Физика и технология приборов фотоники : солнечная энергетика и нанотехнологии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

Кафедра материаловедения полупроводников и диэлектриков

Ю.Н. Пархоменко  
А.А. Полисан 

ФИЗИКА И ТЕХНОЛОГИЯ 
ПРИБОРОВ ФОТОНИКИ 

Солнечная энергетика и нанотехнологии 

Учебное пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2013 

№ 2278 

УДК 621.382 
 
П18 

Р е ц е н з е н т  
д-р физ.-мат. наук, проф. Е.К. Наими 

Пархоменко, Ю.Н. 
П18 
 
Физика и технология приборов фотоники : солнечная энергетика и 
нанотехнологии : учеб. пособие / Ю.Н. Пархоменко, А.А. Полисан. – 
М. : Изд. Дом МИСиС, 2013. – 142 с. 
ISBN 978-5-87623-707-1 

Учебное пособие дает представление о взаимодействии электромагнитного излучения с материалами, в том числе и с полупроводниками. Описаны 
фотоэлектрические явления в полупроводниках. Приведены примеры материалов, используемых для изготовления современных фотоэлементов.  
Пособие предназначено для подготовки специалистов по специальности 
150601.65 «Материаловедение и технология новых материалов» в рамках 
курсов «Основы космических технологий» и «Технологическое оборудование, механизация и автоматизация в производстве и обработке материалов 
электронной техники», магистров по направлению «Материаловедение и 
технология новых материалов» в рамках курса «Физика и технологии приборов фотоники» и аспирантов по направлению «Физика полупроводников». 

УДК 621.382 

ISBN 978-5-87623-707-1 
© Пархоменко Ю.Н., 
Полисан А.А., 2013 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................5 
Список принятых сокращений ................................................................6 
1. Взаимодействие электромагнитного излучения  
с полупроводниками ................................................................................7 
1.1. Виды взаимодействия....................................................................7 
1.2. Отражение излучения от поверхности полупроводника ...........9 
1.3. Поглощение излучения в полупроводнике ...............................11 
1.3.1. Коэффициент поглощения...................................................11 
1.3.2. Собственное поглощение.....................................................12 
1.3.3. Примесное поглощение........................................................14 
1.3.4. Поглощение свободными носителями заряда 
в полупроводнике ...........................................................................15 
1.3.5. Экситонное поглощение ......................................................16 
1.3.6. Решеточное поглощение ......................................................17 
1.4. Оптическая генерация свободных носителей заряда  
в полупроводнике ...............................................................................18 
1.4.1. Квантовый выход и распределение по энергиям  
носителей, генерированных в полупроводнике излучением......18 
1.4.2. Пространственное распределение свободных  
носителей, генерированных в полупроводнике излучением......20 
2. Фотоэлектрические явления в полупроводниках ...........................22 
2.1. Внутренний фотоэффект.............................................................22 
2.2. Фотопроводимость ......................................................................24 
3. Принцип действия солнечных элементов ........................................27 
4. Полупроводниковые материалы  для солнечных элементов 
и конструкции солнечных элементов ...................................................38 
4.1. Полупроводниковые материалы для солнечных элементов....38 
4.2. Кремниевые солнечные элементы .............................................39 
4.3. Солнечные элементы  на основе соединений АIIIВV ................46 
4.4. Тонкопленочные солнечные элементы......................................56 
4.4.1. Тонкопленочные солнечные элементы  на основе 
аморфного кремния ........................................................................56 
4.4.2. Принцип построения тонкопленочных солнечных 
элементов на основе двойных и тройных  
полупроводниковых соединений ..................................................62 
4.4.3. Тонкопленочные солнечные элементы  на основе CdTe .... 65 
4.4.4. Тонкопленочные солнечные элементы на основе  
CuInSe2 и CuInGaSe2 .......................................................................66 

5. Нанотехнологии в солнечной энергетке ..........................................70 
5.1. Cтруктуры с квантово-размерными элементами......................70 
5.1.1. