MOCVDGaAs太阳电池的结特性

第 20 卷第 1 期 半 导 体 学 报 V o l. 20, N o. 1 1999 年 1 月 CH IN ESE JOU RNAL O F SEM ICONDU CTOR S Jan. , 1999 施小忠 男 , 1968 年出生 , 博士生 , 从事 GaA s 太阳电池的研制和应用夏冠群 男 , 1941 年出生 , 研究员 , 博士生导师 , 从事 GaA s 器件和电路研究汪 乐 男 , 1939 年出生 , 副研究员 , 从事太阳电池的研制和应用工作1997207214 收到 , 1997212208 定稿MOCVD GaA s 太阳电池的结特性施小忠 夏冠群 汪 乐 莫金玑 中国科学院上海冶金研究所半导体材料和器件研究室 上海 200050 摘要 本文用拟合的方法求得了太阳电池的结特性参数 . 结果表明 M OCVD 太阳电池的效率随电池外延 n 型层厚度的增大而增大 . 暗电流随电池外延 n 型层厚度的增大而减小 . M OCVD电池承受反向电流的冲击的能力随电池外延 n 型层厚度的增大而增强 . M OCVD 电池比 L PE电池所能承受的反向电流密度大 .EEACC 8420, 2560H ; PACC 8630J1 引言液相外延 L PE 和金属有机化合物气相淀积 M O CVD 方法是制作太阳电池材料的两种主要方法 . 国内使用 L PE 方法时间较长 ,M O CVD 方法才刚起步 , 工艺不很完善 , 但目前制作的 M O CVD 电池的效率已很接近 L PE 电池的效率 . 增大 M O CVD 电池外延层的厚度可以提高电池的效率 , 同时还发现增大 n 型外延层的厚度能提高电池承受大电流的反向冲击的能力 . 为此 , 本文探讨了增大 n 型外延层的厚度对提高电池的效率所起的作用 , 同时说明了电池承受大电流的反向冲击的能力随 n 型层厚度的增大而增大的原因 .2 实验方法2. 1 样品制备2. 1. 1 材料本 实验所用的器件样品的材料均为 n 2GaA s 衬底 n2GaA s缓冲层 n2GaA s 掺Si p2GaA s掺 Zn p2GaA lA s掺 Zn. 多层外延生长采用 L PE 和 M OCVD 两种方法 .衬底的浓度为 2 1018cm - 3, 晶向为 100 , 厚度为 400Λ m. 缓冲层浓度为 2 1017 cm - 3.n2GaA s 层浓度为 2 1017cm - 3. p 2GaA s 层浓度为 2 1018 cm - 3, 厚度为 017Λ m. p2Ga0. 2A l0. 8A s 层浓度约为 2 1018 cm - 3. n2GaA s 层 包括缓冲层 及 GaA lA s 的厚度见表 1. 其中样品M OCVD 1 和 M OCVD 2 无缓冲层 .表 1 n-GaA s 层 包括缓冲层 及 GaA lA s 层的厚度样品编号 n2GaA s 层 p 2Ga0. 2A l0. 8A s层L PE 5. 0Λ m 0. 25Λ mM OCVD 1 0. 8Λ m 0. 25Λ mM OCVD 2 1. 6Λ m 0. 25Λ mM OCVD 3 5. 5Λ m 70nm2. 1. 2 器件器件样品制作标准工艺 1先在外延材料正面 p 型 Ga0. 2A l0. 8A s 上蒸发淀积厚度约为 100nm 的 SiO 减反射层 , 然后在材料背面用 H 2SO4∶ H 2O 2 ∶ H 2O 腐蚀液减去 5Λ m 衬底后蒸 A uGeN i A u. 2 正面光刻 , 开出正面电极图形 , 用干法刻蚀和选择性腐蚀方法分别将图形中的 SiO 和 Ga0. 2A l0. 8A s 去除 , 带胶蒸 C r A u, 剥离形成正面电极 . 3 在 430℃下 30 秒快速合金化一次完成欧姆接触 . 4 使用选择电镀 A u 的方法加厚正面电极达 310Λ m. 电池的面积为 110cm 110cm.器件样品分两种 , 一种为 110cm 110cm 的太阳电池 , 一种为 110mm 110mm 的二极管 .2. 2 测试太阳电池的光照 I 2V 特性由 AM 1 太阳模拟光源测得 , 测试温度为 25℃ . 二极管的暗场正向 I 2V 特性由 H P24145B 半导体参数分析仪测得 .2. 3 二极管的大电流反向冲击实验测量样品冲击前的暗场正向 I 2V 特性 . 然后用半导体参数分析仪给四种样品加较小的瞬态反向偏压 . 时间约为 011 秒 . 