СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОГО ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В P(N) СЛОЯХ ЛОКАЛЬНЫХ УЧАСТКОВ КРЕМНИЕВЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ N-P(N)-P ТИПА Российский патент 2023 года по МПК H01L21/66 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области измерений электрофизических свойств полупроводниковых материалов и может быть использовано в электронной промышленности для определения фотоэлектрических параметров кремниевых солнечных элементов, таких как карты времени жизни неравновесных носителей заряда (ННЗ), их диффузионной длины и скорости поверхностной рекомбинации, представляющих собой распределение соответствующих измеряемых параметров по площади солнечных элементов. Эти измерения необходимы для увеличения эффективности солнечных элементов при преобразованиях солнечной энергии в электричество.

Уровень техники

Первоначально солнечные батареи, состоящие из наборов солнечных элементов (СЭ), использовались только в качестве источников питания на спутниках Земли. В последнее десятилетие ежегодное увеличение объема производства СЭ в ведущих странах составило в среднем 30-40%, а доля солнечной энергетики на мировом рынке возобновляемой энергии достигла примерно 5% (http://www.e-o.ru/research/75/49084.htm). КПД кремниевых СЭ к настоящему времени по сравнению с исходными удалось повысить более, чем 2 раза. В частности, недавно были получены КПД свыше 20% для СЭ из монокристаллического кремния (Zheng P., Rougieux F. E., et al. // Appl. Phys. Lett. 2016.V. 108. No 12. P. 122103) и рекордные значения (свыше 23%) для СЭ из кремния с гетеро-структурой (Mishima T., Taguchi M., Sakata H., et al. // Solar Energy Mat. & Solar Cells. 2011. V. 95. No 1. P. 18. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2010.04.030). Последние отличаются от предыдущих тем, что сильно легированные слои p⁺ и n⁺ типа изготавливаются из аморфного кремния с водородом (α-Si:H). В этом случае фото ЭДС, возникающая на гетеропереходе, больше на 0.2 В по сравнению с обычными p-n переходами. Чтобы в таких гетеропереходах аморфные слои p⁺ и n⁺ типа не снижали значения эффективного времени жизни (τ_eff) ННЗ, между ними и базовой областью создаются тонкие (толщиной несколько нанометров) высокоомные нелегированные слои аморфного кремния (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer, сокращенно - HIT). Их излишняя толщина также недопустима, поскольку эти слои представляют собой потенциальные барьеры, которые электроны должны преодолевать за счет туннелирования.

Главные усилия разработчиков новых СЭ направлены на повышение их КПД и, как следствие, снижение стоимости производимого ими электричества до уровня обычных источников энергии. Например, для снижения стоимости СЭ (Chebotareva A.B., Untila G.G., Kost T.N., et al. Transparent conductive polimers for solar cell current collection system. // 26 European Photo Volt. Solar Conf. and Exhibition. P.450-453) может быть использован способ нанесения на СЭ сеток контактов, состоящих из тонких медных проволок вместо полосок из серебра. Это существенно, т.к. в настоящее время половина добываемого в мире серебра расходуется на контакты к СЭ. В СЭ типа HIT, в отличие от СЭ на основе монокристаллического кремния, нанесение p⁺ и n⁺ слоев производится при существенно более низких температурах, что позволяет избежать появления внутренних натяжений. В результате становится возможным уменьшить толщину СЭ и тем самым также снизить их стоимость.

Основным параметром, определяющим КПД кремниевых СЭ является эффективное время жизни (τ_eff) неравновесных носителей заряда (ННЗ) в базовой области СЭ, т.е. в p(n) слое СЭ n⁺-p(n)-p⁺типа. τ_eff - это наиболее чувствительный параметр при оценке дефектной структуры полупроводниковых материалов. В случае нестационарных условий возбуждения ННЗ τ_eff есть время релаксации их концентрации. Способы определения τ_eff делятся на две группы. В одной из них значения τ_eff соответствуют усреднению по всей площади СЭ. В этом случае значения τ_eff зависят от средних по площади СЭ значений времени жизни ННЗ (τ) в базовой области и скорости их рекомбинации (S) на ее тыльной поверхности, а также условий измерений. В другой группе значения τ_eff соответствуют локальным по площади участкам СЭ. В этом случае значения τ_eff зависят и от других механизмов, которые будут рассмотрены ниже.

Измерения значений τ_eff позволяет вычислить и ряд других фотоэлектрических параметров СЭ. В частности, эффективную диффузионную длину ННЗ (L_eff) по формуле L²_eff=D⋅τ_eff, где D-коэффициент диффузии ННЗ. (В ряде случаев значения L_eff измеряют непосредственно). Такие измерения при двух и более длинах волн позволяют также раздельно определить значения τ и S (Warta J,.Sutter, B.Wagner, r.Schindler. Proc. Second World Conference on Phovoltaic Energy Conversion. Vienna Austria 1998. p.1650). Совокупность значений τ_eff и других рекомбинационных параметров локальных участков по площади СЭ принято называть картами (map) этих параметров.

Для достижения максимального КПД значения τ_eff локальных участков СЭ должны быть не только максимальными, но и однородными по всей его площади, т.е. разброс (изменение) значений τ_eff по площади должен быть минимальным (Wezep D.A., Velden M.H.L., Bosra D.M., Bosh R.C.M. «MDP lifetime measurements as a tool to predict solar cell efficiency». // Proc. 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference; the most inspiring platform for the global PV Solar Sector. (Hamburg, Germany, 5-9 September 2011). Munich: WIP-Renewables, 2011. P. 1423-1428), (Chung D., Mitchell B., Juhl M.K., Abbott M., and Trupke T. // 2018. IEEE Journal of Photovoltaics. V. 8, №4. Р.943-951. DOI: 10.1109/JPHOTOV. 2018.2831449).

