Metal-yalıtkan-yarı iletken yapıdaki gözenekli silisyum güneş pillerinin elektriksel karakteristikleri

Abstract

Hibrid metal-yalıtkan-yarıiletken (MYY) silisyum güneş pilleri yeni bir üretimyaklaşımı ile Ukrayna Bilimler Akademisi, İleri Teknoloji için Temel ProblemlerEnstitüsü'nde üretildi. Bu yaklaşım, geliştirilmiş MYY pilin hazırlık işleminden öncetek kristalli Si tabakanın kimyasal aşındırılması ile gözenekli silisyum yaratılmasıdır.Güneş pili boron katkılı p-tipi, <100> yönelimli tek kristalli Si tabakadan üretilmiştir(10.2x10.2 cm2 ve 300 µm kalınlığında). Tabakalar yaklaşık olarak 2.77x1016 cm-3katkılanma seviyesine ve 0.5 ⦠cm özdirence sahiptir. Benzersiz özelliklerisayesinde gözenekli Si, güneş ışığı toplayıcısı, ışık saçılım difüzörü ve çok katlı Siyapıdaki elektriksel yalıtkan kadar iyi güneş ışığının tekrar yayıcısı olarak çalışabilir.Gözenekli Si, ışığın hapsedilmesini ve böylece güneş pilinin verimliliğini arttırır. Buteknik kullanılarak, AM1.5 şartları altında %15'in üzerinde verimliliği olan güneşpilleri elde edildi. Bu çalışmada, gözenekli silisyum güneş pillerinin karanlık akım-voltaj-sıcaklık (I-V-T), kapasitans-voltaj-sıcaklık (C-V-T) ve iletkenlik-voltaj-sıcaklık(G/w-V-T) karakteristikleri geniş bir sıcaklık bölgesinde (79-400 K) çalışıldı ve aynızamanda oda sıcaklığında, 100 mW/cm2 aydınlatma altında (AM1.5 şartları) akım-voltaj (I-V) karakteristiği incelendi. Deneysel sonuçlar, doğru ve ters I-Vkarakteristiklerinin Schottky eklem benzeri davranış gösterdiğini göstermektedir.VKaranlık I-V karakteristikleri bütün sıcaklıklar için 1'den daha büyük idealite faktörüile ideal olmayan bir davranış gösterdiler. Arayüzey durumlarının yoğunluklarınındağılım profili N ss , E ss â E v 'nin fonksiyonu olarak ~1011 eV-1 cm-2 mertebesinde,gözenekli silisyum güneş pili için farklı sıcaklıklarda I-V ölçümlerinden eldeedilmiştir. İdealite faktörü n , seri direnç Rs , engel yüksekliği Ï B ve arayüzeyyoğunluğu N ss sıcaklığın güçlü fonksiyonları olarak bulundular. İdealite faktörü n ,seri direnç Rs ve arayüzey yoğunluğu N ss artan sıcaklık ile azalırken, engelyüksekliği Ï B ( I â V ) artan sıcaklık ile artmaktadır. C-V ölçümlerinden elde edilenengel yüksekliği ( Ï B (C â V ) ) ile I-V verilerinden elde edilen engel yüksekliği( Ï B ( I â V ) ) arasında bir uyuşmazlık vardır. Ï B (C â V ) ile Ï B ( I â V ) engelyüksekliği değerlerindeki ve bu değerlerin sıcaklık bağımlılıklarındaki farklılık,engel yüksekliklerinin Gaussian dağılımı modeli varsayılarak açıklanır. Bunlara ekolarak, kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/w-V) ölçümleri farklıaydınlatma seviyeleri için de yapılmıştır. Akümülasyon bölgesinde ölçülen Rsazalırken, sıcaklık ve bütün aydınlatma seviyeleri ile keskin bir değişim gösterir;ayrıca tüketim ve inversiyon bölgelerinde ölçülen Rs de tüketim bölgesinde piklerverir. Deneysel sonuçlar, gözenekli silisyum güneş pillerinin performansının seridirence ve arayüzey durumlarına duyarlı olduğunu gösterir.Anahtar Kelimeler: Gözenekli silisyum; Güneş pili; Seri direnç; Arayüzeydurumları; Sıcaklık bağımlılığı; Akım iletim mekanizması

A new approach for hybrid metal-insulator-semiconductor (MIS) Si solar cells isfabricated by Institute of Fundamental Problems for High Technology, UkrainianAcademy of Sciences. In this approach, the porous silicon is created by chemicaletching of mono crystalline Si wafers before an improved MIS cell preparationprocess. The PV solar cells were fabricated on boron doped p-type, <100> singlecrystalline Si wafers (10.2x10.2 cm2 and 300 µm thick). The doping level of waferswas about 2.77x1016 cm-3 showing with the resistivity of about 0.5 ⦠cm. Because ofits unique properties, porous Si can work also as a sunlight concentrator, lightscattering diffuser and re-emitter of sunlight as well as an electrical isolator in themultilayer Si structure. Porous Si increases the light confinement and thus the totalPV efficiency. Using this technique, the solar cells with efficiencies over 15% underAM1.5 conditions have been obtained. In this work the dark current-voltage-temperature (I-V-T), capacitance-voltage-temperature (C-V-T) and conductance-voltage-temperature (G/w-V-T) characteristics of porous-silicon solar cells arestudied over a wide temperature range between 79 K and 400 K. And the current-voltage (I-V) characteristic is also studied under illumination level with 100 mW/cm2at room temperature (AM1.5 conditions). Experimental results show that the forwardand reverse I-V characteristics show Schottky-junction-like behavior. The dark I-Vcharacteristics showed non-ideal behavior with an ideality factor higher than unity atVIIeach temperature. The density of interface states distribution N ss profiles as afunction of E ss â E v deduced from the I-V measurements at different temperaturesfor the porous silicon solar cells are on the order ~1011 eV-1 cm-2. The interface statedensity N ss decreases with increasing temperature. The ideality factor n , seriesresistance Rs , barrier height Ï B and interface states density N ss were found to bestrong function of temperature. While the ideality factor n , series resistance Rs andinterface states N ss decrease, the barrier height Ï B ( I â V ) increase with increasingtemperature. There is a disagreement between the barrier height from C-Vmeasurements ( Ï B (C â V ) ) and those determined from I-V data ( Ï B ( I â V ) ). Thedifference in Ï B (C â V ) and Ï B ( I â V ) values and in their temperature dependenceare explained by assuming the Gaussian distribution of barrier heights model. Inaddition, capacitance-voltage (C-V) and conductance-voltage (G/w-V) characteristicsare studied at different external illumination levels. While the Rs decreases,measured accumulation region, it exhibits a sharp change with temperature and totalillumination level and gives a peak in depletion region, measured depletion andinversion region. Experimental results show that the performance of the poroussilicon solar cells has been found to be sensitive to the series resistance and interfacestates.Key words: Porous silicon; Solar cells; Series resistance; Interface states;Temperature dependent; Current transport mechanisms