测出流过样品的最大反向电流 , 此电流定为对应的反向冲击电流 . 接着测量冲击后二极管的暗场正向 I 2V 特性 . 逐步增大反偏电压 , 测出相应的反向冲击电流 , 测量每次冲击后二极管的正向 I 2V 特性 . 反偏电压一直增大到二极管出现击穿现象为止 .图 1 GaA s 太阳电池的光照 I2V 关系曲线A L PE 材料 ; B M OCVD 1 材料 ;C M OCVD 2 材料 ; D M OCVD 3 材料 .2. 4 数据处理pn 结二极管的暗场 I 2V 特性有如下关系式 J J od eq V - JR sA 1 kT - 1 J or eq V - JR sA 2 kT - 1 V - J R sR sh 1其中 J od是中性区的饱和扩散电流密度 ; J or是空间电荷区的饱和复合电流密度 ; V 是外加电压 ; J 是流过电池的电流密度 ; R s 是单位面积电池的串联电阻 ; R sh是单位面积电池的旁路电阻 ; k 是玻尔兹曼常数 ; T 是绝对温度 ; A 1 和 A 2分别为扩散电流和复合电流指数因子 . 为了获得pn 结的结特性参数 , 本文采用了文献 [ 1 ] 中给出的改进的阻尼最小二乘法对实测的暗场 I 2V 曲线进行拟合 . A 1 取 110. 整条拟合曲线的标准剩余误差用 Ρ 表示 .3 实验结果3. 1 太阳电池的光照特性图 1 分别是 L PE 材料和 M O CVD 材料的太阳电池光照射下的 I 2V 关系曲线 . 这些曲线对应的拟合参数列于表 2 中 . 其中 V oc 表示电池的开路电压 ; I sc表示电池的短路电流 ; V m 表示最大输出371 期 施小忠等 M OCVD GaA s 太阳电池的结特性 功率点相应的工作电压 ; Im 表示最大输出功率点相应的工作电流 ; FF 表示电池的填充因子 ; Γ 表示电池的效率 . 可见 , 随着外延 n 型层厚度的增大 , M O CVD 电池的六个参数均增大 . 当 M OCVD 样品的 n 型外延层的厚度达 515Λ m 时 , 电池的参数值与 L PE 电池的对应值很相近 .表 2 太阳电池的光照特性参数样品 V oc V I sc mA V m V I m mA FF Γ L PE 0. 97 25. 0 0. 82 23. 53 79. 6 19. 3M OCVD 1 0. 82 22. 0 0. 68 20. 14 75. 9 13. 7M OCVD 2 0. 90 23. 0 0. 74 21. 54 77. 0 15. 9M OCVD 3 0. 94 24. 5 0. 78 23. 18 78. 5 18. 13. 2 二极管的暗场 I -V 特性3. 2. 1 大电流反向冲击前的 I -V 特性图 2 是 L PE 和 M O CVD 样品承受电流反向冲击前的正向暗场 I 2V 特性 , 这些 I 2V 关系曲线对应的拟合结果列于表 3 中 .表 3 四种样品大电流反向冲击前的 I -V 关系曲线的拟合结果样品 J od A cm - 2 J o r A cm - 2 A 2 R s 8 cm - 2 R sh 8 cm - 2 ΡL PE 1. 14 10- 17 2. 69 10- 9 2. 07 4. 81 10- 2 4. 91 106 1. 34 10- 1M OCVD 1 1. 00 10- 18 1. 34 10- 7 2. 21 3. 31 10- 2 5. 33 104 1. 07 10- 1M OCVD 2 4. 05 10- 19 2. 14 10- 8 2. 16 6. 55 10- 2 3. 09 105 1. 36 10- 1M OCVD 3 3. 95 10- 17 1. 60 10- 9 1. 90 7. 49 10- 3 1. 11 107 7. 49 10- 2图 2 电流冲击前四种样品的暗场 I 2V 关系曲线拟合结果表明 ,M O CVD 样品的饱和复合电流密度随着外延 n 型层 厚 度 的 增 加 而 减 小 .M OCVD 1 的饱和复合电流密度是 M O CVD 2的 5 倍左右 , 是 M O CVD 3 的 100 倍左右 ; 其旁路电阻是 M O CVD 2 的五分之一左右 , 是M OCVD 3 的一百分之一左右 . M OCVD 3 的各拟合参数与 L PE 的相应的参数值相近 .3. 2. 