Из уровня техники известны способы непосредственного определения распределений по площади значений τ_eff в базовой области СЭ. Эти способы основаны на регистрации фотопроводимости по воздействию СВЧ волны на подложку СЭ, т.е. до создания их p⁺ и n⁺ слоев и сеток контактов. Они состоят в сканировании поверхности таких пластин лучом света при энергии квантов больше ширины запрещенной зоны (hν>Eg). Сокращенно этот способ называют обычно MDP-map (Microwave Detected Photoconductivity). Способ по патенту США №5.406.214 от 11.04.1995. «Method and apparatus for measuring minority carrier lifetime in semiconductor materials» состоит в измерении изменений интенсивности СВЧ волны, которая отражается от исследуемой структуры или проходит через нее. В частности, при импульсной модуляции света измеряют время спада СВЧ фотопроводимости после окончания этих импульсов (Microwave Photoconductivity Decay - μPCD). Для повышения разрешающей способности метода при малых значениях τ_eff освещение осуществлялось через световод (диаметр светового пятна не более 100 мкм), а СВЧ зондирование производилось через коаксиальный кабель диаметром 1 мм (Palais O., Gervais J., Clerc L., el al. High resolution lifetime scan maps of silicon wafers. // Mater. Science and Engin. 2000. B71, P.47).

При локальном освещении к заметному ускорению релаксации концентрации ННЗ и, соответственно, фотопроводимости может приводить диффузия ННЗ из освещаемого участка через его боковые стороны в окружающие его неосвещаемые участки. Относительный вклад этого механизма снижают путем выбора радиуса R освещаемого участка до R>R₀, где R₀ - минимальный радиус участка, больше которого изменения τ_eff не превышают допустимой погрешности.

Недостаток таких СВЧ способов состоит в том, что при их использовании для определения значений τ_eff в локальных областях p(n) слоя готовых СЭ сильно снижается точность определения τ_eff. Это связано главным образом с тем, что при локальном освещении СЭ возникает градиент фото ЭДС между освещаемым и неосвещаемыми его участками. В результате ННЗ экстрагируют из освещаемого участка, перемещаются вдоль p⁺ и n⁺ слоев и покрывающих их сеток контактов, а затем инжектируют в окружающие их неосвещаемые участки. При этом возникает ток, который сглаживает рельеф этой фото ЭДС и заметно уменьшает время релаксации фотопроводимости освещаемого участка по сравнению с истинной величиной его τ_eff. Например, согласно проведенным измерениям (Koshelev O. G. and Untila G. G. Microwave Photoconductivity of Bifacial Silicon Solar Cells of p⁺nn⁺Type under Laser Irradiation. // Physics of Wave Phenomena, 2016, Vol.24, No. 3, pp.214-218) при освещении белым светом 0.01 площади стандартного СЭ постоянная фото ЭДС на контактах снижалась примерно на 30% по сравнению с фото ЭДС холостого хода (т.е. при отсутствии нагрузки). Это означает, что шунтирующее действие таких токов должно приводить к сглаживанию рельефов карт измеряемых параметров СЭ. Согласно расчетам этой же работы, в случае τ_eff=1000 мкс при снижении фото ЭДС всего на 10% среднее по толщине время релаксации фотопроводимости может снижаться в 9 раз. Другими словами, такое шунтирование приводит к существенному искажению карт τ_eff, т.е. распределений значений τ_eff по площади СЭ.

Известен способ определения карт в базовой области СЭ, основанный на электролюминесценции и получивший название EL способа (Electroluminescence method). Способ основан на том, что часть ННЗ в базовой области, создаваемых в данном случае инжекцией током через p-n переход, рекомбинирует излучательно (Fuyuki, Method and apparatus for evaluating solar cell and use thereof. USA patent №7,601,941 and Fuyuki T., et al. Photographic surveying of minority carriers diffusion length in polycrystalline silicon solar cells by electroluminescence. // Appl. Phys. Let. 27.06.2005. V. 86, No. 26. P. 262108-1-3. https://doi.org/10.1063/1.1978979). При этом регистрируют изображения, соответствующие интенсивности такого излучения. Регистрация производилась фотокамерой на основе матриц кремниевых фотоприемников, подключаемых к матрицам приборов с зарядовой связью (CCD charge-coupled device camera). Сначала определение L_eff этим способом производилось по одной карте интенсивности излучения. При этом предполагалось, что интенсивность излучения линейно зависит от L_eff. Недостаток этого способа состоит в его невысокой точности из- за того, что такая линейная зависимость не соответствует современным СЭ и сохраняется только для СЭ, у которых L_eff меньше толщины СЭ.

Данный недостаток устраняется в другом решении, в котором определение карт L_eff производилось по отношениям интенсивностей двух таких карт изображений, но соответствующих различным распределениям ННЗ по толщине базовой области (Würfel P., Trupke T. and Puzzer T. Diffusion lengths of silicon solar cells from luminescence images. // Journal of Applied Physics. 2007. V.101. No.12. art. 123110; https://doi.org/10.1063/1.2749201). Для этого между СЭ и фотокамерой устанавливались оптические фильтры, не пропускающие волны длиннее 900 и 1000 нм. Однако распределения ННЗ по толщине базовой области и в этом EL способе существенно отличаются от солнечного освещения. Поскольку L_eff в кремнии часто существенно зависит от уровня инжекции, то в этих случаях точность определения карт фотоэлектрических параметров СЭ также снижается (Cuevas A., Macdonald D. Measuring and interpreting the lifetime of silicon wafers. //Solar Energy. 76 (2004). P. 255-262, J. Schmidt. Appl. Phys. Let.1998. V. 73. №15. P. 2167-2169).

