Уменьшение рекомбинации

Для того, чтобы p-n переход разделил все сгенерированные светом носители, нужно минимизировать как поверхностную так и объемную рекомбинацию. Для разделения носителей в кремниевом СЭ необходимо выполнение двух условий: 

• носители должны быть сгенерированы на расстоянии от p-n перехода, не превышающем их диффузионную длину, чтобы они смогли диффундировать к переходу до того, как рекомбинируют 
• в случае наличия локальных областей рекомбинации (таких как непассивированная поверхность или граница монокристалла) носитель должен быть сгенерирован ближе к p-n переходу, чем к области рекомбинации. Для областей с менее сильной рекомбинацией (пассивированная поверхность), даже если носители будут сгенерированные ближе к ним, чем к p-n переходу, они все равно смогут быть разделены. 

Следствием наличия локальных областей рекомбинации на лицевой и тыльной поверхностях кремниевого СЭ является то, что фотоны различных энергий будут иметь различные вероятности разделения. Синий свет имеет высокий коэффициент поглощения и поглощается очень близко от поверхности, поэтому если лицевая поверхность является областью повышенной рекомбинации вероятность того, что рожденные синим светом носители дадут вклад в ток очень мала. Аналогичная задняя поверхность будет влиять на носители, рожденные инфракрасным светом, который генерирует носители глубоко в объеме СЭ. Количественно определить влияние рекомбинации на световой ток можно с помощью измерения квантовой эффективности. Квантовая эффективность кремниевого СЭ показана ниже. 

Напряжение холостого хода - это напряжение, при котором ток диффузии при прямом сдвиге равен току короткого замыкания. Диффузионный ток прямого сдвига зависит от величины рекомбинации в p-n переходе: чем выше рекомбинация - тем выше ток. Следовательно высокая рекомбинация увеличивает диффузионный ток, который в свою очередь уменьшает напряжение холостого хода. Величиной, которая определяет рекомбинацию в материале при прямом сдвиге, является ток насыщения диода. Рекомбинация зависит от числа неосновных носителей на границе перехода, того, как быстро они удаляются от перехода и рекомбинируют. Следовательно темновой ток прямого сдвига, а следовательно и напряжение холостого хода зависят от следующих параметров: 

• Числа неосновных носителей на краю перехода. Число неосновных носителей, инжектированных с другой стороны перехода, равно просто числу равновесных неосновных носителей, умноженному на экспоненту, зависящую от напряжения и температуры. Поэтому, минимизация равновесной концентрации неосновных носителей уменьшает рекомбинацию. Это достигается путем увеличения легирования. 
• Диффузионной длины носителей в материале. Низкая диффузионная длина означает, что неосновные носителе будут быстро исчезать с края перехода в результате рекомбинации, таким образом позволяя большему числу носителей пересечь p-n переход, увеличивая ток прямого смещения. Следовательно, для уменьшения рекомбинации и получения высокого напряжения нужна высокая диффузионная длина. Диффузионная длина зависит от типа материала, технологическим процессам, через которые он прошел и уровня легирования. Высокое легирование уменьшает диффузионную длину. Таким образом приходится балансировать между желанием иметь большое значение диффузионной длины (которое влияет как на ток, так и на напряжение) и желанием иметь высокое напряжение. 
• Наличием локальных областей рекомбинации в пределах диффузионной длины. Источник высокой рекомбинации вблизи перехода (обычно это поверхность или граница раздела) позволит носителям быстро рекомбинировать, увеличивая ток рекомбинации. Влияние поверхностной рекомбинации можно уменьшить пассивированием поверхности. 

Результат компромисса, о котором говорилось выше, показан на графике. 

Поверхностная рекомбинация может сильно влиять и на ток короткого замыкания и на напряжение холостого хода. Особенно пагубное влияние поверхностная рекомбинация оказывает на ток короткого замыкания, так как лицевая поверхность так же является и область с наибольшей генерацией носителей в СЭ. Снижение высокой поверхностной рекомбинации обычно достигается за счет уменьшения числа оборванных связей на поверхности путем ее пассивации (например, диоксидом кремния). 

Так как пассивирующим слоем для кремния обычно является диэлектрик, им нельзя пассивировать области под контактами. Вместо этого под лицевыми контактами увеличивают концентрацию легирующей примеси, тем самым уменьшая рекомбинацию. Сильное легирование значительно снижает диффузионную длину, но, так как эти области не участвуют в генерации носителей, оно не виляет на разделение носителей. Кроме того, если поверхность с высокой рекомбинацией находится близко к переходу, для уменьшения рекомбинации нужно как можно больше увеличить легирование. 

Нечто похожее делается на задней поверхности для того, чтобы минимизировать влияние скорости поверхностной рекомбинации на напряжение и ток, если расстояние от задней поверхности до p-n перехода меньше диффузионной длины. Поле на задней поверхности образуется с помощью ее сильного легирования. Интерфейс между областями с высоким и низким уровнями легирования ведет себя аналогично p-n переходу, образую электрическое поле, которое не дает неосновным носителям подойти к задней поверхности. В результате в нелегированной области поддерживается высокая концентрация неосновных носителей, и наличие поля приводит к такому же эффекту, как пассивация поверхности.