-21 16:59:03
来源:www.solarbe.com作者:solarbe
微晶硅uC-Si:H PIN可见/近红外光探测的一种三相模型
摘要:
本文分析了在不同的偏压和光照条件下纯微晶硅p–i–n-Si:H侦测的光谱响应和光电流传输。光谱响应和内部收集并不仅仅取决于能量范围,还与光照相关。从P层和N层方向照射,内部收集呈现不一样的形状,它比施加的偏压高比开路电压低,在接近开路电压时陡然降低(N层方向比P层方向偏高)。另外,一种可见/近红外光探测的基于晶界和界面附近能带不连续的数值模型,提供了内部物理过程的分析,补充了此研究。
1.       介绍
氢化微晶硅器件研究仍处于早期阶段。微晶硅材料是一种不同形态的硅,由被或多或少的非晶硅带分开的微晶硅组成。这部分数量和晶粒大小(从几到几百nm)强烈依存于所使用的生长反应条件。在不同工艺条件生产的样品中,已经发现不同薄膜形态存在的证据。因此,微晶硅是不均匀由多种结晶相态组成的,有着不同的结构属性,包括在界面上。
对这种混杂材料的结构属性进行恰当的描述是相当复杂的任务。除其他因素外,在描述器件属性时,在晶粒之间的类非晶界面的影响带来了一个另外的复杂问题,即如何严格描述一个由散射系数纠正的晶体硅和非晶硅相叠加的结构。并且,PIN结构中非晶相内微晶的类二次曲线的生长,使其晶粒组成不均匀,且从P-I到N-I界面逐渐增加。
在此次研究中,我们分析了薄且纯的微晶硅uc-Si:Hp–i–n结构,生产采用封闭腔化学气相沉积方式;这形成了一个宽光谱器件,其具有对蓝光和近红外区域的高灵敏度及在正向偏压下积极的光谱响应。为了弄清其传输机理,我们用详细的模拟分析把光谱响应和内部收集效率关联起来。基于晶界附近能带的不连续性,我们通过数据模拟提出了一个模型(图1)。
2.实验过程
2.1.准备和实验
测试对象是一层镀ZnO的玻璃基板,其上是PIN微晶结构,顶层电极是铝。室温下测量暗/亮电流-电压特性,光源为钨卤灯(40mW/cm2),测量到的开路电压为0.3V,短路电流为10mA/cm2。在不同的偏压(-1V~1V)和不同波长(300-1100nm)条件下测量光电流 Iph。光线从玻璃面(P层方向)和二极管的背面(N层方向)入射。光电流 Iph平均值比上入射到基板上的光子数量,得到外部收集效率Q(λ,V)。内部收集效率q(λ,V)等于Q(λ,V)平均值比上其在任意波长下施加强反偏电压下的饱和值:q(λ,V)= Q(λ,V)/ Q(λ,Vsat)。饱和值在反偏电压-1V时假定可以全部收集。所有量测采用锁定技术对暗电流进行抑制。
       2.2.器件模型
       器件模型参考半导体器件物理的数值模拟,描述其电学和光学性质,使用ASCA模拟器对微晶硅P-I-N器件进行模拟。对混杂材料的问题,在二维矩形区域应用混杂结构输运方程进行处理,如图1。
       模拟器对两个方向:横向x(垂直于PN结方向),纵向y(平行于PN方向)进行分析。模拟器可以预测不同外部条件下的载流子浓度,横向和纵向的电场形状,电势分布,暗特性和光电流。模拟器辐射条件使用经验吸收系数,如:微晶硅(非晶硅)在蓝,红和红外区域的吸收系数分别为:4×104(1×105cm-1),1×104(2×104cm-1)和3×103(1×102cm-1)。
1.模拟矩形结构
    3.实验结果
    3.1.电流密度和电压分布
图2.不同光照条件下微晶硅P-I-N结构光生率分布图 (a)红外光,(b)红光,(c)蓝-紫光
       图2 a, b和c显示了从P层方向入射的三种不同能量(1.55,2.0,2.7eV)入射光条件下的光生率分布图。红外光照射时(图2.a),光生过程发生在晶粒内部;在红光区域(图2.b),整个结构光吸收几乎相同;在蓝-紫区域(图2.c),入射面和晶粒区域之间的光生率较高。
       值得注意的是在蓝-紫光照射时,每个晶粒区域如同一个窗口一样,因此与纯非晶硅结构相比,高能光能够在更远距离被吸收。因为光生进程是不均匀的,光生载流子将从高浓度向低浓度进行扩散,一些将被晶界所俘获,形成局部依存于电场的波长分布。
       图3显示了开路条件下不同入射波长时空穴电流和电势的模拟分布图。
       总收集电流取决于各部分叠加的内建电场。较低的是光能的影响,较高的是晶界局部(电场)区域的影响。在低光能范围,晶粒区域显示是低电势带;而随着光能上升,电势分布变的平滑,掩盖了微晶硅的差异。
图3.不同光照条件下微晶硅P-I-N结构电势电流密度分布图 (a)红外光,(b)红光,(c)蓝-紫光
3.2.光电流
