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基于正偏噪声的太阳能电池检测方法

2017-05-09 11:12:09

[导读] 在半导体材料或者是器件中,存在着能够发射或俘获载流子的各种杂质中心。根据它们在禁带中能级位置的不同,分别起着受主中心、施主中心、陷阱中心或产生-复合中心的作用。这些杂质中心对载流子的发射和俘获是一种随机事件,因此占据其能级的载流子数目随机涨落,同时引起导带电子或价带空穴的随机变化。

1.1基于g-r噪声的太阳能电池材料深能级杂质检测

1.1.1 g-r噪声的产生机制与模型

半导体材料或者是器件中,存在着能够发射或俘获载流子的各种杂质中心。根据它们在禁带中能级位置的不同,分别起着受主中心、施主中心、陷阱中心或产生-复合中心的作用。这些杂质中心对载流子的发射和俘获是一种随机事件,因此占据其能级的载流子数目随机涨落,同时引起导带电子或价带空穴的随机变化。

由此而产生的噪声称为产生-复合噪声,简称g-r噪声。当杂质能级低于费米能级若干kT时,该能级总是满的;当杂质能级高于费米能级若干kT时,该能级总是空的。所以,只有能量在费米能级附近几个kT范围内的杂质中心才对g-r噪声有明显贡献。浅施主能级或者是浅受主能级分别靠近导带底和价带顶,在通常的温度和偏置范围内,距费米能级较远,对g-r噪声的贡献甚微。因此,g-r噪声主要来源于禁带中部附近的深能级产生-复合中心和陷阱中心[47]。Hsu指出[48] p-n结的空间电荷区存在着由一个电荷控制的缺陷建立的势垒,这个势垒引起的双稳态的波动引起了g-r噪声。缺陷区的势垒要比二极管的无缺陷区低很多,因此,缺陷区的电流要比无缺陷部分大很多。

 

其中I是通过p-n结的直流电流,qΔV是有效势垒波动的数值,ΔAA为有效面积的相对变化,n为I-V特性曲线的理想因子。

建立g-r噪声的模型需要定义两个时间常数+τ和τ,+τ为g-r中心为空状态(没有电子占据)的时间,即俘获时间常数,τ为g-r中心被电子占据的时间,即发射时间常数。在时间+τ内通过缺陷的电流为最大值,而在τ时间内通过缺陷的电流为最小值。

 

 

1.1.2利用g-r噪声的太阳能电池深能级杂质分析

噪声作为半导体器件质量控制和可靠性评估的工具,已得到广大研究者一致接受和广泛应用。测试由于器件内部的潜在缺陷引起的噪声对器件质量进行研究的方法已经有很久的历史了。当Z.Chobola研究单晶硅电池时[46],有20%的器件出现了g-r噪声。g-r噪声的出现说明在p-n结空间电荷区存在位错,并且这些位错中存在的金属杂质增强了噪声。从以上的说明可以看出g-r噪声的存在可以作为器件可靠性评估的工具。通过对太阳能电池正向噪声的测试可以发现,g-r噪声功率谱密度随正向偏压的变化与1/f噪声的不同,见图2.1.

 

204和206两个样品的电压噪声功率谱密度随正向偏置电压变化的曲线

图2.1给出了文献中进行试验的204和206两个样品的电压噪声功率谱密度随正向偏置电压变化的曲线。在正向偏压为0.2V时,样品206的噪声功率谱密度要比204高一个量级,达到了5*10 -15 V 2 s.在功率匹配的条件下得到了最大噪声功率谱密度。样品206在电压0.3V到0.5V时出现了g-r噪声。图2.2给出了在偏压为0.42V时样品出现的g-r噪声的时域图像。从图中可以看出噪声为双稳态脉冲噪声,时间常数分别为0.01s和0.2s.

 

在偏压为0.42V时样品出现的g-r噪声的时域图像

太阳能电池中出现g-r噪声时,说明太阳能电池内部存在深能级杂质,通过测试噪声功率谱密度随温度的变化关系,可以确定太阳能电池中深能级杂质的能级大小。

图2.3给出了样品206电压功率谱密度在280K到420K的温度范围内随温度的变化,出现了3个中心频率,100Hz、1K和10KHz.噪声电压是在100Ω的电阻上测量得到的[46]。电流常数为7mA.曲线中出现了一个尖峰,随着频率的降低移向低温区。峰值频率和温度为:100Hz/295K,1KHz/340K和10KHz/385K.

