基于正偏噪聲的太陽能電池檢測方法

1.1基于g-r噪聲的太陽能電池材料深能級雜質檢測

1.1.1 g-r噪聲的產生機制與模型

在半導體材料或者是器件中，存在著能夠發射或俘獲載流子的各種雜質中心。根據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、陷阱中心或產生-復合中心的作用。這些雜質中心對載流子的發射和俘獲是一種隨機事件，因此占據其能級的載流子數目隨機漲落，同時引起導帶電子或價帶空穴的隨機變化。

由此而產生的噪聲稱為產生-復合噪聲，簡稱g-r噪聲。當雜質能級低于費米能級若干kT時，該能級總是滿的；當雜質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范圍內的雜質中心才對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帶底和價帶頂，在通常的溫度和偏置范圍內，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生-復合中心和陷阱中心[47]。Hsu指出[48] p-n結的空間電荷區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態的波動引起了g-r噪聲。缺陷區的勢壘要比二極管的無缺陷區低很多，因此，缺陷區的電流要比無缺陷部分大很多。

其中I是通過p-n結的直流電流，qΔV是有效勢壘波動的數值，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+τ和

τ，+τ為g-r中心為空狀態（沒有電子占據）的時間，即俘獲時間常數，

τ為g-r中心被電子占據的時間，即發射時間常數。在時間+τ內通過缺陷的電流為最大值，而在

τ時間內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分析
噪聲作為半導體器件質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用。測試由于器件內部的潛在缺陷引起的噪聲對器件質量進行研究的方法已經有很久的歷史了。當Z.Chobola研究單晶硅電池時[46]，有20%的器件出現了g-r噪聲。g-r噪聲的出現說明在p-n結空間電荷區存在位錯，并且這些位錯中存在的金屬雜質增強了噪聲。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現，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時出現了g-r噪聲。圖2.2給出了在偏壓為0.42V時樣品出現的g-r噪聲的時域圖像[46]。從圖中可以看出噪聲為雙穩態脈沖噪聲，時間常數分別為0.01s和0.2s.

當太陽能電池中出現g-r噪聲時，說明太陽能電池內部存在深能級雜質，通過測試噪聲功率譜密度隨溫度的變化關系，可以確定太陽能電池中深能級雜質的能級大小。

圖2.3給出了樣品206電壓功率譜密度在280K到420K的溫度范圍內隨溫度的變化，出現了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]。電流常數為7mA.曲線中出現了一個尖峰，隨著頻率的降低移向低溫區。峰值頻率和溫度為：100Hz/295K，1KHz/340K和10KHz/385K.