摘要：少数载流子寿命（简称少子寿命）是半导体晶体硅材料的一项重要参数，它对半导体器件的性能、晶体硅太阳能电池的光电转换效率都有重要的影响。分别介绍了常用的测量晶体硅和晶体硅太阳电池少子寿命的各种方法，包括微波光电导衰减法（ＭＷ－ＰＣＤ），准稳态光电导方法（ＱＳＳＰＣ），表面光电压（ＳＰＶ），ＩＲ浓度载流子浓度成像（ＣＤＩ），调制自由载流子吸收（ＭＦＣＡ）和光束（电子束）诱导电流（ＬＢＩＣ，ＥＢＬＣ），并指出了各种方法的优点和不足。 关键词：晶体硅；太阳能电池；少子寿命；微波光电导衰减；准稳态光电导；表面光电压 １引言 光生电子和空穴从一开始在半导体中产生直到消失的时间称为寿命。当载流子连续产生时，在太阳能电池中，寿命的值决定了电子和空穴的稳定数量。这些数目决定了器件产生的电压，因此它应该尽可能的高。寿命的一个重要方面就是它直接与扩散长度Ｌｂ相关，Ｌｂ＝Ｄｂτｂ!，Ｄｂ是材料的扩散系数，τｂ是材料的体寿命，扩散长度就是这个平均载流子从产生的点到被收集点（ｐ－ｎ结）的平均距离。由于晶体硅太阳电池性能主要决定于在电池体内和表面的电子－空穴复合，因此，在太阳能电池的研究内容中，最为重要的是准确地获得载流子复合参数的实验方法，测试体内的载流子寿命，表面复合速度等的大小。 测试的少子寿命中，实际上是不同复合机制的综合结果，测试的少子寿命实际上是整个样品的有效寿命，它是发生在Ｓｉ片或者太阳能电池不同区域（体内、表面）的所有复合叠加的净结果，采用数学表达式能够将体内、表面各种复合机制对有效寿命的贡献分别呈现出来。 定义Ｓｉ片前后表面的复合速度为Ｓｆｒｏｎｔ，Ｓｂａｃｋ，Ｓｉ片的厚度为Ｗ，在认为载流子的浓度在整个片子中分布均匀的假设下，可以得到测试样品的有效寿命的表达式
式中，τｅｆｆ为有效寿命，τｉｎｔｒｉｎｓｉｃ为体硅材料的本征寿命，包含了俄歇和辐射复合寿命，τＳＲＨ是按照Ｓｈｏｃｋｌｅｙ－Ｒｅａｄ－Ｈａｌｌ模型描述材料中的缺陷复合中心引起的少子复合寿命，它们是载流子注入大小的函数。一般情况下，可以近似认为Ｓｆｒｏｎｔ，Ｓｂａｃｋ相同，因此在式（１）中的表面部分变为２ＳＷ 。 为了得到材料的真实的体寿命值：
需要对表面进行有效的钝化，从而消除或者减少表面复合；另外，如果使用非常高寿命的片子，假定τＳＲＨ＝∞，那么通过式子（１）就可以得到表面复合速度Ｓ的上限值。在片子的前后表面经过扩散形成ＰＮ结后，发射结或者扩散区域一般通过饱和电流密度Ｊｏｅ来表征，这个参数包含了在薄扩散区域体内的俄歇复合以及在重掺杂表面区域的少子复合信息。 例如，对于一个Ｐ型衬底，在认为载流子的浓度在整个片子中分布均匀的假设下，扩散Ｎ型发射结之后有效寿命可以表述为
在这个方程中，ＮＡ是片子的掺杂浓度，Ｊｏｅ（ｆｒｏｎｔ）和Ｊｏｅ（ｂａｃｋ）是在前后表面扩散区域的饱和电流密度，ｎｉ是材料的本征载流子浓度，Δｎ是在某个光照强度下的过剩载流子浓度，类似的表述同样适用于对于Ｎ型衬底。对于未形成扩散结的硅片，它的体复合和表面复合部分与过剩载流子浓度的关系不是简单的线性关系，而从（２）中可以知道，Ｊｏｅ与过剩载流子浓度成线性关系，因此可以通过在不同的载流子浓度下测试少子有效寿命的方法来得到Ｊｏｅ的值，这种方法在高注入情况下尤其有效。 当片子在只有一面扩散（通过饱和电流密度Ｊｏｅ来表征），而另外一面没有进行扩散（通过表面复合速度Ｓ来表征）的情况下，可以简单地将（１）、（２）两个方程式组合起来描述这种结构的有效少子寿命。 实际上，Ｊｏｅ和Ｓ这两个概念在低注入的情况下是相关联的，即Ｓｅｆｆ≈ＪｏｅＮＡ／ｑｎｉ ２ 。 |
