PDF《晶体硅太阳能电池少子寿命测试方法》

1 引言光生电子和空穴从一开始在半导体中产生直到 消失的时间称为寿命.

当载流子连续产生时, 在太阳 能电池中, 寿命的值决定了电子和空穴的稳定数量. 这些数目决定了器件产生的电压, 因此它应该尽可能 的高. 寿命的一个重要方面就是它直接与扩散长度 Lb 相关, Lb= Dbτ b ! , Db 是材料的扩散系数, τ b 是材料的 体寿命, 扩散长度就是这个平均载流子从产生的点到 被收集点 ( p- n 结) 的平均距离.由于晶体硅太阳电池 性能主要决定于在电池体内和表面的电子- 空穴复 合, 因此, 在太阳能电池的研究内容中, 最为重要的是 准确地获得载流子复合参数的实验方法, 测试体内的 载流子寿命, 表面复合速度等的大小. 在测试的少子寿命中, 实际上是不同复合机制 的综合结果, 测试的少子寿命实际上是整个样品的 有效寿命, 它是发生在 Si 片或者太阳能电池不同区 域(体内、 表面) 的所有复合叠加的净结果, 采用数学 表达式能够将体内、表面各种复合机制对有效寿命 的贡献分别呈现出来. 定义 Si 片前后表面的复合速 度为 Sfront, Sback, Si 片的厚度为 W, 在认为载流子的浓 度在整个片子中分布均匀的假设下, 可以得到测试 样品的有效寿命的表达式[1] :

1 τ eff -

1 τ intrinsic =

1 τ SRH + Sfront +Sback W ( 1) 式中, τ eff 为有效寿命, τ intrinsic 为体硅材料的本征寿 命,包含了俄歇和辐射复合寿命,τSRH 是按照Shockley- Read- Hall 模型[2] 描述材料中的缺陷复合 中心引起的少子复合寿命, 它们是载流子注入大小 的函数.一般情况下, 可以近似认为 Sfront, Sback 相同, 因此在式 ( 1) 中的表面部分变为 2S W . 为了得到材料的真实的体寿命值: τ b (

1 τ b =

1 τ intrinsic +

1 τ SRH ) 第33 卷第

6 期2007 年11 月 中国测试技术 CHINA MEASUREMENT TECHNOLOGY Vol.33 No.6 Nov.2007 晶体硅太阳能电池少子寿命测试方法 周春兰, 王文静 ( 中国科学院电工研究所, 北京 100080) 摘要: 少数载流子寿命(简称少子寿命)是半导体晶体硅材料的一项重要参数, 它对半导体器件的性能、 晶体硅太阳 能电池的光电转换效率都有重要的影响.分别介绍了常用的测量晶体硅和晶体硅太阳电池少子寿命的各种方法, 包 括微波光电导衰减法 ( MW- PCD) , 准稳态光电导方法 ( QSSPC) , 表面光电压 ( SPV) , IR 浓度载流子浓度成像 ( CDI) , 调 制自由载流子吸收 ( MFCA) 和光束 ( 电子束) 诱导电流 ( LBIC, EBLC) , 并指出了各种方法的优点和不足. 关键词: 晶体硅;

太阳能电池;

少子寿命;

微波光电导衰减;

准稳态光电导;

表面光电压 中图分类号: O785, O77 文献标识码: A 文章编号: 1672- 4984( 2007) 06- 0025-

07 Lifetime measurement for minority carrier of crystalline silicon solar cells ZHOU Chun- lan, WANG Wen- jing ( Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China) Abstract: Lifetime of minority carrier is one of the most important parameters for semiconductor material crystalline silicon. It is very important for the performance of semiconductor components and photoelectric conversion efficiency of crystalline silicon solar cells. Common lifetime measurement methods for minority carrier of crystalline silicon and crystalline silicon solar cells were introduced, including microwave photoconductivity decay( μ - PCD) , quasi- steady state photo- conductance ( QSSPC) , surface photoelectric voltage ( SPV) , infrared carrier density imaging ( IR- CDI) , modulation free - carrier absorption ( MFCA) and laser beam ( electron beam) - induced current ( LBIC, EBLC) microscopy. Advantages and disadvantages of these methods were investigated too. Key words: Crystalline silicon;

Solar cells;

Minority carrier lifetime;

μ - PCD;

QSSPC;

SPV 收稿日期: 2007- 03- 22;

收到修改稿日期: 2007- 06-

11 基金项目: 国家

863 计划 ( 2006AA05Z405) 作者简介: 周春兰 ( 1977- ) , 女, 贵州湄潭人, 助理研究员, 博士, 主要从事晶体硅太阳能电池的研究. 中国测试技术 中国测试技术

2007 年11 月 中国测试技术 需要对表面进行有效的钝化, 从而消除或者减 少表面复合;

另外, 如果使用非常高寿命的片子, 假定τSRH=∞, 那么通过式子 ( 1) 就可以得到表面复合速 度S的上限值. 在片子的前后表面经过扩散形成 PN 结后, 发 射结或者扩散区域一般通过饱和电流密度 Joe 来表 征, 这个参数包含了在薄扩散区域体内的俄歇复合 以及在重掺杂表面区域的少子复合信息. 例如, 对于 一个 P 型衬底, 在认为载流子的浓度在整个片子中 分布均匀的假设下, 扩散 N 型发射结之后有效寿命 可以表述为[1] :

