硅片少子寿命测试解决方案

第23卷第2期2005年6月海南大学学报自然科学版NATURAL SCIENCE JOURNAL OF HAINAN UNIVERSITYVol.23 No. 2Jun. 2005 海南大学学报自然科学版2005年134 文章编号：1004-1729(2005)02-0133-07 用开路电压法测晶体硅太阳电池少子寿命的研究 彭银生.1，陈庭金 (1.海南医学院信息部数理教研室，海南海口571101；2.云南师范大学太阳能研究所，云南昆明650092) 摘 要：根据太阳电池的工作原理，详细论述了用脉冲光源照射 n/p结太阳电池瞬间时，由于光电压，即开路电压的建立，将有电子从n区通过n/p结向p区边界注入，这些注入p区的过剩电子(少子)在运动中复合所需的时间，我们定义为少子寿命.理论上给出了注入p区的电子复合带来的开路电压与寿命的关系式(V(t))，同时也研究了 n/p结势垒电容放电对V(t)的影响.因此建议使用开路电压随时间的衰减关系式(Voc(t))测量少子寿命的方法. 关键词：太阳电池；开路电压衰减法测量；少子寿命 中图分类号：TK511 夏献标识码：A 半导体的少子寿命是决定太阳电池转换效率的重要参数之一.在太阳电池的制造过程中，常常要经过一步或多步高温工艺，从而带来材料晶格损伤或引入深能级杂质，构成过剩余载流子的复合中心，降低太阳电池过剩少数载流子的寿命。一般来讲，对长寿命的材料作成太阳电池后，其少子寿命往往会有较大的降低].为此，检测太阳电池的少子寿命的变化，可为改进太阳电池的制作工艺提供强有力的依据，以获得更高效率的太阳电池. 太阳电池是一种成品器件，对其各区少子寿命的测量比单一体材料少子寿命的测量所考虑的因素要多一些，更复杂一些.因此，测量太阳电池中某区域中的少子寿命，必须了解少子产生的过程、少子的运动复合变化及描述这种复合变化的物理量与少子寿命的关系.在光照太阳电池时，同一区域非平衡的多数载流子亦会变化，其变化将影响少子物理的变化.分析这些物理变化和相互影响后，才能更准确地确定测量方法，获得满意的准确的测量结果. 关于半导体材料和成品器件，其少子寿命测量方法，已有较多的文献报道，如光电导衰减法(PCD)、双脉冲法等”.本文中，笔者以硅太阳电池为例，并根据其工作原理，介绍少子寿命测量的理论分析和测量方法. 1L 理论分析 1.1 n/p结太阳电池在脉冲光照状态下的物理模型 我们对如图1所示的太阳电池工作状态的开路电压随时间的衰减进行了理论分析. 根据n/p 结太阳电池的工作原理，激光脉冲光(如图2所示)照射到太阳电池上，一个周期内，太阳电池中非平衡光生载流子的分布如图3所示.由此产生的能带图如图4所示. ( 收稿日期：2004-06-14 ) ( 作者简介：彭银生(1976-)，男，江西吉安人，海南医学院信息部数理教研室助教，硕士. ) ( 1)崔容强，孟凡英等.用开路电压法测硅太阳电池中少数载流子寿命.上海交通大学物理系太阳能研究所. ) 图1 开路电压法的实验测试电路图 图3 光照后 n/ p结两侧载流子的分布 其中 to-0=At，脉冲宽度为300 ns， 图2 激光脉冲 图4 光照后的能带和意图 激光脉冲照射到太阳电池上，开路时产生的光生多数载流子在内建电场的作用下，分别聚集在 n/p结的两侧，建立光生电动势，同时，正偏Voc(如图4所示)将使 n/p结两侧向对方注入非平衡少子，即n区将向p区边界注入电子，并聚集在左边界处.同样，n 区右边处亦有注入空穴的聚集.当脉冲光停止后，聚集在n/p结两侧的过剩光生少数载流子，分别向两边扩散，边运动边复合，光生开路电压随着时间也不断降低. 下面研究p区中，注入电子△n，(0)在一个周期内衰减的情况，即△ np(t)随时间的变化 1.2 数学模型 1.2.1 n/p结的正偏注入复合 根据上述 n/p型太阳电池工作原理的物理模型，在脉冲宽度▲t时间内产生的光生载流子可以认为全部积累在n/p结区的两侧边界很薄的一层内，且无空dAn，间梯度分布，即不考虑扩散，=0.