基于正偏噪聲的太陽能電池檢測方法--理論研究（一）

1.1基于g-r噪聲的太陽能電池材料深能級雜質(zhì)檢測

1.1.1 g-r噪聲的產(chǎn)生機制與模型

在半導(dǎo)體材料或者是器件中，存在著能夠發(fā)射或俘獲載流子的各種雜質(zhì)中心。根據(jù)它們在禁帶中能級位置的不同，分別起著受主中心、施主中心、陷阱中心或產(chǎn)生-復(fù)合中心的作用。這些雜質(zhì)中心對載流子的發(fā)射和俘獲是一種隨機事件，因此占據(jù)其能級的載流子數(shù)目隨機漲落，同時引起導(dǎo)帶電子或價帶空穴的隨機變化。

由此而產(chǎn)生的噪聲稱為產(chǎn)生-復(fù)合噪聲，簡稱g-r噪聲。當(dāng)雜質(zhì)能級低于費米能級若干kT時，該能級總是滿的；當(dāng)雜質(zhì)能級高于費米能級若干kT時，該能級總是空的。所以，只有能量在費米能級附近幾個kT范圍內(nèi)的雜質(zhì)中心才對g-r噪聲有明顯貢獻。淺施主能級或者是淺受主能級分別靠近導(dǎo)帶底和價帶頂，在通常的溫度和偏置范圍內(nèi)，距費米能級較遠，對g-r噪聲的貢獻甚微。因此，g-r噪聲主要來源于禁帶中部附近的深能級產(chǎn)生-復(fù)合中心和陷阱中心[47]。Hsu指出[48] p-n結(jié)的空間電荷區(qū)存在著由一個電荷控制的缺陷建立的勢壘，這個勢壘引起的雙穩(wěn)態(tài)的波動引起了g-r噪聲。缺陷區(qū)的勢壘要比二極管的無缺陷區(qū)低很多，因此，缺陷區(qū)的電流要比無缺陷部分大很多。

其中I是通過p-n結(jié)的直流電流，qΔV是有效勢壘波動的數(shù)值，ΔAA為有效面積的相對變化，n為I-V特性曲線的理想因子。

建立g-r噪聲的模型需要定義兩個時間常數(shù)+τ和

τ，+τ為g-r中心為空狀態(tài)（沒有電子占據(jù)）的時間，即俘獲時間常數(shù)，

τ為g-r中心被電子占據(jù)的時間，即發(fā)射時間常數(shù)。在時間+τ內(nèi)通過缺陷的電流為最大值，而在

τ時間內(nèi)通過缺陷的電流為最小值。

1.1.2利用g-r噪聲的太陽能電池深能級雜質(zhì)分析
噪聲作為半導(dǎo)體器件質(zhì)量控制和可靠性評估的工具，已得到廣大研究者一致接受和廣泛應(yīng)用。測試由于器件內(nèi)部的潛在缺陷引起的噪聲對器件質(zhì)量進行研究的方法已經(jīng)有很久的歷史了。當(dāng)Z.Chobola研究單晶硅電池時[46]，有20%的器件出現(xiàn)了g-r噪聲。g-r噪聲的出現(xiàn)說明在p-n結(jié)空間電荷區(qū)存在位錯，并且這些位錯中存在的金屬雜質(zhì)增強了噪聲。從以上的說明可以看出g-r噪聲的存在可以作為器件可靠性評估的工具。通過對太陽能電池正向噪聲的測試可以發(fā)現(xiàn)，g-r噪聲功率譜密度隨正向偏壓的變化與1/f噪聲的不同[46]，見圖2.1.

圖2.1給出了文獻中進行試驗的204和206兩個樣品的電壓噪聲功率譜密度隨正向偏置電壓變化的曲線。在正向偏壓為0.2V時，樣品206的噪聲功率譜密度要比204高一個量級，達到了5*10 -15 V 2 s.在功率匹配的條件下得到了最大噪聲功率譜密度。樣品206在電壓0.3V到0.5V時出現(xiàn)了g-r噪聲。圖2.2給出了在偏壓為0.42V時樣品出現(xiàn)的g-r噪聲的時域圖像[46]。從圖中可以看出噪聲為雙穩(wěn)態(tài)脈沖噪聲，時間常數(shù)分別為0.01s和0.2s.

當(dāng)太陽能電池中出現(xiàn)g-r噪聲時，說明太陽能電池內(nèi)部存在深能級雜質(zhì)，通過測試噪聲功率譜密度隨溫度的變化關(guān)系，可以確定太陽能電池中深能級雜質(zhì)的能級大小。

圖2.3給出了樣品206電壓功率譜密度在280K到420K的溫度范圍內(nèi)隨溫度的變化，出現(xiàn)了3個中心頻率，100Hz、1K和10KHz.噪聲電壓是在100Ω的電阻上測量得到的[46]。電流常數(shù)為7mA.曲線中出現(xiàn)了一個尖峰，隨著頻率的降低移向低溫區(qū)。峰值頻率和溫度為：100Hz/295K，1KHz/340K和10KHz/385K.

