太陽(yáng)電池少子復(fù)合原理以及與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系.ppt

1、A,1,少子壽命的復(fù)合原理及少子與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系,A,2,目錄一、復(fù)合理論二、少子壽命測(cè)試方法及原理三、少子壽命與電池效率的關(guān)系,A,3,一、復(fù)合理論,所有處在導(dǎo)帶中的電子都是亞穩(wěn)定狀態(tài)的，并最終會(huì)回到價(jià)帶中更低的能量狀態(tài)。即必然會(huì)躍遷回到一個(gè)空的價(jià)帶能級(jí)中。導(dǎo)帶電子回到價(jià)帶的同時(shí)也有效地消除了一個(gè)空穴。這個(gè)過程叫做復(fù)合。,A,4,（1）按復(fù)合相關(guān)的能級(jí)：直接復(fù)合間接復(fù)合（2）按復(fù)合過程發(fā)生的位置：體內(nèi)復(fù)合、表面復(fù)合（3）按復(fù)合時(shí)放出能量的方式：輻射復(fù)合：發(fā)射光子，能量光子發(fā)射聲子：發(fā)射聲子，能量晶格振動(dòng)俄歇復(fù)合：能量其它載流子,一、復(fù)合理論,復(fù)合分類：,A,5,概念：電子直接在導(dǎo)帶和價(jià)帶間躍

2、遷而引起的非平衡載流子的復(fù)合過程。在輻射復(fù)合中，電子與空穴直接在價(jià)帶結(jié)合并釋放一個(gè)光子。釋放的光子的能量近似于禁帶寬度，所以吸收率很低，大部分能夠飛出半導(dǎo)體。載流子多余的能量是以光子的形式釋放的，或者為滿足準(zhǔn)動(dòng)量守恒，在發(fā)射光子的同時(shí)，伴隨著發(fā)射或吸收聲子。,1.1直接復(fù)合,A,6,r電子空穴的復(fù)合概率n0p0熱平衡狀態(tài)下電子、空穴濃度p非平衡載流子濃度,大注入條件下，p（n0p0）,少子壽命隨非平衡載流子濃度而改變，在復(fù)合過程中不再是常數(shù),直接復(fù)合對(duì)窄禁帶半導(dǎo)體，和直接禁帶半導(dǎo)體，占優(yōu)勢(shì)。,1.1直接復(fù)合,A,7,概念：電子通過禁帶中缺陷、雜質(zhì)能級(jí)的復(fù)合,復(fù)合中心：促進(jìn)復(fù)合過程的雜質(zhì)和缺陷考

3、慮一種復(fù)合中心能級(jí)Et，存在四個(gè)相關(guān)的微觀過程。,1.2間接復(fù)合,A,8,甲:俘獲電子Et從Ec俘獲電子乙:發(fā)射電子Et上的電子激發(fā)到Ec丙:俘獲空穴電子從Et進(jìn)入EV丁:發(fā)射空穴價(jià)帶電子激發(fā)到Et上,通過復(fù)合中心的輻射也叫肖克萊-萊德-霍爾或SRH復(fù)合，它不會(huì)發(fā)生在完全純凈的、沒有缺陷的半導(dǎo)體材料中。,1.2間接復(fù)合,A,9,1.2間接復(fù)合,n1費(fèi)米能級(jí)與復(fù)合中心重合時(shí)導(dǎo)帶的平衡電子濃度p1費(fèi)米能級(jí)與復(fù)合中心重合時(shí)價(jià)帶的平衡空穴濃度Nt復(fù)合中心濃度,顯然：少子壽命與復(fù)合中心濃度Nt成反比。,A,10,當(dāng)EtEi時(shí)，U最大，=p/U最小即缺陷能級(jí)位置在趨于禁帶中部時(shí)，載流子的壽命最小，也就是和

4、淺能級(jí)相比，深能級(jí)是更有效的復(fù)合中心。,硅晶體中的Cu、Fe、Au等雜質(zhì)形成的深能級(jí)均是有效的復(fù)合中心，從而降低硅塊/硅片少子壽命。,1.2間接復(fù)合,電子空穴對(duì)凈產(chǎn)生速率,A,11,概念：一個(gè)俄歇復(fù)合過程有三個(gè)載流子參與。載流子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，發(fā)生電子空穴對(duì)復(fù)合時(shí)，釋放的能量傳遞給另一個(gè)載流子，使該載流子被激發(fā)到更高的能級(jí)上去，被激發(fā)的載流子重新躍遷回低能級(jí)時(shí)，多于能量以聲子形式釋放的過程，即非輻射復(fù)合，又叫俄歇復(fù)合。俄歇復(fù)合是重?fù)诫s材料和被加熱至高溫的材料最主要的復(fù)合形式。,1.3俄歇復(fù)合,A,12,通常：俄歇復(fù)合在窄禁帶半導(dǎo)體、高溫情況下起重要作用。與雜質(zhì)、缺陷有關(guān)的復(fù)合過程，常常是