Указанный недостаток устранен в способе, называемым фотолюминесцентным (PL - photoluminescence method) или сокращенно PL способом. Он также основан на регистрации изображений, создаваемых рекомбинационным излучением ННЗ. Но в данном случае их возбуждение производится светом (Trupke, et al. Determining diffusion length of minority carriers using luminescence. 13.10.2009 Patent USA No. 7,919,762, Chen, et al. Method for inspecting solar cell packages. // 23.07.2019. Patent USA No. 10,361,656). В отличие от EL способа, он позволяет варьировать распределение ННЗ по толщине базы СЭ путем изменения длины волны света. В частности, последний способ позволяет создавать условия, приближенные к условиям солнечного освещения. Это позволяет с более высокой точностью, чем в EL способе, определять скорость рекомбинации ННЗ на тыльной стороне базы. В PL способе обычно p-n переход сканируется узким лучом света. Например, в источнике Repins, et al. Photoluminescence-based quality control for thin film absorber layers of photovoltaic devices. // 7.07.2015. Patent USA No. 5,406,367 освещение производилось от маломощного импульсного лазерного диода через оптоволоконный световод. Для регистрации рекомбинационного излучения используют как одиночные фотодетекторы, так и фотокамеры (иногда охлаждаемые), изготовленные из кремниевых приборов с зарядовой связью (матриц CCD-«charge-coupled device»). Иногда в PL способе освещается сразу большая часть площади СЭ. Так, в работе Trupke T., Bardos R.A. Shubert M.C., Warta W. Photoluminescence imaging of silicon wafers. // Appl. Phys. Let. 2006. V.89. Art. 044107 освещалась площадь 8.5х8.5 см² лазерным диодом с длиной волны 815 нм мощностью 15 Вт.Первоначально PL способом измеряли карты интенсивности фотолюминесценции (PLI -photoluminescence imaging), по которым определяли карты средних по толщине СЭ значений концентраций ННЗ (CDI - carrier density imaging). При известной мощности (P) поглощаемого света такие карты позволяют также определять карты средних по толщине базы значений τ_eff по формуле τ_eff=n∙hν/P, где n - концентрация ННЗ, hν - энергия кванта света. В этом случае точность определения τ_eff существенно зависит от точности определения интенсивности зондирующего света. Чтобы исключить этот возможный источник ошибок, в работе Giesecke J. A., Schindler F., Buhler M., Schubert M. C., and Warta W. Accurate determination of minority carrier mobility in silicon from quasi-steady-state photoluminescence. // J. Appl. Phys. 2013. V.113. 213705 был предложен PL способ, основанный на измерении отношений интенсивностей двух фотолюминесцентных изображений (PLIR-Photoluminescence intensity ratio), соответствующих двум разным длинам волн. Для этого использовались лазеры с длиной волны 915 и 1030 нм. Для исключения попадания света от лазера на приемную фотокамеру, перед ней устанавливался дополнительный фильтр, не пропускающий излучения лазеров. При исследовании различных карт СЭ недостаток аналогов, основанных на PL способах, тот же, что и в случае MDP способов - снижение точности измерений из-за сглаживания карт τ_eff вследствие шунтирующих токов по n⁺ и p⁺слоям и покрывающим их сеткам контактов.

Указанный недостаток измерений, основанных на PL способах, устраняется в способе, получившим название LBIC способа (light beam induced current) (https://www.czl.ru/applications/light-beam-induced-current-lbic/, Sopori Defect mapping system USA Pat. 11.04.1995 №5,406,367). Он основан на сканировании p-n перехода СЭ лучом света лазера и измерении возникающего при этом тока короткого замыкания (J_sc). В этих случаях влияние рассмотренных выше шунтирующих токов становится пренебрежимо малым. В этом способе для определения величины поглощаемой СЭ мощности света исследуемый СЭ помещают в интегрирующую камеру (в форме сферы) с фотоприемником-детектором. Такие измерения проводят на нескольких длинах волн (λ), при которых глубина проникновения света меняется от долей толщины СЭ до величины ее превышающую. Эти измерения позволяют определять внешнюю квантовую эффективность, т.е. вероятность прохождения одного ННЗ через p-n переход в случае падения одного кванта света на p-n переход СЭ при измерениях в режиме тока короткого замыкания. Этот параметр часто называют также коэффициентом собирания (Q_sc) и определяют по формуле

где h- постоянная Планка, c - скорость света, e - заряд электрона, Р - поглощаемая в СЭ мощность света, равная разности мощностей падающей на СЭ и не поглощенной, регистрируемой на интегрирующей сфере, J_sc - ток короткого замыкания. При этом определение карт L_eff и ряда других параметров основано на линейной экстраполяции зависимости 1/Q(λ) от α(λ), где α - коэффициента поглощения света в кремнии. Но это условие выполняется лишь при малых значениях L_eff, когда αL_eff<<1 (Васильев А.М., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М.: Сов. радио. 1971. http://www.toroid.ru/vasiliev AM.html). В современных СЭ, как правило, это неравенство не выполняется. В общем же случае даже на СЭ без текстурирования поверхности зависимость Q^-1(α) имеет гораздо более сложный характер. В частности, эта зависимость определяется не только объемным временем жизни ННЗ, но и скоростью их поверхностной рекомбинацией и толщиной СЭ. Отклонение от линейности зависимости Q^-1 от α используется в большинстве бесконтактных способов для раздельного определения объемного времени жизни ННЗ (τ) в базовой области и скорости их рекомбинации (S) на ее тыльной стороне. Другими словами, это отклонение вполне измеримо. Таким образом недостаток аналогов, основанных на LBIC способе, состоит в снижении точности определения карт фотоэлектрических параметров, в том числе τ_eff, из-за допущения линейности зависимости Q^-1(α).