2 大电流反向冲击后的 I -V 特性图 3 是 L PE 和 M O CVD 样品承受大电流反向冲击后的正向暗场 I 2V 特性 , 这些 I 2V 关系曲线对应的拟合结果列于表 4 中 . L PE、M OCVD 1、 M OCVD 2 和 M O CVD 3 样品受到的 最大瞬态反向冲击电流密度分别为 11 0、 3 10、 410 和 4010A cm 2. 对应各自所能承表 4 四种样品大电流反向冲击后的 I -V 关系曲线的拟合结果样品 J od A cm - 2 J o r A cm - 2 A 2 R s 8 cm - 2 R sh 8 cm - 2 ΡL PE 3. 23 10- 19 1. 01 10- 8 2. 05 3. 86 10- 2 2. 81 106 1. 34 10- 1M OCVD 1 1. 00 10- 18 3. 14 10- 6 2. 87 2. 02 10- 2 2. 04 103 6. 47 10- 2M OCVD 2 4. 05 10- 19 2. 70 10- 8 2. 16 6. 27 10- 2 3. 11 105 1. 37 10- 1M OCVD 3 3. 28 10- 16 9. 67 10- 9 2. 25 2. 23 10- 2 5. 06 106 1. 71 10- 147 半 导 体 学 报 20 卷受的最大冲击电流密度 .结果表明 , 当二极管受到大电流反向冲击后 , 复合电流密度增大 , 旁路电阻减小 , 串联电图 3 电流冲击后四种样品的暗场 I 2V 关系曲线阻的变化主要是由于测试电路的电阻的变化所致 . 对于绝大多数样品 , 大电流反向冲击后二极管的复合电流指数因子都有增大的倾向 , 而且其值通常大于 210.3. 2. 3 饱和复合电流密度与反向冲击电流密度的关系图 4 表示四种样品受到不同的反向电流冲击后样品的饱和复合电流密度与冲击前的饱和复合电流密度之比随反向冲击电流密度的变化关系 .可见 , 样品的 J o r2 J o r1 随着反向冲击电流密度增大的而增大 , 这一比值还随 n 型基图 4 实验测量到的大电流反向冲击后与冲击前二极管的饱和复合电流密度之比J o r2 J o r1 随反向电流密度的变化关系图 5 实验测量到的大电流反向冲击前与冲击后的二极管的单位面积的旁路电阻之比R sh1 R sh2 随反向电流密度的变化关系区的厚度的减小而增大 . M O CVD 2 的 J or2J o r1 值比 M O CVD 3的相应值小 , 但是 , 由于大电流反向冲击前 M O CVD 3 的饱和复合电流密度比 M O CVD 2 的饱和复合电流密度小 , 因此其相对变化量比 M O CVD 2 的相对变化量小 . 例如 , 当反向冲击的电流密度为 410Acm 2 时 ,M OCVD 2 的饱和复合电流密度的绝对变化量为 516 10- 9A cm 2, 而 M O CVD 3的饱和复合电流密度的绝对变化量约为 810 10- 10A cm 2, 几乎小一个数量级 . M O CVD 3与 L PE 的 J or2 J or1 随反向冲击电流密度的变化关系很相近 , 不过 M O CVD 3 所能承受的最大反向冲击密度远比 L PE 样品的对应值大 .3. 2. 4 旁路电阻与反向冲击电流密度的关系图 5 表示四种样品的旁路电阻与受到不同的反向电流冲击后样品的旁路电阻之比随反向冲击电流密度的变化关系 . 可见 , R sh1R sh2随样品受到的反向冲击电流密度的增大而增大 , 同时还随二极管 n 型外延层厚度的减小而增大 .571 期 施小忠等 M OCVD GaA s 太阳电池的结特性 4 分析与讨论通过测量二极管的暗场结特性来取代直接测量太阳电池的结特性主要基于以下考虑 第一是尽量减小因电池面积增大可能引起的结的不均匀性给电池的结特性带来的影响 ; 其次是尽量消除电池的正面电极及电池的顶层的薄层电阻对暗场结特性的影响 , 提高拟合结果的准确度 . 由于我们制作的二极管的材料和结构与太阳电池的材料和结构相同 , 因此 , 以上讨论的二极管的暗场结特性在很大的程度上反映了太阳电池的暗场的结特性 .电池的短路电流主要取决于 pn 结收集到的光生载流子的多少 . M O CVD 1 的空间电荷区的饱和复合电流密度比 M O CVD 2 和 M OCVD 3 的对应值大 , 说明外延的基区较薄时 , 衬底对电池的性能影响较大 , 这种影响可能来自衬底与外延层的交界面的缺陷及衬底杂质向外延层的扩散以及外延时衬底上的位错向外延层的延伸 , 在外延层及 p n 结结区产生大量复合中心使光生载流子减少的结果 . 