基于正偏噪聲的太陽能電池檢測方法

1.1基于g-r噪聲的太陽能電池材料深能級雜質(zhì)檢測

1.1.1 g-r噪聲的產(chǎn)生機(jī)制與模型

在半導(dǎo)體材料或者是器件中，存在著能夠發(fā)射或俘獲載流子的各種雜質(zhì)中心。根據(jù)它們在禁帶中能級位置的不同，分別起著受主中心、施主中心、陷阱中心或產(chǎn)生-復(fù)合中心的作用。這些雜質(zhì)中心對載流子的發(fā)射和俘獲是一種隨機(jī)事件，因此占據(jù)其能級的載流子數(shù)目隨機(jī)漲落，同時(shí)引起導(dǎo)帶電子或價(jià)帶空穴的隨機(jī)變化。

由此而產(chǎn)生的噪聲稱為產(chǎn)生-復(fù)合噪聲，簡稱g-r噪聲。當(dāng)雜質(zhì)能級低于費(fèi)米能級若干kT時(shí)，該能級總是滿的；當(dāng)雜質(zhì)能級高于費(fèi)米能級若干kT時(shí)，該能級總是空的。所以，只有能量在費(fèi)米能級附近幾個(gè)kT范圍內(nèi)的雜質(zhì)中心才對g-r噪聲有明顯貢獻(xiàn)。淺施主能級或者是淺受主能級分別靠近導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂，在通常的溫度和偏置范圍內(nèi)，距費(fèi)米能級較遠(yuǎn)，對g-r噪聲的貢獻(xiàn)甚微。因此，g-r噪聲主要來源于禁帶中部附近的深能級產(chǎn)生-復(fù)合中心和陷阱中心[47]。Hsu指出[48] p-n結(jié)的空間電荷區(qū)存在著由一個(gè)電荷控制的缺陷建立的勢壘，這個(gè)勢壘引起的雙穩(wěn)態(tài)的波動(dòng)引起了g-r噪聲。缺陷區(qū)的勢壘要比二極管的無缺陷區(qū)低很多，因此，缺陷區(qū)的電流要比無缺陷部分大很多。

其中I是通過p-n結(jié)的直流電流，qΔV是有效勢壘波動(dòng)的數(shù)值，ΔAA為有效面積的相對變化，n為I-V特性曲線的理想因子。

建立g-r噪聲的模型需要定義兩個(gè)時(shí)間常數(shù)+τ和

τ，+τ為g-r中心為空狀態(tài)（沒有電子占據(jù)）的時(shí)間，即俘獲時(shí)間常數(shù)，

τ為g-r中心被電子占據(jù)的時(shí)間，即發(fā)射時(shí)間常數(shù)。在時(shí)間+τ內(nèi)通過缺陷的電流為最大值，而在

τ時(shí)間內(nèi)通過缺陷的電流為最小值。

1.1.2利用g-r噪聲的太陽能電池深能級雜質(zhì)分析
噪聲作為半導(dǎo)體器件質(zhì)量控制和可靠性評估的工具，已得到廣大研究者一致接受和廣泛應(yīng)用。測試由于器件內(nèi)部的潛在缺陷引起的噪聲對器件質(zhì)量進(jìn)行研究的方法已經(jīng)有很久的歷史了。當(dāng)Z.Chobola研究單晶硅電池時(shí)[46]，有20%的器件出現(xiàn)了g-r噪聲。g-r噪聲的出現(xiàn)說明在p-n結(jié)空間電荷區(qū)存在位錯(cuò)，并且這些位錯(cuò)中存在的金屬雜質(zhì)增強(qiáng)了噪聲。從以上的說明可以看出g-r噪聲的存在可以作為器件可靠性評估的工具。通過對太陽能電池正向噪聲的測試可以發(fā)現(xiàn)，g-r噪聲功率譜密度隨正向偏壓的變化與1/f噪聲的不同[46]，見圖2.1.

圖2.1給出了文獻(xiàn)中進(jìn)行試驗(yàn)的204和206兩個(gè)樣品的電壓噪聲功率譜密度隨正向偏置電壓變化的曲線。在正向偏壓為0.2V時(shí)，樣品206的噪聲功率譜密度要比204高一個(gè)量級，達(dá)到了5*10 -15 V 2 s.在功率匹配的條件下得到了最大噪聲功率譜密度。樣品206在電壓0.3V到0.5V時(shí)出現(xiàn)了g-r噪聲。圖2.2給出了在偏壓為0.42V時(shí)樣品出現(xiàn)的g-r噪聲的時(shí)域圖像[46]。從圖中可以看出噪聲為雙穩(wěn)態(tài)脈沖噪聲，時(shí)間常數(shù)分別為0.01s和0.2s.

當(dāng)太陽能電池中出現(xiàn)g-r噪聲時(shí)，說明太陽能電池內(nèi)部存在深能級雜質(zhì)，通過測試噪聲功率譜密度隨溫度的變化關(guān)系，可以確定太陽能電池中深能級雜質(zhì)的能級大小。

圖2.3給出了樣品206電壓功率譜密度在280K到420K的溫度范圍內(nèi)隨溫度的變化，出現(xiàn)了3個(gè)中心頻率，100Hz、1K和10KHz.噪聲電壓是在100Ω的電阻上測量得到的[46]。電流常數(shù)為7mA.曲線中出現(xiàn)了一個(gè)尖峰，隨著頻率的降低移向低溫區(qū)。峰值頻率和溫度為：100Hz/295K，1KHz/340K和10KHz/385K.