在( to， T)内，以p区▲np(0) 为例，An，(0)将作扩散复合dx运动，且边运动边复合.满足的连续性方程为 其中在t时刻 式中：npo一无光照热平衡时p区的电子数； np(t)一光照时p区的电子数. 救解方程(1)，可得其解为 当t=to时，式(2)有 由n/p结的理论知道，在正偏开路情况下，有 由式(3)和式(4)可得 将式(5)代入式(2)，得式(1)的解为 式中 微商式(8)，有 1.2.2 n/p结势垒电容放电对测量开路电压的影响 如图3所示，脉冲光源照射到太阳电池上时，在 n/p结两边的n区和p区将分别产生过剩光生多数载流子，它是产生光生电动势qVoc(见图4)的多子△ng和App.现在讨论p区中Ap，的输运问题. 由图3可知，n/p结qV。c的建立，等效于对势垒电容充电，在△t瞬间充完电后，若回路中接一负载 R，则接着在(t，T)期间内电容将对负载放电，如图5所示. 而太阳电池的等效电路如图6所示. 图5 势垒电容放电示意图 图6 太阳电池等效电路图 将太阳电池的输出端接到示波器上，则与示波器输入阻抗一起构成放电电阻，用R表示(见图6). 在放电过程中，p区的非平衡多数载流子△p，(空穴)满足的方程为 m 所以式(10)可以改写为 在正偏开路时，C(Voc(t))可以表示为2/ 式中：8sS=E80， N* NMiND+NA (N4为低掺杂一侧的杂质浓度)； 2K1是考虑多数载流子贡献的结果. 对式(12)进行微商，得 将式(13)和式(12)代入式(11)，有 (15) 求解方程(15)，两端积分，得到式(11)的解为 利用初始条件：t=0，xc=Vo(0)==Voc，可得 (17) 将A代入式(16)且两端取对数得 由于F-<1.且t较大时Vc (t)2.<<1，则式(18)右端指数因子可以近似表示为 则作为式(13)的近似解为 通过一系列数学处理得式(19)的近似解为 1.2.3 n/p结太阳电池的开路电压 对太阳电池，我们测量的开路电压(即示波器上的Voc(t))应为式(8)和式(20)之和，即 2 计算机模拟 本实验采用的光源是由天津大学生产的激光划片机的激光器作为脉冲光源.波长为1.06um ，采用信号周期为0~0.1s，脉冲上升沿小于200 ns，下降沿小于120 ns，脉冲宽度为300 ns，激光工作时的电流为18.6A，频率为2.0kHz. 在测量过程中，激光器在以上工作条件下，峰值电压在0.2~0.4V之间，取峰值电压为0.3V.在常温(300K下，kT=0.026V，设少子寿命 tn 为 10us，则 所以 在开路状态下，R很大，示波器的输入阻抗约为3.3×10°2.在这样的条件下，得出开路电压随时间的衰减关系可以近似化为如下. 将该式在 mathcad 软件上进行计算绘图，得出图7 3 实验测试 本实验采用简易的测试装置如图1所示.在以上设定的条件下对不同参数条件的硅片进行 测试，测得太阳电池的少子寿命如表1所示.实验测试图如图8所示. 图7 计算机模拟曲线 图8 单晶硅太阳电池开路电压的衰减图 表1 被测单晶硅太阳电池的实验参数 编号 V/mVJ/(mA·cm) FF ff/% dt dv t/us A1 587 29.3 0.544 8.6 8 30 4. 16 A2 578 30.9 0.569 9.4 10 50 5.20 B1 599 30.9 0.792 13.2 20 50 10.40 B2 600 30.9 0.792 13.3 25 50 13.00 4 讨 论 从以上测试的结果可以看出，其开路电压随时间的衰减图形与理论计算一致，这说明了我们采用的物理和数学模型正确，本方法简单，操作方便，测量准确，比起其他的少子寿命测量方法，是一种非常简单、廉价的测试手段.采用该方法测试的条件：1.脉冲光宽度△t《脉冲周期T，所测太阳电池的少子寿命T，

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