Silikon P-I-N fotodiyotların elektriksel karakterizasyonu

Abstract

IV SİLİKON P - 1 - N FOTODÎYOTLARIN ELEKTRİKSEL İCARAKTERİZASYONU (Yüksek Lisans Tezi) Şadan ÖZDEN MUĞLA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ 2005 ÖZET Bu çalışmada, BPW 34 ve BPW 41 silikon p-i-n fotodiyot aygıtlar ile tipik bir ZnO/CdS/Cu(In,Ga)Se2 güneş pilinin elektriksel özellikleri sıcaklık bağımlı karanlık akrm-gerilim ve admittans spektroskopisi ölçüm teknikleri kullanılarak araştırılmıştır BPW34 ve BPW41 fotodiyotların verimlilik değerleri sırayla yaklaşık 5% ve 12% olup doğrultma oranlan ise yaklaşık 106 -107 civarındadır. Pin fotodiyotların akım iletim mekanizmaları, Logl-V karakteristiklerinde iki farklı voltaj bölgesi ele alınarak incelenmiştir. Tipik bir fotodiyot için, I. bölgede (düşük besleme gerilimi); sıcaklığın 200K den büyük değerleri için p/i ara yüzeyi civarında i-tabaka yasak enerji aralığı ortalarına yalan kısımlarda bulunan elektron ve deşik yerel tuzak durumları arasındaki yeniden birleşme mekanizmasının toplam akıma önemli katkı yaptığı saptanmıştır. I. bölgede düşük sıcaklıklarda (T<200 K) ve II. bölgede tüm sıcaklık aralığında ise, toplam akımın tünellemenin yükselttiği i/p ara yüzeyde yeniden birleşim mekanizması ile kontrol edildiği tespit edilmiştir. Bu i/p ara yüzeyindeki yerelleşmiş tuzak (donor ve akseptör) durumlarının, ters besleme durumunda Richardson-Schottky/klasik Poole-Frenkel teorik yaklaşımına uygun bir enerji engeli biçiminde davrandığı tespit edilmiştir.Frekans ve sıcaklık bağımlı kapasitans karakteristikleri pin aygıtlarda tuzak durumlarının varlığına işaret etmektedir. Tipik bir p-i-n fotodiyot eşdeğer devre modeli; paralel bağlı direnç, kapasitör sistemi ve bu ikisine seri bağlı bir dirençten oluşmaktadır. Devre elemanlarının değerleri yüksek frekanslı sinyaller tararından etkilenmektedir (Warburg empedansı). ZnO/CdS/Cu(In,Ga)Se2 heteroeklem aygıtın verimlilik değeri %7.4 civarındadır. İleri besleme akrmımn, düşük voltaj (V<0.3 V) değerlerinde gözlenen I = Vm, m<1.2 biçimindeki davranışı, uzay yükü ile sınırlı akım (space charge limited current, SCLC) mekanizması veya tünelleme mekanizmasının varlığı ile açıklanmıştır. V>0.3 V için ise soğurucu tabaka tükenmiş bölgesi içinde meydana gelen yeniden birleşmenin toplam akım iletiminde etkin mekanizma olduğu belirlenmiştir. Admitans spektroskopi tekniği ile aktivasyon enerjisi Ea=l,49 eV ve durum yoğunluğu yaklaşık 2x1 017 cm`3 eV`1 olan bir tuzak durumu belirlenmiştir. Empedans verilerinin analizi, eşdeğer devre modelinin birbirine paralel bağlı kapasitans, direnç elemanına seri bağlı olan bir dirençten oluştuğunu göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Foto diyot, Güneş Pili, Elektriksel Karakterizasyon, Akım İletim Mekanizmaları, Admitans ve Empedans Spektroskopisi. Sayfa adedi: 103 Tez Yöneticisi: Yrd. Doç. Dr. Habibe BAYHAN

VI ELECTRICAL CHARACTERIZATION OF SILICON P - 1 - N PHOTODIODES (Ph. M. Thesis) Şadan ÖZDEN MUGLA UNIVERSITY INSTITUTE of SCIENCE and TECHNOLOGY 2005 ABSTRACT In this study, the electrical properties of silicon based BPW34 and BPW 41 photodiodes and a typical ZnO/CdS/Cu(In,Ga)Se2 solar cell have been investigated using temperature dependent current-voltage and admittance spectroscopy measurement techniques. The efficiencies of BPW34 ve BPW41 photodiodes are measured as 4.9% and 11.95%, respectively and the rectification ratio for both devices is about 106 -107. The conduction mechanism in pin photodiodes are analysed by dividing the Logl-V characteristics into two distinct voltage regions. For a typical photodiode, in region I. and for temperatures above than 200K, the recombination between localised acceptor and donor states located at about the mid gap of i-layer and near the p/i interface was found to have an important contribution to the total current. At low temperatures (T<200 K) in region I and for the whole temperature scale in region II, the current is found to be controlled by the tunneling enhanced interface recombination mechanism. In the reverse bias case, these interface trap states (donor and acceptor) are found to behave as an energetic barriers as given in theoretical Richardson- Schottky/classic Poole-Frenkel approach.VII Both, frequency and temperature dependent capacitance characteristics indicate the presence of trap states in the photodiodes. The equivalent circuit of a typical pin photodiode has been found to be represented by a single parallel resistor and capacitor network connected with a series resistance. It was also found that, the value of the circuit componenets changes at high frequencies (Warburg impedance). The efficiency of the ZnO/CdS/Cu(In,Ga)Se2 heterojunction device is about %7.4. At low voltages (< 0,3 V), the forward current can be satisfactorily described by I~Vm with m:1.2, which indicates the presence of the tunnelling and/or space charge limited current (SCL) mechanisms. For voltages greater than 0.2, the tunneling enhanced bulk recombination mechanism dominates the junction current. A single dominant trap level with an activation energy and trap concentration of about 2^=1.50 eV and 2xl017 cm`3 eV`1 respectively, is identified by admittance spectroscopy technique. The analysis of the impedance data reveal that the simplified equivalent circuit model is simply consist of a parallel resistor Rp and capacitor C network connected in series with a resistor Rg. Key Words: Photodiode, Solar Cell, Electrical Characterization,, Current Transport Mechanisms, Admittance and impedance Spectroscopy Page Number: 103 Adviser: Yrd. Doç. Dr. Habibe BAYHAN