Резко увеличить коротковолновую спектральную чувствительность кремниевых солнечных элементов можно, используя пассивирующую лленку, например, двуокиси или нитрида кремния. Пленка содер­жит встроенный электрический заряд и вместе с тонким легирован­ным слоем кремния, как и у солнечных элементов с тянущим полем л легированной области (см. 2.1), будет образовывать двухслойную структуру п+—п или р+—р, позволяющую приблизить тянущее электростатическое поле к поверхности, уменьшить эффективную скорость поверхностной рекомбинации и улучшить собирание избы­точных носителей заряда, созданных коротковолновым излучением, логлощенным вблизи поверхности солнечного элемента.

Подобная структура п+—гг-типа была осуществлена на низко — омных кремниевых монокристаллических подложках с удельным сопротивлением 0,1—0,3 Ом-см путем бомбардировки ионами фос­фора с энергией 10 кэВ и плотностью пучка ионов от 2,5-1012 до 2,5-1015 см~2 [126]. После бомбардировки проводился термический отжиг пластин в течение 30 мин при 850° С в атмосфере водяного пара и кислорода для электрической активации внедренной в крем­ний примеси фосфора. Одновременно на поверхности вырастала пленка двуокиси кремния толщиной 2000 А и происходило ее леги­рование фосфором и бором из подложки. Для уплотнения пленки двуокиси кремния осуществлялся еще один термический отжиг в су — jxom кислороде в течение одного часа при 700° С (показатель пре­ломления пленки при этом повышался до 1,48). Для восстановления времени жизни неосновных носителей в базовых слоях (подложках) лосле двух высокотемпературных отжигов образцы выдерживались при 550° С в течение двух часов. Медленным травлением толщина лшенки двуокиси кремния доводилась до значения 1000 А, оптималь­ного для просветления поверхности. Методом фотолитографии в пленке вытравливались окна для контактных полос из обычной трехслойной композиции: титан—палладий—серебро.

Распределение примесей фосфора и бора в легированной пленке Si02 и в верхнем слое кремния (рис. 2.5) было получено с помощью летода спектроскопии вторичных ионов. Мелкозалегающий р—п — дереход располагается на глубине 0,35 мкм.

Распределение примеси, как и при контролируемой диффузии — через анодную окисную пленку, имеет двухступенчатый профиль (с небольшим скачком концентрации примеси на границе раздела Si02—Si) (рис. 2.5). Следовательно, в этом случае также образуется тянущее электростатическое поле повышенной эффективности, что додтверждается высоким коэффициентом собирания в коротковол­новой области спектра у полученных солнечных элементов (рис. 2.6). .Длинноволновая чувствительность солнечных элементов, сделанных из образцов низкоомного кремния, изготовленных методом бести-

‘Рис. 2.5. Распределение концентрации А^см Ьпримеси по толщине поверхностной ^леїированной пленки двуокиси кремния F /sio2 и верхнего легированного слоя /О г кремния Isi в солнечных элементах с fp—тг-переходом, полученным методом I бомбардировки ионами фосфора с по­следующим термическим отжигом

г — фосфор,

2 — бор

Рис. 2.6. Спектральная зависимость коэффициента собирания кремниевых солнечных элементов, полученных ме — /и тодом бомбардировки ионами фосфора пластин кремния (І, 2 — бестигельная зонная плавка, 3 — метод Чохральско — го) с разным удельным сопротивлением

1 — 0,3 Ом*см; ^

2,3 — 0,1 Ом см

гельной зонной плавки (рис. 2.6, кривые 1 и 2), достаточно высока. У элементов же из низкоомного кремния, выращенного по методу Чохральского, использованные температурные обработки оказались не оптимальными, время жизни и диффузионная длина неосновных носителей в базовом слое готовых элементов — малыми и длинно­волновая чувствительность — низкой (рис. 2.6, кривая 3).

Полученные солнечные элементы при внеатмосферном солнеч­ном излучении имеют следующие выходные характеристики: 4=12,3—14,5%; /к3=34,5 мА/см2; {7ХХ=0,645 В.

Необычайно большое значение Uxx объясняется высоким барье­ром на р—^-переходе, обусловленным не только выбором низкоом­ных подложек для базового слоя, но и влиянием легированной по­верхностной пленки. Это было подтверждено прямым эксперимен-

том: после удаления пленки травлением Uxx уменьшилось до обыч­ных значений (менее 0,6 В).