Наиболее близким к заявляемому изобретению является LBIC способ, имеющий название - SR-LBIC способ (spectrally resolved LBIC). В этом способе в качестве источников света использовались лазерные диоды, которые на поверхности СЭ создавали освещенность в АМ1, что равно 925 Вт/м² и соответствует интенсивности солнечного света на поверхности Земли, когда Солнце находится в зените. Излучение лазеров фокусировалось на поверхности СЭ. Диаметр светового пятна составлял 50 мкм. Интенсивность света модулировалась по амплитуде синусоидально с частотами до 10 кГц. Поглощаемая СЭ мощность света определялась с помощью двух фотодиодов, что позволяло определять падающую на СЭ и отраженную от него интенсивности света. На основании этих измерений, а также измерений тока короткого замыкания определялись значения внешней квантовой эффективности. Далее, как и в других LBIC способах, производилось определение параметров других карт фотоэлектрических параметров СЭ.

Недостаток прототипа, как и других LBIC способов, состоит в том, что определение карт L_eff производилось при допущении линейности зависимости Q^-1(α), что приводит к снижению точности способа.

Таким образом, применение аналогов, таких как μPCD, PL и PLIR, для определения значений τ_eff в локальных участках СЭ осложняется тем, что шунтирующее действие p⁺ и n⁺слоями и покрывающими их сетками контактов приводит к снижению точности определения значений τ_eff. (У LBIC способов, в том числе у прототипа, эта точность ограничена другими рассмотренными выше факторами). Также выше было показано, что снижение точности из-а шунтирования может быть весьма существенным. С другой стороны, однородность в значениях τ_eff по площади СЭ имеет важное значение для получения у СЭ максимальных КПД. Ввиду всего этого разработка способа снижения влияния шунтирующего действия слоев, покрывающих базовую область СЭ является актуальной задачей.

Таким образом, техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, состоит в необходимости устранения влияния шунтирования освещаемого участка СЭ окружающими его неосвещаемыми участками, что будет способствовать повышению точности определения значений τ_eff ННЗ в локальных участках базовой области кремниевого СЭ, т.е. p(n) слое СЭ n⁺-p-p⁺типа и последующего построения на их основе карт значений τ_eff.

Краткое раскрытие сущности изобретения

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в исключении на частоте модуляции света воздействия шунтирующего действия токов вдоль лицевой и тыльной сторон СЭ по p⁺ и n⁺слоям и покрывающих их сеткам контактов за счет подачи на контакты СЭ постоянного напряжения, достаточного для запирания СЭ в течение всего периода модуляции. В результате исключается возможность экстракции ННЗ из освещаемого участка СЭ и их последующая инжекция в окружающие неосвещаемые участки СЭ. Между источником постоянного запирающего напряжения и СЭ дополнительно включают резистор и (или) индуктивность, суммарное сопротивление которых на частоте модуляции падающего света существенно выше дифференциального сопротивления освещаемого участка СЭ. Кроме того, технический результат достигается благодаря тому, что между источником постоянного запирающего напряжения и СЭ дополнительно включают резистор и (или) индуктивность, суммарное сопротивление которых на частоте модуляции падающего света существенно выше дифференциального сопротивления освещаемого участка СЭ. В результате практически исключается шунтирование по переменной составляющей освещаемого участка источником постоянного напряжения. В результате релаксация концентрации ННЗ в освещаемом участке происходит только за счет их рекомбинации в нем самом.

Заявленный технический результат достигается тем, что способ определения эффективного времени жизни (τ_eff) неравновесных носителей заряда (ННЗ) у кремниевых солнечных элементов (СЭ) n⁺-p(n)-p⁺типа в n(p) слоях предварительно выбранных локальных участков радиусом R, где R>R₀, где R₀ - минимальный радиус участка, больше которого изменения τ_eff не превышают допустимой погрешности, включает поочередное освещение выбранных участков в течение времени измерения τ_eff амплитудно-модулированным светом с энергией квантов, достаточной для создании ННЗ обоих знаков, проникающим в кремний на глубину свыше 2-3 толщин n⁺ и p⁺слоев, измерение при частоте модуляции света переменного напряжения на контактах СЭ или другого элемента устройства и вычисление эффективного времени жизни (τ_eff) неравновесных носителей заряда (ННЗ), при этом предварительно, до освещения, на контакты СЭ от источника напряжения подают постоянное напряжение, достаточное для запирания СЭ при последующем его освещении, и последовательно с указанным источником напряжения и СЭ подключают резистор и/или индуктивность, общее дифференциальное сопротивление которых на частоте модуляции света больше внутреннего сопротивления освещаемого участка. Освещение производят со стороны p-n перехода светом, который в p(n) слое поглощается на глубинах, в несколько раз меньших толщины этого слоя. Переменное напряжение на частоте модуляции света измеряют на контактах СЭ, при этом интенсивность освещения выбирают такой, чтобы амплитуда переменной фото ЭДС между контактами была меньше 10 мВ. Для осуществления измерений τ_eff СЭ дополнительно может быть зондирован СВЧ волной, при этом переменное напряжение измеряют на СВЧ детекторе, которым регистрируют модуляцию СВЧ волны, отражающейся от СЭ или проходящей через него. Модуляция света может быть выполнена прямоугольными импульсами с периодом, превышающим максимально ожидаемые значения τ_eff не менее, чем 2 раза, при этом значения τ_eff определяют по формуле V=V₀ exp(-t/τ_eff), где V₀ и V - измеряемые переменные напряжения в момент выключения импульса света и через время t после его выключения. Модуляция света может быть выполнена синусоидальной, при этом на частоте f измеряют сдвиг фаз (ϕ) между модуляцией интенсивности света, падающего на СЭ, и модуляцией измеряемого переменного напряжения на контактах СЭ или СВЧ детекторе, при этом значения τ_eff определяют по формуле τ_eff=tg(ϕ)/(2πf).