等式（2-4）中噪聲幅值與τ有關(guān)，但是τ又依賴于溫度從而通過測試噪聲與溫度的關(guān)系可以確定雜質(zhì)的能級。從圖2.3的峰值可以確定壽命τ和峰值處的溫度。

假設(shè)，陷阱或是中心的激活能為ΔE，τ隨著溫度的變化滿足如下等式：

圖2.4給出了τT 2隨1/T的變化曲線。從曲線的斜率可以確定出激活能為0.41eV.這可能是由于存在Fe「46」。

1.2 1/f噪聲用于太陽能電池輻射損傷表征

1.2.1太陽能電池的輻射損傷機理

太陽能電池最早應(yīng)用于空間技術(shù)?，F(xiàn)在的太陽能電池大多作為持續(xù)潔凈的動力來源應(yīng)用于衛(wèi)星和太空裝置。太空應(yīng)用及軍用太陽能電池的工作環(huán)境中輻射的影響很大，太陽能電池由于輻射損傷其性能的退化將引起整體系統(tǒng)的可靠性的降低，甚至引起功能性失效。太陽能電池是n+-P型結(jié)構(gòu)的pn結(jié)，其電流成分有兩種成分，一部分是依賴于少子擴散機制的光電流成分，一部分是與少子擴散無關(guān)的復(fù)合電流成分，由于太陽能電池的電流都是由于少子的運動產(chǎn)生的，所以太陽能電池為少子器件。

輻射效應(yīng)在太陽能電池的表面和體內(nèi)產(chǎn)生了大量的復(fù)合中心，使少子壽命和擴散長度均降低，從而引起電流中光電流成分的降低，性能明顯發(fā)生退化[49][50]。

另外輻射不僅在太陽能電池基區(qū)中引入少子復(fù)合中心，還引入補償效應(yīng)[51]，使多子濃度發(fā)生變化。多子濃度的變化與入射的輻射離子的種類和能量有關(guān)，這種補償效應(yīng)使得基區(qū)阻值增大[52]，輸出能力降低。

2.2.2太陽能電池輻照實驗在太陽能電池的輻射損傷實驗中進行噪聲參數(shù)的測試與分析，應(yīng)用噪聲對空間太陽能電池的質(zhì)量和可靠性做出評估與預(yù)測。

圖2.5給出了太陽能電池的輻照實驗的噪聲測試原理圖，測試流程：1）電學(xué)測試：硅太陽能電池的I-V特性采集在0~0.6V之間，步長為0.02V；2）噪聲測試：在暗條件下進行，測試的電流為恒流，為3mA.測試過程中注意遮光措施的完善，因為光照對電學(xué)參數(shù)和噪聲參數(shù)的測試都有影響。如果在I-V特性中電流出現(xiàn)了負值，說明有光入射到太陽能電池的表面，使其發(fā)生了光伏效應(yīng)。光照對兩種參數(shù)的測試都有較大的影響，使得測試誤差增大。

1.2.3實驗結(jié)果分析

圖2.6給出了在600Krad的γ輻射損傷之后，20個器件的噪聲功率譜密度的變化情況與初始的噪聲功率譜的密度大小有關(guān)。通過線性擬合，可以發(fā)現(xiàn)，20個數(shù)據(jù)點在擬合直線的兩邊均勻分布，從圖中可以看出初始噪聲值的大小可以用于表征太陽能電池在大劑量輻射損傷之后的損傷情況。

圖2.7給出了太陽能電池在進行600Krad的輻射損傷之后，其噪聲功率譜密度的大小與200Krad相對于10Krad的變化率的線性擬合結(jié)果。從圖中可以發(fā)現(xiàn)在初始輻射損傷之后太陽能電池噪聲的變化率的大小在某種程度上確定了大劑量輻射損傷之后的噪聲功率譜密度的大小。這就說明通過對小劑量的輻射損傷中的噪聲測試結(jié)果進行分析，其退化率的大小對于之后大劑量輻射損傷情況可以做出評估，可以進一步對器件進行篩選。

空間應(yīng)用的太陽能電池與地面應(yīng)用的太陽能電池相比較在達到硬度的標(biāo)準(zhǔn)之上還要達到一定總劑量輻射損傷的要求。通過以上的論述，發(fā)現(xiàn)通過小劑量的輻射損傷之后，噪聲幅值的相對變化率可以預(yù)測太陽能電池在空間應(yīng)用情況下的損傷狀況，從而對太陽能電池進行評價和篩選，提高太陽能電池在空間使用環(huán)境下的可靠性，達到所要求的服役年限。