Методы анализа уровня качества фотоэлектрических преобразователей (Аналитический обзор), страница 4

Таким образом, метод затухания напряжения холостого хода позволяет измерять некоторое усредненное значение времени жизни ННЗ при переходе ФЭП в равновесное состояние при отсутствии освещения, и это значение определяется преобладающим механизмом релаксации носителей. Поэтому необходимо установить, какова роль исследуемой области в процессе релаксации.

Спектральная зависимость тока короткого замыкания ФЭП представляет интерес потому, что она позволяет определить: во-первых, коэффициент собирания; во-вторых, диффузионную длину неосновных носителей заряда.

Спектральная чувствительность ФЭП представляет собой спектральную зависимость его тока короткого замыкания I_КЗ(λ), рассчитанного на единицу энергии падающего оптического излучения. При отсутствии поверхностной и объемной рекомбинации все носители заряда, созданные в полупроводнике излучением с длиной волны λ ≤ hс/E_g, не превышающей красную границу фотоэффекта, должны собираться и разделяться p-n-переходом , в связи с чем

,                         (1.25)

где:    e– заряд электрона;

N(λ) – скорость поступления квантов света с длинной волны λ ≤ hс/E_g, на фронтальную поверхность ФЭП, свободную от металлизации;

R(λ) – коэффициент отражения квантов света с длиной волны λ от фронтальной поверхности ФЭП без металлизации;

E(λ) – мощность, падающего на единицу площади ФЭП монохроматического светового потока с длиной волны λ;

S – площадь фронтальной поверхности ФЭП, свободной от металлизации;

E_g – ширина запрещенной зоны полупроводника;

h – постоянная Планка;

с – скорость света в вакууме.

При исследовании спектральной чувствительности ФЭП используется установка, схема которой показана на рисунке 1.8. Свет от источника 1 фокусируется на входную щель монохроматора 3 линзой 2. Белый свет источника разлагается в спектр призмой монохроматора 4. Выходная щель 5 ограничивает узкую область пучка излучения; средняя длина волны в этой области определяется по шкале барабана длин волн. Вращая барабан 6, можно изменять длину волны монохроматического излучения, падающего на ФЭП 7, соединенный с измерителем тока 8 (гальванометр, микроамперметр и др.). Измерение спектральной чувствительности заключается в определении зависимости I_КЗ(λ).

В качестве источника излучения непрерывного спектра чаще всего используется лампа накаливания с вольфрамовой нитью. Температурное излучение нити накала значительно отличается по спектральному распределению от излучения абсолютно черного тела. Однако, зная так называемую цветовую температуру, можно рассчитать спектральное распределение излучения нити по закону излучения абсолютно черного тела, совпадающее с истинной кривой излучения. Таким образом, спектральное распределение интенсивности источника можно рассчитать по формуле Планка:

,                                 (1.26)

где:    Т – цветовая температура;

С₁ и С₂ – первая и вторая радиационные постоянные; С₁ = 2πhc² = 3,74∙10^-16 Вт∙м² и C₂ = hc/k = 1,43879∙10^-2 м∙К.

Мощность, падающего на единицу площади ФЭП монохроматического светового потока E(λ), определяется как:

,                                           (1.27)

где:    ρ – доля излучения, прошедшего через фокусирующую линзу и монохроматор;

∆λ – спектральная ширина излучения на выходе монохроматора, которая определяется обратной линейной дисперсией монохроматора и шириной выходной щели.

Коэффициент собирания Q(λ) –отношение числа избыточных носителей заряда, разделенных p-n-переходом, к числу созданных светом  электронно-дырочных пар, определяется как:

,                                            (1.28)

Так как излучение с разными длинами волн поглощается на разной глубине, то зависимость Q(λ) позволяет сделать вывод о качестве слоев ФЭП и тем самым указать на дальнейшие пути совершенствования КТР ФЭП.

Так как диффузионная длина носителей заряда оказывает большое влияние на выходные параметры ФЭП, то ее определение является очень важным для выявления дальнейших направлений совершенствования КТР прибора.

Q(λ) представляет собой сумму коэффициентов собирания носителей из p- и n- областей по обе стороны p-n - перехода [1]:

Q(l) = Q_n(l) + Q_р(l),                                         (1.29)

где Q_n(l) коэффициент собирания для электронов из p-слоя;

Q_р(l) – коэффициент собирания для дырок из n-слоя.

Если излучение поглощается преимущественно в объеме базового слоя (в нашем случае в р-слое), то для монокристаллического кремниевого ФЭП с n⁺-p-p⁺ структурой зависимость Q_n(l) для электронов из p-слоя, имеет следующий вид:

.                               (1.30)

где: a(l) ~ (hc/l – E_g)² – коэффициент поглощения света;

D_n – коэффициент диффузии электронов в р-слое;

S_n – скорость рекомбинации электронов на контакте р-слоя с тыльным электродом.

х_P – толщина p-слоя ;

х_n+ – толщина диффузионного n⁺-слоя;

L_n – диффузионная длина неосновных носителей заряда.

Из выражений (1.28) и (1.30) следует:

.                                    (1.31)

Представим выражение (1.31) в следующем виде:

.                                         (1.32)

Выражение (1.32) является уравнением прямой в координатах x=1/a(l); y= qN(λ)[1 – R(λ)]/I_КЗ(λ). Следовательно 1/L_n – это тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс ψ:

                                                    (1.33)

Отсюда,

L_n = сtg ψ.                                                   (1.34)

Таким образом, изучение спектральной зависимости тока короткого замыкания ФЭП, определение коэффициента собирания и диффузионной длинны ННЗ исключительно полезно для дальнейшего совершенствования КТР этих приборов с целью повышения КПД и, следовательно, расширения сферы их применения.

1.6 Заключение к аналитическому обзору и постановка задачи

Как видно из проведенного аналитического обзора, для оценки эффективности работы ФЭП принято измерять и анализировать значения фототока, выходных и диодных параметров фотопреобразователей. Конструктивно технологическое решение (КТР) ФЭП в значительной мере влияет на значения его фототока и диодных параметров, которые в сою очередь влияют на выходные параметры и на КПД ФЭП. Поэтому, при совершенствовании КТР ФЭП для повышение эффективности их работы, необходимо иметь информацию о влиянии фототока и каждого из диодных параметров на выходные параметры ФЭП. Вместе с тем, влияние КТР на фототок, выходные и диодные параметры также зависит от времени жизни и диффузионной длины ННЗ в базовом полупроводниковом кристалле ФЭП.

Таким образом, одним из наиболее фундаментальных подходов к решению вопросов, связанных с совершенствованием КТР фотоэлектрических преобразователей, является комплексный количественный анализ уровня качества ФЭП. Он состоит в исследовании и аналитической обработке нагрузочной световой и темновой вольт-амперных характеристик, вольт-фарадной характеристики, спектральной зависимости тока короткого замыкания ФЭП и характера спада напряжения холостого хода со времени после отсечки светового потока.