При этом освещение должно производится с энергией квантов, достаточной для генерации ННЗ обоих знаков, проникающим в кремний на глубину d₁ свыше 2 ÷3 толщин n⁺ и p⁺слоев. С другой стороны, при измерениях τ_eff заявляемым способом непосредственно по переменному напряжению на контактах СЭ нужно, чтобы освещение производилось со стороны p-n перехода, а величина d₁ была существенно меньше толщины СЭ, т.е. чтобы время диффузии ННЗ из области генерации к p-n переходу было мало по сравнению с τ_eff.

Сущность изобретения состоит также и в том, что оно допускает проведение измерений при генерации ННЗ по всей толщине базового слоя, а также при освещении двусторонних СЭ с тыльной стороны. Это достигается путем измерений переменного напряжения на СВЧ детекторе, связанного с модуляцией концентрации ННЗ в объеме базовой области и определяемое по модуляции СВЧ волны, отражающейся от СЭ.

Осуществление изобретения путем измерений непосредственно с контактов СЭ основано на использовании существенно более простого оборудования, чем в случае СВЧ измерений. Однако для его применения в первом случае амплитуда модуляции (V0) переменного напряжения строго говоря должна удовлетворять условию V0<<А х 25 мВ, где фактор идеальности А=1÷3. Согласно оценкам, при V0<А х 10 мВ отклонение от линейности зависимости V0 не превышает 10%. Это ограничение величину V0 (см. п.3 формулы изобретения) связано с тем, эта амплитуда нелинейно связана с концентрацией (n) ННЗ (Васильев А.М., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М.: Сов. радио. 1971).

В случае регистрации переменного напряжения с СВЧ детектора диффузия ННЗ не влияет на результат. При концентрациях ННЗ, соответствующих солнечному освещению, глубина модуляции СВЧ волны в СЭ линейно зависит от количества ННЗ в освещаемом участке. Отсутствие этих ограничений позволяет получить дополнительную информацию о фотоэлектрических параметрах СЭ. Например, попеременные измерения значений τ_eff с обеих сторон двусторонних СЭ представляет интерес для раздельного определения времени жизни (τ) ННЗ в объеме базовой области и скорости поверхностной рекомбинации (S) на ее тыльной стороне. При этом значения (и S по измеренным значениям τ_eff можно определить по номограммам, аналогично работе (Кошелев О.Г., Васильев Н.Г. Бесконтактное определение скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей заряда на p-p⁺(n-n⁺) -границе кремниевых n⁺-p(n)-p⁺структур компенсационным методом. Изв. РАН. Сер. Физ. 2018, том 82, №1, с.109-113).

При использовании заявляемого изобретения для определения значений τ_eff модуляция света может выполняться как прямоугольными импульсами, так и синусоидально. В 1-ом случае период колебаний должен превышать максимально ожидаемые значенияτ_eff не менее, чем в 2 раза, при этом значенияτ_eff определяют по формуле V=V0exp(-t/τ_eff), где V0 и V-измеряемые переменные напряжения в момент выключения импульса света и через время t после его выключения. При синусоидальной модуляции, при этом на частоте f измеряют сдвиг фаз (ϕ) между модуляцией интенсивности света, падающего на СЭ, и модуляцией измеряемого переменного напряжения на контактах СЭ или СВЧ детекторе. При этом значенияτ_eff определяют по формулеτ_eff=tg(ϕ)/(2πf).

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение поясняется фигурами 1-6, на которых цифрами обозначены следующие позиции:

1. солнечный элемент

2. источник света

3. нейтральный фильтр

4. усилитель

5. модулятор (генератор переменного напряжения в форме прямоугольных импульсов или синусоиды)

6. лазер (или светодиод)

7. осциллограф

8. СВЧ генератор

9. фазовый вольтметр,

10. циркулятор.

На фиг.1 приведена схема измерений локальной фото ЭДС на макете неоднородного СЭ, состоящего из двух СЭ (1). Из них левый (меньшей площади) освещался от источника белого света (2) через сменяемый нейтральный фильтр (3). При этом на его контакты подавалось запирающее напряжение; измерения по этой схеме выполнялись, в частности, для подтверждения того, что при шунтировании левого, освещаемого СЭ правым, неосвещаемым СЭ запирающее напряжение приводит к увеличению величины фото ЭДС освещаемого участка СЭ,

на фиг.2 приведены графики зависимостей напряжений (V_СЭ, мВ) на СЭ (СЭ1 И СЭ2) от интенсивности белого света (P, в % от ее максимального значения) при различных значениях напряжений на контактах СЭ в отсутствии освещения (V_П). Измерения выполнены на схеме, приведенной на фиг.1; эти кривые приведены для оценки условий, при которых напряжение на СЭ остается запирающим в течении всего периода модуляции;

на последующих трех рисунках приведены различные блок-схемы опытных образцов устройств, реализующих заявляемый способ измерения значений τ_eff локального участка базовой, p(n) области СЭ;