目前已有大量的研究结果表明用 M O CVD 方法在GaA s, Si 和 Ge 等衬底材料上外延时在外延层中会产生大量的缺陷及位错向外延层延伸的现象 [ 2, 3]. M O CVD 3 的暗电流较小 , 加上复合掉的光生电子空穴对较少 , 因此输出电流较大 . 因此 M OCVD 样品的短路电流随外延 n 型层厚度的增大而增大 .M O CVD 样品的 n 型层厚度小于 515Λ m 时 , 电池的开路电压随基区厚度的增大而增大 , 可能是电池的暗电流减小的缘故 . 因为暗电流是影响电池开路电压的一个关键因素 [ 4].这结果与 Yam aguch i 等的结果相同 [ 5 ].M O CVD 1、 M O CVD 2 和 M OCVD 3 三组样品的反向击穿电压的大小分别为 610、 810、1010V , 说明样品的反向击穿电压随 n 型外延层厚度的增大而增大 . 击穿电压的差异是衬底杂质向基区扩散的差异所致 . M O CVD 1 的 n 型外延层较薄 , 衬底杂质扩散至结附近的量较大 , 隧道电流较大 ; 此外 ,M O CVD 1 结区的复合电流和漏电流较大 , 因此 M O CVD 1 的反向击穿电压较低 . 当样品中引入缓冲层及加大基区的厚度后 , 以上几部分暗电流减小了 , 从而提高了击穿电压 . M O CVD 样品与 L PE 样品击穿电压的差异来源于击穿的机制不同 .M OCVD 样品的结区较窄 , 因此隧道电流占主导 , 而 L PE 样品的结区较宽 , 雪崩效应占主导 .外延 n 型层中缺陷不但降低了电池的效率 , 同时也降低了承受大电流反向冲击的能力 . 即电池未被击穿前在承受相同的反向电流冲击下 , 电池的暗电流的变化量随缺陷密度的增大而增大 . 样品经受大电流的反向冲击后 , 电池参数的变化主要来自电池边缘 . Kalinga 2m udali ,M elloch 和 Stellw ag 等对 GaA s 太阳电池的边界效应作了较深入的研究 [ 6～ 8 ] , 他们的结果表明 , 当样品的周长与面积之比小于 50 时 , 边界效应不明显了 . 本文所用的样品的周长与面积之比均小于 50, 因此 , 这些样品在经受大电流的反向冲击前可以忽略边界效应对电池结特性的影响 , 然而 , 当电池受到大电流的反向冲击以后 , 电池的边界效应会引入较大的暗电流 . 图 6 是与 M OCVD 2 有相似结构的二极管在受到大电流反向冲击前 , 冲击后及二极管的侧面被腐蚀掉 11 0Λ m 时的暗场正向 I 2V 特性关系曲线 . 结果表明 , 二极管经受大电流的反向冲击后 , 样品的击穿总是从边界开始 . L PE 样品也观察到类似的现象 . Hon s2berg 等在对商业应用的太阳电池作光发射实验时 [ 9 ] , 观察到电池的击穿从正面电极或电池边缘处开始的现象 . 因此 , 在研究电池的大电流的反向冲击时应该考虑电池的边界效应 .67 半 导 体 学 报 20 卷本文中 M OCVD 3 的窗口层较薄 , 但其效率不及 L PE 样品的效率 . 主要原因是电池材料的 pn 结的不均匀性所致 , 这种不均匀性包括掺杂的不均匀 , 厚度的不均匀等 . 为了检测这种不均匀性的存在 , 我们制备了不同尺寸的二极管 , 二极管的饱和复合电流密度与二极管的周长与面积之比的关系曲线如图 7 所示 . Tob in[ 10 ]等制作的样品的 J o r 与 L S 间有严格的线性关系 , 而本实验中所用的样品的测试点偏离直线 , 说明材料的 pn 结不均匀 . 图 2 表明偏压较大时 M O CVD 3 结区的复合电流较 L PE 样品的大 , 这也是 M O CVD 3 的效率不及 L PE样品的原因 .图 6 M OCVD 材料制作的二极管在受到大电流反向冲击前 A , 冲击后 B 及二极管的侧面被腐蚀掉 110Λ m C 三种情况下的暗态正向 I 2V 特性关系曲线二极管面积为 112mm 112mm , 对应的最大反偏电压为 810V , 电池边界被击穿 .图 7 M OCVD 法制作的二极管的饱和复合电流密度与二极管的周长与面积之比的关系曲线J o r 1. 0 10- 8A cm - 25 结论增大 M O CVD 电池 n 型外延层的厚度可以提高电池的效率 , 增大 n 型外延层的厚度能提高电池承受大电流的反向冲击的能力 . n 型外延层较厚电池的效率较高是由于衬底的杂质扩散至结区的量较少所致 . M O CVD 电池所能承受大电流的反向冲击的能力比 L PE 电池强 , 原因是 M O CVD 电池的结区较薄 , 雪崩击穿的可能性降低的结果 .