 

样品206电压功率谱密度在280K到420K的温度范围内随温度的变化

 

等式(2-4)中噪声幅值与τ有关,但是τ又依赖于温度从而通过测试噪声与温度的关系可以确定杂质的能级。从图2.3的峰值可以确定寿命τ和峰值处的温度。

假设,陷阱或是中心的激活能为ΔE,τ随着温度的变化满足如下等式:

 

图2.4给出了τT 2随1/T的变化曲线。从曲线的斜率可以确定出激活能为0.41eV.这可能是由于存在Fe。

1.2 1/f噪声用于太阳能电池辐射损伤表征

1.2.1太阳能电池的辐射损伤机理

太阳能电池最早应用于空间技术。现在的太阳能电池大多作为持续洁净的动力来源应用于卫星和太空装置。太空应用及军用太阳能电池的工作环境中辐射的影响很大,太阳能电池由于辐射损伤其性能的退化将引起整体系统的可靠性的降低,甚至引起功能性失效。太阳能电池是n+-P型结构的pn结,其电流成分有两种成分,一部分是依赖于少子扩散机制的光电流成分,一部分是与少子扩散无关的复合电流成分,由于太阳能电池的电流都是由于少子的运动产生的,所以太阳能电池为少子器件。

辐射效应在太阳能电池的表面和体内产生了大量的复合中心,使少子寿命和扩散长度均降低,从而引起电流中光电流成分的降低,性能明显发生退化[。

另外辐射不仅在太阳能电池基区中引入少子复合中心,还引入补偿效应[51],使多子浓度发生变化。多子浓度的变化与入射的辐射离子的种类和能量有关,这种补偿效应使得基区阻值增大,输出能力降低。

2.2.2太阳能电池辐照实验在太阳能电池的辐射损伤实验中进行噪声参数的测试与分析,应用噪声对空间太阳能电池的质量和可靠性做出评估与预测。

 

太阳能电池的辐照实验的噪声测试原理图

图2.5给出了太阳能电池的辐照实验的噪声测试原理图,测试流程:1)电学测试:硅太阳能电池的I-V特性采集在0~0.6V之间,步长为0.02V;2)噪声测试:在暗条件下进行,测试的电流为恒流,为3mA.测试过程中注意遮光措施的完善,因为光照对电学参数和噪声参数的测试都有影响。如果在I-V特性中电流出现了负值,说明有光入射到太阳能电池的表面,使其发生了光伏效应。光照对两种参数的测试都有较大的影响,使得测试误差增大。

1.2.3实验结果分析

 

在600Krad的γ辐射损伤之后,20个器件的噪声功率谱密度的变化情况与初始的噪声功率谱的密度大小有关

图2.6给出了在600Krad的γ辐射损伤之后,20个器件的噪声功率谱密度的变化情况与初始的噪声功率谱的密度大小有关。通过线性拟合,可以发现,20个数据点在拟合直线的两边均匀分布,从图中可以看出初始噪声值的大小可以用于表征太阳能电池在大剂量辐射损伤之后的损伤情况。

图2.7给出了太阳能电池在进行600Krad的辐射损伤之后,其噪声功率谱密度的大小与200Krad相对于10Krad的变化率的线性拟合结果。从图中可以发现在初始辐射损伤之后太阳能电池噪声的变化率的大小在某种程度上确定了大剂量辐射损伤之后的噪声功率谱密度的大小。这就说明通过对小剂量的辐射损伤中的噪声测试结果进行分析,其退化率的大小对于之后大剂量辐射损伤情况可以做出评估,可以进一步对器件进行筛选。

空间应用的太阳能电池与地面应用的太阳能电池相比较在达到硬度的标准之上还要达到一定总剂量辐射损伤的要求。通过以上的论述,发现通过小剂量的辐射损伤之后,噪声幅值的相对变化率可以预测太阳能电池在空间应用情况下的损伤状况,从而对太阳能电池进行评价和筛选,提高太阳能电池在空间使用环境下的可靠性,达到所要求的服役年限。

[整理编辑:中国测控网]
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