5、影響半導(dǎo)體發(fā)光器件的發(fā)光效率的重要因素。,1.3俄歇復(fù)合,A,13,概念：指在半導(dǎo)體表面發(fā)生的復(fù)合過程特點(diǎn)：材料表面的雜質(zhì)形成禁帶中的復(fù)合中心能級(jí)表面特有的缺陷形成禁帶中的復(fù)合中心能級(jí)是間接復(fù)合的復(fù)合機(jī)構(gòu)用間接復(fù)合理論來處理,1.4表面復(fù)合,A,14,少子壽命與表面復(fù)合的關(guān)系：假設(shè)兩種復(fù)合獨(dú)立發(fā)生，則總復(fù)合概率為：,其中：V、S分別為體內(nèi)、表面的少子壽命，有效壽命1/S表面復(fù)合概率，1/V體內(nèi)復(fù)合概率,1.4表面復(fù)合,A,15,二、少子壽命,當(dāng)存在光、電場(chǎng)等外界因素時(shí)，熱平衡條件被破壞，材料中載流子的濃度將高于n0、p0，稱高出部分為非平衡載流子，也稱過剩載流子。p型半導(dǎo)體，空穴為非平衡多數(shù)載

6、流子，即多子電子為非平衡少數(shù)載流子，即少子非平衡載流子的壽命指非平衡載流子的平均生存時(shí)間，用表示載流子消失的過程，主要決定于非平衡少數(shù)載流子，因此非平衡載流子壽命通?？梢杂梅瞧胶馍贁?shù)載流子壽命表示，稱為少數(shù)載流子壽命，簡(jiǎn)稱少子壽命。,A,16,二、少子壽命測(cè)試方法,少子壽命測(cè)量方法包括非平衡載流子的注入和檢測(cè)兩個(gè)基本方面。最常用的注入方法：光注入和電注入。,少子壽命測(cè)試方法有一下幾種：微波光電導(dǎo)衰減法（MW-PCD）；準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)法（QSSPC）；表面光電壓法（SPV）；IR濃度載流子濃度成像（CDI）；調(diào)制自由載流子吸收（MFcA）；光子束誘導(dǎo)電流（LBIC）；電子束誘導(dǎo)電流（EBLC）。,

7、A,17,2.1MW-PCD,微波光電導(dǎo)衰減法(MW-PCD/-PCD)：主要包括激光注入產(chǎn)生電子-空穴對(duì)和微波探測(cè)信號(hào)這兩個(gè)過程。測(cè)試原理：通過測(cè)試從樣品表面反射的微波功率隨時(shí)間變化曲線來記錄光電導(dǎo)的衰減。優(yōu)點(diǎn)：不需要絕對(duì)測(cè)量過剩載流子的大小，而是通過光電導(dǎo)進(jìn)行相對(duì)測(cè)量。缺點(diǎn)：當(dāng)瞬態(tài)方法測(cè)量短的載流子壽命時(shí)，需要快的電子學(xué)設(shè)備記錄非常快的光脈沖和光電導(dǎo)衰減信號(hào)。,A,18,-PCD測(cè)試得到的是有效少子壽命。影響因素：體壽命和表面壽命。有效少子壽命可由下式表示：,其中：,diff少子從樣品體內(nèi)擴(kuò)散到表面所需時(shí)間；surf樣品表面復(fù)合產(chǎn)生的表面壽命；meas樣品測(cè)試的少子壽命；d樣品厚度；S表面

8、復(fù)合速率；Dn，Dp分別為電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)。,2.1MW-PCD,A,19,不同表面復(fù)合速率下，測(cè)試的少子壽命與體壽命的關(guān)系,2.1MW-PCD,A,20,準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)法（QSSPC）測(cè)試原理：通過射頻電感耦合得到樣品中的光電壓或者光電流,光電流輸出的時(shí)間分辨信號(hào)被示波器記錄，最終經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理得到少子壽命的值。,特點(diǎn)：QSSPC直接就能夠測(cè)得過剩載流子濃度，因此可以直接得出少子壽命與過剩載流子濃度的關(guān)系曲線，且能得到PN結(jié)的暗飽和電流密度。,2.2QSSPC,A,21,2.3SPV,表面光電壓法（SPV）測(cè)試原理：當(dāng)光照在半導(dǎo)體表面時(shí)，產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，一般而言在半導(dǎo)體近表面區(qū)域電子、空

9、穴會(huì)從新分布，導(dǎo)致了能帶彎曲的減少，這種能帶彎曲的減少術(shù)語(yǔ)上稱為表面光電壓。SPV方法使用透明電極去測(cè)量由表面空間電荷區(qū)域聚集的載流子形成的電壓。特點(diǎn)：SPV方法適用于非常低的載流子注入水平。它是一種非損傷性的測(cè)試方法。,A,22,光子束誘生電流法（LBIC）測(cè)試原理：測(cè)量具有一定大小、形狀的單色光束激發(fā)太陽(yáng)電池產(chǎn)生的電流的光譜響應(yīng)特點(diǎn)：因?yàn)長(zhǎng)BIC通過測(cè)試短路電流，能夠給出半導(dǎo)體器件的光電學(xué)性能的直接信息，同時(shí)也能夠給出晶粒邊界的少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，或者復(fù)合速度等。另外還能夠結(jié)合光反射測(cè)量得到樣品的內(nèi)量子效率分布，它實(shí)際上是一種表征電池性能的很好方法。,2.4LBIC,A,23,硅片-PCD與PL圖像,3.少子壽命與電池效率的關(guān)系,暗色區(qū)為位錯(cuò)群缺陷區(qū)域，載流子復(fù)合速率大。,A,24,硅塊-PCD與PL影像,3.少子壽命與電池效率的關(guān)系,PL影像測(cè)試時(shí)間短，分辨率更高,A,25,一個(gè)硅塊不同位置硅片的PL圖像,A,26,硅片做成電池的LBIC、PL圖像,3.少子壽命與電池效率的關(guān)系,硅片PL圖像中的明暗