图4中显示的是暗光照及不同波长光照条件下的电流电压曲线和光电流曲线,图中可观测到两种截然不同的变化趋势线。第一种电压比开路电压低,其并联电阻占主导因素;第二种电流密度随电压呈指数增长。阈值电压(可认为开路电压)的飘移归结于不同波长条件下串联电阻的变化。值得注意的是,观测到在蓝光条件下,光电流有一个随电压的变化从占主要部分到次要部分的变化;而在红光或红外光照条件下,光电流一直是负值。
图4.暗光照和不同波长光照条件的电流电压曲线(实心标记)和光电流(空心标记),N层方向
3.3.光谱响应和收集效率
在非晶相内微晶的类二次曲线的生长,形成了一种微晶晶粒组成不均匀的P-I-N结构,且其分布从P-I到N-I界面逐渐增加。晶粒主要在横方向生长,从底部(P层方向)到顶部(N层方向)没有分界线。在两个晶粒区域之间,非晶硅或晶格失配存在状况依赖于晶粒区域的间距。
为了平均出非晶硅、微晶硅和晶格失配的贡献,我们分别从P层和N层方向照射器件,分析其光谱响应和收集效率。图5a和b显示了分别从P层和N层方向照射且在不同偏压条件下的光谱响应曲线(平均值除以最大值)。
图5. P层和N层方向照射,不同偏压条件下的光谱响应曲线
结果显示,光谱响应依存于光源的入射方向。从前端(P层方向)照射(图5.a),光谱响应波长范围超过1000nm,在波长550nm时,响应达到最大值。如果从二极管背面(N层方向)照射(图5.b),红外区域响应提升且最大值移动到近红外区域(700nm),而蓝光没有响应。
图6显示了分别从P层和N层方向照射且在不同偏压条件下的内部收集效率。
内部收集效率不仅仅依存于(光)能量范围,而且和入射方向相关。从两边分别入射,其内部收集效率呈现不一样的形态。在偏压小于Voc时,q(λ,V)较高,在接近Voc时陡然降低,大于Voc时变的平缓。
图6. P层(实线)和N层(虚线)方向照射,不同偏压条件下的内部收集效率
4.讨论
4.1.输运机理
汇总本次数值模拟实验结果和外界已经发表的结论,援引通过微晶硅、非晶硅和晶格失配区域的优先路径模型,我们可以给出器件机理定性解释。优先路径的改变取决于吸收波的波长和外加偏压。
在红外区,载流子大部分产生于微晶硅内部,并沿着晶硅横向扩散。这是因为微晶硅内部电压分布是平的,如图3.a。当波长降低时,对辐射光来说微晶硅开始变的越来越透明,电压分布也接近于纯非晶硅结构的电压分布。此时载流子产生于中间混合区域,在内建电场作用下沿非晶硅相流动。因此,如同上面解释的,在微晶硅内部载流子浓度高。知道哪一种类型的载流子是电子还是空穴能够容易穿过非晶硅和晶格失配带很关键。这将取决于载流子扩散时的浓度梯度,以及漂移过程的晶界磁场强度。磁场方向和绝对值强烈依存于价带和导带offset比值,显然这在真正的样品中是做不到的。考虑总体效果,微晶硅区电场会使一种载流子通过优先高导路径穿过晶粒区域,而其他类型的载流子在穿越混合区域后将仍然会被收集。
在反偏压条件下,结电场控制了载流子的收集,光电流体现的是所有方面的平均值。当正向电压上升时,结电场下降,输运方式将从漂移控制过程改变到扩散限制过程。这个改变有个转折点,其依存于辐射波长和晶粒的空间分布,见图6。这样的减缓效应在非晶硅太阳能电池中同样被观察到,解释为在P和I层的缺陷浓度上升造成的。在我们的实验中,这样一个高缺陷区域相当于微晶硅I层的初始非晶硅部分。无论什么波长,N层方向入射时,转折点时电压并不高,是因为这时候大部分收集的载流子来源于其他区域,而不是P-I界面。
在器件的微晶硅部分,红外光是唯一的一个被吸收的光线(图2),甚至偏压加到超过Voc,器件仍然有电流传输(图6),这是因为微晶硅如同一个通路而非晶硅如同一个阻抗。
5.结论
       本文提出了一个基于三种主要输运路径的定性模型,对微晶硅P-I-N光电反应结构的内部收集机理进行解释。局部电场的影响足够使一种载流子获得优先路径,包括在微晶硅内。
对这些依存于外偏电压和吸收光波长过程的研究,数值模拟被证明是一种很有帮助的工具。
关键词: 微晶硅
  • 推荐
  • 政策
  • 市场
  • 企业
  • 产业
  • 技术
  • 专栏
  • 招标
  • 更多
  • 行情
  • 财经
  • 展会
  • 光热
  • 储能
  • 碳交易
  • 能源互联网电改
阳光电源
特变电工
华为
  • 日榜
  • 周榜
  • 月榜
投稿与新闻线索联系:010-68027865 刘小姐 news@solarbe.com 商务合作联系:010-68000822 吕先生 media@solarbe.com 紧急或投诉:13811582057, 13811958157
京ICP备10028102号-1 电信与信息服务业务许可证:京ICP证120154号
地址:北京市大兴区亦庄经济开发区经海三路天通泰科技金融谷 C座 16层 邮编:102600