Методы анализа уровня качества фотоэлектрических преобразователей (Методика эксперимента)

2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1 Конструктивно-технологических решение исследованных ФЭП

В работе исследовалось два образца ФЭП n⁺-p-p⁺ типа. Базовые кристаллы кремния были вырезаны из монокристаллических слитков, выращенных методом Чохральского (марки КДБ-10) толщиной 300-370 имели исходное время жизни неосновных носителей заряда t_n » 100 мкс. Архитектура исследованных ФЭП качественно не отличалась от показанной на рисунке 2.1 за исключением элементов конструкции 7 и 8, обеспечивающих защиту приборов от вызывающих их деградацию факторов космического пространства. Вид ФЭП со стороны фронтальной поверхности показан на рисунке 2.2. Степень затенения фронтальной поверхности исследованных ФЭП таким электродом составляла 7,2 %.

Диффузионные р⁺-слои ФЭП были легированы атомами бора до уровня 10¹⁹см^-3, а их толщины составляли около 1 мкм. Токосъемный электрод ФЭП со стороны n⁺-слоя состоял из контактирующего с ним слоя титана толщиной около 0,1 мкм, поверх которого находился слой алюминия толщиной 2 мкм. Со стороны р⁺-слоя токосъемный электрод выполнен из алюминия аналогичной толщины. Указанная конструкция токосъемных электродов обеспечивает омичность их контакта с соответствующими диффузионными полупроводниковыми слоями и возможность ультразвуковой приварки гибкой алюминиевой разводки к пленочным электродам ФЭП для их взаимной коммутации при изготовлении солнечной батареи. Свободная от металлизации фронтальная поверхность базового кристалла пассивирована естественным окислом кремния толщиной не более 10 нм. Поверх этого слоя, нанесено просветляющее покрытие из TiO₂ толщиной около 80 нм.

Исследованные фотоэлектрические преобразователи с кристаллами толщиной 300-370 мкм, полностью изготавливались согласно действующей в настоящее время в ГП НИТИП базовой технологии.

Технологический маршрут изготовления ФЭП, согласно [6], содержал следующие основные операции:

1) Перекисная очистка кремниевой пластины диаметром 76 мм и толщиной 350±20 мкм после предшествующих операций шлифовки и полировки поверхностей, включающая последовательную промывку в перекисно-аммиачном растворе H₂O₂+NH₄OH, в деионизированной воде, в перекисно-кислотном растворе H₂O₂+HCl и снова в деионизированной воде.

2) Последовательное нанесение центрифугированием от одного до трех слоев толщиной 0,1 мкм полимеризующейся жидко-растворной композиции КФК-15-15 с примесью фосфорного ангидрида Р₂О₅ на фронтальную поверхность пластины кремния.

3) Проведение в диффузионной печи в проточной среде аргона и кислорода при температуре 1000 ^оС в течение 60 минут одновременной термической диффузии в кремний фосфора из ЖРК типа КФК-15-15 и бора из плоского твердотельного источника (нитрида бора), расположенного параллельно противоположной стороне пластины на расстоянии около 0,5 мм.

4) Снятие в водном растворе плавиковой кислоты остатков ЖРК и удаление фосфоросиликатного и боросиликатного стеклообразных слоев с поверхностей кремниевой пластины после образования термодиффузионных n⁺- и p⁺-слоев.

5) Пассивация фронтальной поверхности кремниевой пластины слоем естественного окисла SiO₂ толщиной 5-10 нм.

6) Нанесение просветляющего покрытия из TiO₂ толщиной около 0,08 мкм на пассивированную фронтальную поверхность кремниевой пластины путем центрифугирования и последующего пиролиза при 300 ^оС ЖРК, содержащей 10 %-ный раствор тетрабутоксититана в изопропиловом спирте.

7) Формирование с помощью фотолитографии сквозного узора в просветляющем покрытии из TiO₂ и в слое SiO₂, соответствующего планарной геометрии гребенчатого фронтального токосъемного электрода.

8) Вакуумная конденсация биметаллического слоя Ti/Al на поверхность заготовки со стороны n⁺-слоя.

9) Вакуумная конденсация слоя Al на поверхность заготовки со стороны р⁺-слоя.

10) Фотолитография по металлизации со стороны фронтальной поверхности для формирования гребенчатого токосъемного электрода.

11) Формирование разделительных канавок путем химического обтравливания сформированных ФЭП по периметру p-n перехода с шириной кромки травления фронтального диффузионного слоя 0,25 мм на один ФЭП и глубиной травления 1,5-2,0 мкм.

12) Вжигание металлизации в кремний при 450 ^оС в течение 15 минут в среде аргона.

13) Разделение кремниевой пластины на единичные ФЭП путем  резки алмазным диском вдоль центральных линий кромок травления.

Для реализации описанного технологического маршрута использовались промышленное оборудование и методики, применяемые в производстве больших интегральных схем на основе монокристаллического кремния.

2.2 Исследование фототока, выходных и диодных параметров образцов

Решение поставленной задачи сводилось к измерению и последующей аналитической обработки нагрузочных световых вольт-амперных характеристик исследованных ФЭП.