на фиг.3 приведена блок-схема опытного образца такого устройства, основанного на импульсной модуляции интенсивности луча света и регистрации осциллографом сигнала с контактов СЭ: при этом значения τ_eff определяют по формуле

где V₀ и V - переменные напряжения на контактах в момент выключения импульса и через время t после его выключения;

на фиг.4 приведена блок-схема опытного образца такого устройства, основанного на синусоидальной модуляции интенсивности луча света с частотой f и регистрации фазовым вольтметром сдвига фаз (ϕ) между модуляциями напряжений на модуляторе и на контактах СЭ;

на фиг.5 приведена блок-схема опытного образца устройства, основанного на импульсной модуляции интенсивности луча и регистрации осциллографом сигнала на контактах СВЧ детектора, при этом значения τ_eff определялись также, как в случае фиг.3;

на фиг.6 приведен результат измерений τ_eff одного из СЭ, проведенных на опытном образце устройства, блок-схема которого показана на фиг.4. Эти измерения проводились по двум линиям на расстоянии 4 см между ними. По оси Х отложено расстояние середин освещаемых участков до боковой грани СЭ, а по оси У - полученные значения τ_eff (в относительных единицах), при этом точность измерений составляла 2-4%, а среднее значение τ_eff около 93 мкс.

Осуществление изобретения

При осуществлении настоящего изобретения проводились как известные ранее действия, так и новые, оригинальные действия. Их можно объединить в следующие группы:

А. Предварительные действия, которые не входят в состав изобретения, но необходимы для выбора оптимальных значений сопротивлений резистора и/или индуктивности при их последующем включении между СЭ и внешним источником постоянного напряжения:

1. Освещают всю лицевую поверхность СЭ выбранным источником освещения и определяют внутреннее сопротивление СЭ (R_сэ).

2. Вычисляют внутреннее сопротивление (R_у) освещаемого в дальнейшем участка СЭ по формуле R_у=(S_сэ / S_у)хR_сэ, где S_сэ и S_у - площади СЭ и его освещаемого в дальнейшем участка.

3. Выбирают значения резистора и/или индуктивности такими, чтобы их суммарное сопротивление на частоте модуляции сета было существенно больше R_у,

Б. Далее осуществляют действия, аналогичные действиям прототипа и некоторых аналогов

1. Выбирают источник освещения, у которого энергия квантов достаточна для создания ННЗ обоих знаков и свет которого проникает в кремний на глубину свыше 2-3 толщин n⁺ и p⁺слоев. В настоящей работе освещение производилось в основном лазером типа LSR1064NL-100 на длину волны 1064 нм или GaAs светодиодами типа АЛ-107.

2. Выбирают радиус луча R таким, чтобы выполнялось условие R>R₀, где R₀ - минимальный радиус участка, больше которого изменения τ_eff не превышают допустимой погрешности его значений,

3. Устанавливают СЭ и источник модулированного света такими, чтобы свет попадал на один из участков лицевой стороны (т.е. со стороны p-n перехода) СЭ, на котором предполагается проведение измерений τ_eff,

4. Выбирают прибор (например, осциллограф или фазовый вольтметр) для последующих измерений исследуемого переменного напряжения.

5. К источнику света и регистрирующему прибору подключают модулятор (генерирующий переменное напряжение звуковой частоты в форме прямоугольных импульсов или синусоиды при фазовых измерениях),

6. Модулятор света подключают также ко входу синхронизации осциллографа при регистрации им исследуемого переменного напряжения, либо ко входу для опорного напряжения фазового вольтметра при регистрации фазовых сдвигов,

7. Для выполнения СВЧ измерений на освещаемый в дальнейшем участок СЭ направляют СВЧ волну от СВЧ генератора по волноводу через циркулятор, а после отражения от СЭ направляют обратно через тот же циркулятор на СВЧ детектор,

В. Непосредственные действия (новые) для осуществления изобретения

1. Выбирают резистор и (или) индуктивность, суммарное дифференциальное сопротивление которых на частоте модуляции света больше дифференциального сопротивления освещаемого участка на частоте модуляции.

2. Выбирают источник постоянного запирающего напряжения, регулируемого в пределах от 0 до 1 В и вольтметр постоянного тока для измерения этого напряжения и подключают их к контактам СЭ,

3. Выбранные и последовательно соединенные резистор и/или индуктивность подключают между СЭ и источником выбранного постоянного напряжения,

4. Для регистрации зависимости переменного напряжения после выключения импульса света вход измерительного прибора через усилитель подключают к контактам СЭ или к СВЧ детектору,

5. При измерениях переменного напряжения на контактах СЭ глубину модуляции света такой, чтобы амплитуда переменного напряжения не превышала А*10 мВ, где А - фактор идеальности СЭ, равный 1-3,

Г. Стандартные действия (расчеты) после проведения измерений

1. При импульсной модуляции интенсивности света определение τ_eff по зависимости напряжения (V) от времени (t) производят по формуле

2. При синусоидальной модуляции интенсивности света с частотой f и регистрации сдвига фаз (ϕ) между модуляциями интенсивности света и измеряемым напряжением определение τ_eff проводят по формуле

3. При определении τ_eff по сдвигу фаз частоту модуляции подбирают такой, чтобы параметр 2πfτ_eff был близок 1, т.е. 0.3<tg(ϕ)<3.

Пример выполнения измерений эффективного времени жизни ННЗ кремниевого СЭ в соответствии с заявляемым способом.