1 τ eff -

1 τ intrinsic =

1 τ SRH +[Joe ( front) +Joe ( back ) ] ( NA +Δ n) qni

2 W ( 2) 在这个方程中, NA 是片子的掺杂浓度, Joe ( front ) 和Joe ( back ) 是在前后表面扩散区域的饱和电流密度, ni 是材料 的本征载流子浓度, Δ n 是在某个光照强度下的过剩 载流子浓度, 类似的表述同样适用于对于 N 型衬 底. 对于未形成扩散结的硅片, 它的体复合和表面复 合部分与过剩载流子浓度的关系不是简单的线性关 系, 而从 ( 2) 中可以知道, Joe 与过剩载流子浓度成线 性关系, 因此可以通过在不同的载流子浓度下测试 少子有效寿命的方法来得到 Joe 的值, 这种方法在高 注入情况下尤其有效. 当片子在只有一面扩散 ( 通过饱和电流密度 Joe 来表征) , 而另外一面没有进行扩散 ( 通过表面复合 速度 S 来表征) 的情况下, 可以简单地将 ( 1) 、 ( 2) 两 个方程式组合起来描述这种结构的有效少子寿命. 实际上, Joe 和S这两个概念在低注入的情况下是相 关联的, 即Seff≈JoeNA/qni

2 .

2 少子寿命测试方法 2.1 基于光电导的技术的测试方法 光电导是半导体材料的一个重要因素, 它描述 了材料的电导随着光照的变化.利用光电导测量少 子寿命的方法有几种. 所有的技术都是无接触的, 工 作原理就是光激发产生过剩载流子, 这些过剩载流 子在样品的暗电导基础上产生额外的光电导, 载流 子浓度的变化导致了半导体的电导 σ的变化: Δ σ L= ( μ nΔ n+μ pΔ p) qW=qΔ n ( μ n+μ p ) W ( 3) 这里, W 是硅片的宽度, μ n 和μp和是电子、 空穴的迁 移率, 是掺杂浓度和注入水平的函数. 这些额外的光 电导的时间变化反应了过剩载流子浓度和它的短期 行为, 也就是少子寿命. 按照半导体中载流子产生的途径不同, 测试寿 命有三个基本的方法[1] : ( 1) 瞬态光电导衰减 ( TPCD) : 利用一个短脉冲 作为光源, 在光灭掉以后, 脉冲产生的电荷载流子的 衰变通过光电导随着时间的变化来监控.同时测量 载流子消失的速率 dn/dt 和过剩电子浓度 Δ n, 由于 每个光子产生一个电子- 空穴对, 因此 Δ n=Δ p.如果 器件中没有电流, 那么载流子浓度变化的速率等于 复合几率: d ( Δ n) dt =- Δ n τ eff ( 4) 这个方程显示了载流子浓度随着时间发生指数衰 减, 因此光电导也遵循这种指数衰减关系, 这种方法 经典地被称为瞬态光电导衰减 ( TPCD) . ( 2) 稳态光电导衰减 ( SSPCD) : 是保持一个稳定 的已知的载流子产生率 G, 通过产生和复合之间的 平衡来决定有效寿命.这种方法具有测试非常低寿 命的特点. 在稳态中, 光电导正比于光生载流子的数 量以及它们的寿命.载流子的产生率与有效寿命之 间的关系为: G= Δ n τ eff ( 5) 这个简单的表达式认为在整个厚度的样品中产生率 是均匀分布的, 并且具有均匀的过剩载流子浓度分 布.然而, 实际上它们并不均匀, 在应用时认为 Δ n 是一个平均值. ( 3) 准稳态光电导 ( QSSPC) : 如果光照强度缓慢 变化, 在半导体中存在准稳态状态, 从而产生了准稳 态光电导方法 ( QSSPC) : τ eff = Δ n ( t) G ( t) - Δ n t ( 6) QSSPC 包含了以上两种 PCD 方法的优点, 特别是它 可以非常准确地测试短和长寿命. 实际上, 瞬态和稳 态PCD 是两个光电导随着时间衰减的特殊例子, 是 可以应用于载流子寿命独立于光脉冲宽度情况下的 分析方法.瞬态和准稳态方法常用在测试半导体的 少子寿命中, 下面分别介绍基于这两种方式的常用 的测试方法. 2.1.1 微波反射光电导衰减 ( MW- PCD) 微波光电导方法是一种瞬态方法, 瞬态方法的 优点在于不需要绝对测量过剩载流子的大小, 而是 通过光电导进行相对测量.缺点在于当瞬态方法测 量短的载流子寿命时, 需要快的电子学设备记录非 常快的光脉冲和光电导衰减信号.

26 第33 卷第

6 期MW- PCD 技术[3] 的测试原理是通过测试从样品 表面反射的微波功率的时间变化曲线来记录光电导 的衰减, 也就是并未直接测试方程 ( 1) 中的过剩载流 子浓度变化.大部分 MW- PCD 方法使用脉冲光源 在样品中产生过剩载流子, 由于产生的过剩载流子 使样品的电导发生变化, 而入射的微波的反射率是 材料电导的函数, 即反射微波的能量变化也反映了 过剩载流子浓度的变化.其测试系统示意图如图

1 所示, 系统包括微波源, 微波探测........