Измерение нагрузочной световой ВАХ проводилась с помощью установки, схематически показанной на рисунке 2.3, при 25 ^оС и следующих условиях импульсного облучения: энергетическая освещенность фронтальной поверхности образцов Р_И = 1360 Вт/м², что соответствует одной солнечной постоянной в режиме облучения АМ0.

При импульсном облучении от фотовспышки 1 типа ФЭ 14АУ фотопреобразователь 2 генерирует фототок, длительность амплитудного значения которого примерно соответствует длительности основной фазы горения фотовспышки, составляющей около 1 мс. Амплитудное значение фототока, разделяясь (см. рис. 1.1) на диодную компоненту, утечку через шунтирующее сопротивление и амплитудное значение тока I_Н, протекающего во внешней цепи через сопротивление нагрузки 4 величиной R_Н, вызывает падение напряжения с амплитудным значением U_Н^’ на нагрузочном сопротивлении R_Н (рис.2.3), величина которого варьируется с помощью магазина активных сопротивлений типа Р-33 от 0,1 Ом (приближение режима короткого замыкания) до 10⁵ Ом (приближение режима холостого хода). Падение напряжения U_Н’ регистрируется цифровым запоминающим осциллографом 5 типа С9-8, работающим в режиме ждущей развертки.

Для поддержания стабильной температуры ФЭП при измерениях использовался специальный термостат 6-8. Расчетная точность стабилизации температуры не ниже ±0,5 °С. Металлическая площадка термостата, на которой устанавливался исследуемый ФЭП, являлась основанием герметизируемой камеры со стеклянным окном, через которое образец подвергался импульсному облучению.

Значение величины мощности излучения на фронтальной поверхности ФЭП, соответствующее энергетической освещенности P_И* = 1360 Вт/м², устанавливалось с помощью эталонного кремниевого ФЭП, имеющего известное значения I_КЗ = 23 мА при P_И = 1360 Вт/м² и спектральном составе аналогичном излучению в режиме АМ0. Это осуществлялось следующим образом. Эталонный ФЭП подключался к измерительной установке. Облучая его фронтальную поверхность от фотовспышки, определяли расстояние  d между фотовспышкой и ФЭП, при котором величина I_КЗ = 23 мА. Затем на место эталонного ФЭП устанавливался исследуемый образец и проводилось измерение нагрузочной световой ВАХ.

В случае использования однодиодной модели ФЭП при аналитической обработке нагрузочной световой ВАХ по амплитудному значению U_Н’ может быть рассчитано амплитудное значение I_Н с помощью соотношения:

I_Н=U_Н’/R_Н                                                      (2.1)

Величина R_Н задаётся экспериментально при измерении нагрузочной световой ВАХ, значение U_Н’ определяется экспериментально по амплитудному значению сигнала на экране цифрового запоминающего осциллографа, вход вертикальной развёртки которого подключён к сопротивлению нагрузки.

Выходные и диодные параметры ФЭП определяли путем построения и аналитической обработки экспериментальных нагрузочных ВАХ фотоэлектрического преобразователя, которые имеют вид, показанный, на рисунке 1.2.

При этом параметр I_КЗ соответствует ординате точки на ВАХ при U_Н=0, а параметр U_ХХ – абсциссе точки на ВАХ при I_Н = 0. Истинное значение величины U_Н = U_Н’ + I_Н×R_Л.

Параметр FF может быть рассчитан из экспериментальной нагрузочной световой ВАХ по формуле (1.4), а КПД - по формуле (1.5). Присутствующая в формулах (1.4) и (1.5) величина Р_НМ определяется как максимальное значение величины Р_Н = U_НI_Н.

Аналитическая обработка экспериментальных нагрузочных световых ВАХ исследуемого ФЭП проводилась с помощью ПЭВМ по методике, разработанной на кафедре ФМЭГ. Эта методика заключается в следующем.

Приведенное в пункте 1.3 аналитическое выражение (1.1) для нагрузочной световой ВАХ ФЭП преобразуется в выражение, имеющее вид:

I_Н = С₀-С₁U_Н–С₂exp(С₃U_Н + С₄I_Н) ,                                 (2.2)

где:

С₀ = (I_Ф+I₀) R_Ш/(R_П+R_Ш),                                                 (2.3)

С₁ = 1/(R_П+R_Ш),                                                                 (2.4)

С₂ = I₀R_Ш/(R_П+R_Ш),                                                          (2.5)

С₃ = е/(АkT),                                                                     (2.6)

С₄ = еR_П/(АkT),                                                                (2.7)

Используя выражение (2.2) и полученные значения I_Н и U_Н, можно определить выходные и световые диодные параметры ФЭП следующим образом.

Путём варьирования значений, указанных выше коэффициентов С₀, С₁, С₂, С₃, С₄ добиваются наилучшей аппроксимации экспериментальных данных I_Н = I_Н(U_Н) кривой, описываемой выражением (2.2). После нахождения указанных коэффициентов, обеспечивающих наилучшую аппроксимацию, определяются выходные параметры ФЭП: I_КЗ, U_ХХ, FF, Р_НМ, h. Фототок I_Ф, а также диодные параметры: R_П, R_Ш, А и I₀ – вычисляются по найденным коэффициентам С_О, С₁, С₂, С₃ и С₄ с помощью соотношений (2.3)– (2.7).