Прежде, чем проводить измерения значенийτ_eff, надо определить, какие условия оптимальны для получения истинных значенийτ_eff с максимальной точностью. А именно, нужно определить оптимальные значения радиуса (R) луча света, длины его
волны (λ), амплитуды модуляции (V0) измеряемых переменных напряжений, частоты
модуляции (f), а также величину дифференциального сопротивления (Z) на этой
частоте резистора и/или индуктивности между источником постоянного напряжения и
СЭ. Большинство этих условий зависят в первую очередь от ожидаемых значенийτ_eff и длин диффузии Leff ННЗ. Для проведения пробных измерений значенийτ_eff заявляемым способом был взят односторонний СЭ n⁺-p-p⁺типа, с толщинами n⁺слоя 0.5 мкм, базы 0.4 мм и ожидаемым средним значениемτ_eff, равным 100 мкс, обозначенным какτav. При этом ожидаемая средняя эффективная длина диффузии Lav=0.35 мм. (Это соответствует
коэффициенту диффузии электронов (D) около 12 см²/с, характерному для СЭ с удельным сопротивлением базовой области в несколько Ом.см).

Выбор длины волны (λ) луча света и амплитуды его модуляции. Для определения τ_eff заявляемым способом путем измерений переменных напряжений непосредственно на контактах СЭ нужно, чтобы поглощение света происходило в основном в базовом слое вблизи p-n перехода. Поэтому в качестве источника света был выбран лазер с λ=808 нм. Использовался лазер типа LSR808NL-200, коэффициент поглощения света которого α=770 см^-1. (В случае же измерений переменного напряжения с СВЧ детектора использовался лазер типа LSR1064NL-100, у которого λ=1064 нм, а α=10 см^-1). Интенсивность излучения таких лазеров могла модулироваться внешним генератором. При λ=808 нм поглощение света происходит в основном в прилегающем к n⁺-p переходу слое толщиной d1=(1/α)=13 мкм, т.е. в базовой области СЭ, поскольку толщина n⁺слоя составляет 0.5 мкм. Время диффузии ННЗ к n⁺-p переходу из такого слоя составляет примерно (d1/2)²/D=0.01 мкс, что существенно меньше τav. Таким образом, в этом случае выполняется пункт 2 формулы. При этом значения τ_eff допустимо измерять непосредственно на контактах СЭ при выполнении также п.3 формулы, т.е. при V₀<10÷30 мВ. Еще большее снижение амплитуды этого переменного напряжения (V₀) нежелательно, т.к. тогда происходит ухудшение отношения сигнал/шум и, значит, снижение точности определения τ_eff. Таким образом, при измерениях τ_eff амплитуда модуляции интенсивность света устанавливалась такой, чтобы V₀10 мВ.

Выбор частоты модуляции интенсивности луча света. Определение τ_effпроводились по измерениям сдвига фаз (ϕ) между модуляциями лазера и напряжения на контактах СЭ при синусоидальной модуляции интенсивности света, а вычисления их значений проводились по формуле τ_eff=tg(ϕ)/(2πf). Значение f выбиралось таким, чтобы ϕ=45⁰ при τ_eff=τav. При этом f=1600 Гц, а точность измерений максимальна.

Выбор сопротивления резистора между источником постоянного напряжения и СЭ. Чтобы этот источник не шунтировал освещаемый участок СЭ на частоте f, сопротивление этого резистора (Z) должно быть существенно больше внутреннего сопротивления (R₀) освещаемого участка СЭ. Значение R₀ вычислялось по формуле R₀=R_сэS_сэ /S), где R_сэ -внутреннее сопротивление СЭ при такой же интенсивности, как при последующих измерениях τ_eff, S_сэ и S₀ - площади СЭ и освещаемого участка. Таким образом было получено, что R₀=5.6 кОм, поэтому было выбрано значение Z=50 кОм. Выбор радиуса луча света. Радиус луча света и освещаемого участка (R) определяется компромиссом между двумя противоположными условиями. Для исключения влияния диффузии ННЗ через боковые стенки на τ_eff нужно, чтобы R>>Leff. А чтобы разрешающая способность способа была максимальной, значение R должно быть минимальным. В настоящей работе было взято значение R=2 мм, τ_av=100 мкс, при этом отношение R/Lav=5.7.

Пробные измерения заявляемым способом были проведены на устройстве, блок-схема которого приведена на фиг.4. СЭ1 освещался лучом лазера 6, интенсивность которого модулировалась генератором 5. Значения τ_eff измерялись фазовым вольтметром 9, на входы которого подавались переменные напряжения с частотой f: на вход «изм»- исследуемое напряжение с контактов СЭ через усилитель 4, а на вход «оп» - опорное напряжение с модулятора 4. Результаты измерений при рассмотренных выше условиях приведены на фиг.6 и в таблице. Эти измерения проводились по двум линиям на расстоянии 4 см между ними. На фиг.6 по оси Х отложено расстояние середин освещаемых участков до боковой грани СЭ, а по оси У-полученные значения τ_eff в относительных единицах (эти значения нормированы на τ_av=93 мкс). В верхней строке таблицы приведены те же расстояния Х, что и на фиг.6, а в двух нижних строках -значения τ_eff в мкс. Случайные ошибки этих измерений составляли 2-4%.

Таблица 1 Зависимости τ_eff [мкс] локальных участков от их расстояния Х [см] до края СЭ по двум параллельным линиям, расстояние между которыми равно 4 см. Х. см 1 3 5 7 9 11 13 15 строка 1 97 116 71 100 96 82 74 96 строка 2 80 109 116 84 116 78 106 114

Преимущества предлагаемого способа перед аналогами

В отличие от аналогов, основанных на EL способах, предлагаемый способ, основанный на регистрации модуляции СВЧ волны, отражающейся от СЭ или проходящей через него, позволяет повысить точность определения значений τ_eff локальных участков СЭ путем создания условий, соответствующих солнечному освещению. Это можно осуществить путем дополнительной постоянной подсветки белым светом всего СЭ с интенсивностью, соответствующей солнечному освещению при малой глубине модуляции сканирующего луча света.