致谢 感谢朱福英女士在 C2V 测试上的帮助和讨论 .参 考 文 献[ 1 ] 王子琦 , 陈朝 , 刘士毅 , 固体电子学研究与进展 , 1987, 7 4 304～ 313.[ 2 ] M . Kato et al. , P roceedings of the 18th Pho tovo ltaic Specialists Conference IEEE , N Y , 1985 14～ 19.[ 3 ] S. M . V ernon et al. , Proceedings of the 20 th Pho tovo ltaic Specialists Conference IEEE , N Y , 1990 211～ 216.[ 4 ] H. J. Hovel , Solar Cells , V o l. 11, Semiconducto rs and Semim etals Series N ew Yo rk A cademic Press, 1975.[ 5 ] M . Yam aguch i et al. , J. A pp l. Phys. , 1986, 59 5 1751～ 1753.771 期 施小忠等 M OCVD GaA s 太阳电池的结特性 [ 6 ] S. R. D. Kalingam udali et al. , Solid 2State Electronics , 1997, 41 3 417～ 422.[ 7 ] M. R. M elloch et al. , P roceedings of the 20th Pho tovo ltaic Specialists Conference IEEE, N Y, 1990 163～167.[ 8 ] T. B. Stell w ag et al. , P roceedings of the 20th Pho tovoltaic Specialists Conference IEEE , N Y , 1990 442～ 447.[ 9 ] C. Honsberg and A . M . Barnett , Solar Cells , 1987 59～ 63.[ 10 ] S. P. Tobin et a l. , IEEE T rans. on E lectron D evices , 1990, 37 2 469～ 477.Junction Character istics of MOCVD and L PE GaA s Solar CellsShi X iaozhong, X ia Guanqun , W ang L e, M o J in jiD ep art m ent of S em icond uctor M aterials and D ev ices, S hang ha i Institu te of M eta llu rgy ,T he Ch inese A cad emy of Sciences, S hang ha i 200050 R eceived 14 July 1997, revised m anuscri p t received 8 D ecember 1997Abstract T he p arameters of GaA s solar cells are ob tained by curve2fitting . T he resultssuggest that as the th ickness of the n2GaA s epitax ial layer increases, the efficiency of thesolar cell increases, the dark curren t decreases, and the ability in loading reverse cu rren tim proves. M O CVD solar cells allow higher reverse curren t density th rough the pn juncti onthan the L PE solar cells.EEACC 8420, 2560H ; PACC 8630J87 半 导 体 学 报 20 卷