Влияние поверхностной пассивирующей пленки на коэффициент собирания в коротковолновой области спектра (рис. 2.7) и Uxx сол­нечных элементов было продемонстрировано экспериментально [127]: при наличии пассивирующей пленки обе эти величины рас­тут. Глубина залегания р—/г-перехода под пассивирующей пленкой составляла 0,3 мкм при слоевом сопротивлении 60 О^/О (р—/г-пере — ход получен диффузией бора в легированные фосфором подложки л-кремния толщиной 300 мкм). Поверх тонкой пассивирующей плен­ки Si02 наносилось просветляющее покрытие из нитрида кремния SiNx. При 25-кратной интенсивности наземного солнечного излуче­ния КПД полученных солнечных элементов со структурой р+—р на освещаемой поверхности составил 18%. При обычной однократной освещенности /кз был равен 33 мА/см2, (71Х — 0,62 В.

2.3. Кремниевые солнечные элементы с полем в базовой области и изотипным барьером у тыльного контакта

Если базовый слой солнечных элементов, например p-типа, легиро­ван неравномерно и концентрация акцепторов у р—/г-перехода ниже, чем в глубине слоя, то возникает электрическое поле, помогающее собиранию созданных светом в базовом слое избыточных носителей заряда (в этом случае действует не только диффузионный, но и дрейфовый механизм собирания). В ряде работ, в частности в пуб­ликациях [12, 80, 84], отмечалось, что для образования тянущего поля необходимо создать некоторый перепад примесей по глубине. Это, с одной стороны, уменьшает напряжение холостого хода из-за роста обратного тока насыщения при уменьшении потенциального барьера (при снижении степени легирования базы у р—/г-перехода), а с другой — приводит к значительному ухудшению диффузионной длины и времени жизни неосновных носителей заряда (при увели­чении степени легирования отдаленных от р—/г-перехода областей базового слоя). Оба отмеченных явления могут в значительной сте­пени снизить эффект улучшения коэффициента собирания, обуслов­ленный введением тянущего поля в базовый слой (обычно равномерно легированный) за счет его неоднородного легирования. При сравнительно небольших перепадах концентраций в базовом слое (1017 у р—/г-перехода и 1048—1019 см-3 в глубине базы) можно уве­личить КПД и длинноволновую спектральную чувствительность кремниевых элементов путем введения тянущего поля, сохранив на достаточно высоком уровне диодные параметры р—/г-перехода и время жизни неосновных носителей заряда в базовом слое [8,4, 120, 128—132].

Экспериментальное осуществление этой модели по методике мед­ленной диффузии примеси в базовые пластины элементов [128]

, оказалось слишком трудоемким и длительным. Не менее сложна и опробованная нами технология экзодиффузии примесей в вакууме из предварительно легированной базовой пластины. Введение быстро — диффундирующего лития [129] нашло практическое применение при изготовлении радиационно стойких солнечных элементов для кос­мических аппаратов не только из-за технологически легко осущест­вимой возможности создать тянущее поле достаточно большой про­тяженности в базовом слое, но и из-за способности лития нейтрали­зовать введенные радиацией рекомбинационные центры [22, 133, 134]. Метод наращивания эпитаксиального слоя кремния с пере­менной концентрацией примесей на монокристаллическую пластину кремния с последующим созданием (термодиффузией или нанесе­нием эпитаксиальной сильнолегированной пленки с противополож­ным знаком проводимости) р—^-перехода со стороны эпитаксиаль­ного слоя (см., например, публикации [130—132]) позволяет полу­чать дешевые солнечные элементы наземного назначения, так как используемый в качестве подложки для нанесения эпитаксиальной пленки металлургичрский кремний в 100 раз дешевле кремния полу­проводниковых сортов [132]. Автолегирование эпитаксиального слоя в процессе его выращивания примесями из подложки приводит к не­обходимому градиенту концентрации примеси и созданию тянущего поля [31]. При измерениях в наземных условиях КПД таких сол­нечных элементов составил от 12,2 до 13,5% [132], несмотря на то что для их изготовления использовались дефектные эпитаксиаль­ные слои на металлургическом кремнии, представляющие собой не­восполнимый брак при производстве интегральных схем.

Модели солнечных, элементов с тянущим полем значительной протяженности в базе вскоре были вытеснены моделью с резким изотипным переходом р—р+- или п—тг+-типа у тыльного металличе­ского контакта, подобной двухслойной модели, рассмотренной в 2.1.