В отличие от аналогов, основанных на РL способах, предлагаемый способ позволяет повысить точность определения значений τ_eff локальных участков СЭ и, соответственно, карт τ_eff благодаря исключению шунтирующего действия токов по лицевой и тыльной поверхностям СЭ. Повышение точности достигается также тем, что значения τ_eff измеряют непосредственно, а не косвенно (как в упомянутых аналогах путем расчетов, основанных на приближенно выполняемых условиях).

В большинстве аналогов, основанных на LBIC способах, определение значений τ_eff локальных участков СЭ и их карт состоят в измерениях тока короткого замыкания при нескольких длинах волн сканирующего луча света (Для вычисления зависимости Q^-1(α)). Тогда как предлагаемый способ позволяет определять эти параметры путем измерений только на одной длине волны источника света, сканирующего поверхность СЭ. Это позволяет в несколько раз ускорить процесс измерений.

Для лабораторий, занимающихся измерением τ_eff в локальных областях СЭ и их заготовок, применение предлагаемого способа не требует больших затрат.Например, при наличии СВЧ установки для измерения карт τ_eff подложек СЭ MDP способом необходимо добавление всего нескольких радиодеталей (источник постоянного напряжения 0-1 В, вольтметр для контроля этих напряжений, резистор и/или индуктивность). Но при этом становится возможным также измерять этим способом значения τ_eff локальных участков готовых СЭ и их карты.

Способ предназначен для определения эффективного времени жизни (τ_eff) неравновесных носителей заряда в локальных участках солнечного элемента (СЭ) и последующей оценки его качества, а также обнаружения его дефектов с целью их последующего устранения. Способ основан на освещении локальных участков СЭ лучом модулированного по интенсивности света и измерении переменного напряжения непосредственно с контактов СЭ или с СВЧ-детектора. Переменное напряжение на СВЧ-детекторе определяется модуляцией поглощения СВЧ-волны освещаемым участком СЭ. Отличительная особенность способа состоит в том, что с целью повышения точности определения τ_eff локальных участков СЭ путем устранения шунтирования освещаемого участка окружающими его неосвещаемыми участками на СЭ подают постоянное запирающее напряжение. Причем, чтобы источник этого напряжения не шунтировал освещаемый участок на частоте модуляции света, между источником этого напряжения и контактами СЭ подключают резистор и/или индуктивность, общее дифференциальное сопротивление которых существенно больше внутреннего сопротивления освещаемого участка. Технический результат заключается в исключении на частоте модуляции света воздействия шунтирующего действия токов вдоль лицевой и тыльной сторон СЭ по p⁺- и n⁺-слоям и покрывающих их сеткам контактов за счет подачи на контакты СЭ постоянного напряжения, достаточного для запирания СЭ в течение всего периода модуляции, в результате исключается возможность экстракции ННЗ из освещаемого участка СЭ и их последующая инжекция в окружающие неосвещаемые участки СЭ. 5 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Способ определения эффективного времени жизни (τ_eff) неравновесных носителей заряда (ННЗ) у кремниевых солнечных элементов (СЭ) n⁺-p(n)-p⁺ типа в n(p) слоях предварительно выбранных локальных участков радиусом R, где R>R₀, где R₀ - минимальный радиус участка, больше которого изменения τ_eff не превышают допустимой погрешности, включающий поочередное освещение выбранных участков в течение времени измерения τ_eff амплитудно-модулированным светом с энергией квантов, достаточной для создании ННЗ обоих знаков, проникающим в кремний на глубину свыше 2-3 толщин n⁺ и p⁺ слоев, измерение при частоте модуляции света переменного напряжения на контактах СЭ или другого элемента устройства и вычисление эффективного времени жизни (τ_eff) неравновесных носителей заряда (ННЗ), при этом предварительно, до освещения, на контакты СЭ от источника напряжения подают постоянное напряжение, достаточное для запирания СЭ при последующем его освещении, и последовательно с указанным источником напряжения и СЭ подключают резистор и/или индуктивность, общее дифференциальное сопротивление которых на частоте модуляции света больше внутреннего сопротивления освещаемого участка.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что освещение производят со стороны p-n-перехода светом, который в p(n) слое поглощается на глубинах, в несколько раз меньших толщины этого слоя.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что переменное напряжение на частоте модуляции света измеряют на контактах СЭ, при этом интенсивность освещения выбирают такой, чтобы амплитуда переменной фото ЭДС между контактами была меньше 10 мВ.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для осуществления измерений τ_eff СЭ дополнительно зондируют СВЧ-волной, а переменное напряжение измеряют на СВЧ-детекторе, которым регистрируют модуляцию СВЧ-волны, отражающейся от СЭ или проходящей через него.

5. Способ по п. 1 или 4, отличающийся тем, что модуляцию света выполняют прямоугольными импульсами с периодом, превышающим максимально ожидаемые значения τ_eff не менее чем 2 раза, а значения τ_eff определяют по формуле V=V₀ exp(-t/τ_eff), где V₀ и V – измеряемые переменные напряжения в момент выключения импульса света и через время t после его выключения.

6. Способ по п. 1 или 4, отличающийся тем, что модуляцию света выполняют синусоидальной, при этом на частоте f измеряют сдвиг фаз (ϕ) между модуляцией интенсивности света, падающего на СЭ, и модуляцией измеряемого переменного напряжения на контактах СЭ или СВЧ-детекторе, при этом значения τ_eff определяют по формуле τ_eff=tg(ϕ)/(2πf).