Для создания высокоэффективных солнечных элементов можно было бы использовать почти собственный кремний, продиффундиг ровав примеси п — и p-типа с обеих сторон кремниевой пластины та­ким образом, чтобы получить на необходимом расстоянии от поверх­ности р—га-переход и одновременно оптимальный градиент примеси с другой стороны пластины [63]. При получении солнечных элемен­тов п+—р—р+- или р+—п—п+-структур [77, 135] оказалось, что со­здать очень тонкий изотипный р—р+- или п—гс+-переход у тыльного металлического контакта технологически намного проще, чем тяну­щее поле значительной протяженности, а практически столь же полезно для увеличения собирания избыточных неосновных носи­телей из базового слоя. Потенциальный барьер на изотипном пере­ходе, полученный подлегированием базового перехода с тыла, отра­жает неосновные носители от тыльного контакта, увеличивая их эффективную диффузионную длину, и фактически сводит к нулю

З М М Колтун скорость поверхностной рекомбинации на границе раздела базовый слой—тыльный металлический контакт. Несколько уменьшается так­же обратный ток насыщения элементов. Тыльный подлегированный слой создается термодиффузией, ионной бомбардировкой или впе­канием алюминия (в случае p-слоя) с последующей-термообработ — кой. Глубина подлегированного слоя обычно колеблется от 0,2 до 0,5 мкм, а распределение примесей практически повторяет аналогич­ное распределение в верхнем легированном слое солнечных эле­ментов.

Преимущества солнечных элементов с изотипным переходом у тыльной поверхности сказываются в том случае, когда диффузион­ная длина неосновных носителей в базовом слое больше толщины базового слоя или по крайней мере равна ей. Это требование при­водит к необходимости использовать для создания базового слоя достаточно чистый полупроводниковый материал с повышенным удельным сопротивлением или уменьшать толщину базового слоя до значений, меньших диффузионной длины носителей заряда в дан­ном материале. На рис. 2.8 представлена зависимость диффузион­ной длины L и времени жизни т носителей заряда от удельного сопротивления р базового слоя кремния [136], позволяющая выбрать необходимую толщину базового слоя определенного удельного сопро­тивления (или, наоборот, определить удельное сопротивление при заданной толщине слоя) для солнечного элемента с эффективно используемым изотипным переходом у тыльного контакта. Эти дан­ные могут применяться лишь для качественных оценок. При про­ведении точных расчетов необходимо учитывать, что диффузионные характеристики неосновных носителей зависят не только от удель­ного сопротивления, но и от типа проводимости кремния, метода его получения, предшествовавшей обработки, и пользоваться в этом случае более подробными данными, приводимыми, например, в ра­боте [74]. Там же представлены весьма наглядные зависимости тока короткого замыкания солнечного элемента из кремния от отношения толщины элемента I к диффузионной длине неосновных носителей заряда в базовом слое L, а также зависимость КПД элемента при освещении его внеатмосферным солнечным излучением (условия АМО, воздушная масса равна нулю) от L (рис. 2.9) и т для эле­мента с изотипным переходом у тыльного контакта и без него. Использование изотипного перехода позволяет применять для по­лучения базовых слоев высокоэффективных солнечных элементов кремний с очень высокими: значениями времени жизни и диффу­зионной длины неосновных носителей заряда, которые характерны для кремния с почти собственной проводимостью (так называемой ^-проводимостью).

Солнечные элементы с p—i—n — или р+—і—гг+-структурой и их модификации [13, 137] обладают исключительно высокой чувстви­тельностью в длинноволновой области спектра. Форма вольт-ампер — ной характеристики элементов близка к прямоугольной, поскольку

Рис. 2.8. ЗависимЬсть диффузионной длины и времени жизни неосновных но­сителей заряда от удельного сопротивления базового слоя кремниевых солнеч­ных элементов

Рис. 2.9. Зависимость КПД кремниевых солнечных элементов от диффузион­ной длины неосновных носителей заряда в базовом слое элемента при освеще­нии внеатмосферным Солнцем (условия АМО)

1, 2 — с изотипным тыльным барьером и без него соответственно благодаря высокому уровню возбуждения в условиях освещения солнечным светом омическое падение напряжения в базовой области сводится к минимуму (при освещении высокоомного базового слоя концентрация неравновесных носителей значительно выше, чем рав­новесных). Большое исходное значение диффузионной длины неос­новных носителей заряда в высокоомном материале увеличивает <щок службы таких солнечных элементов в радиационных поясах Земли [22].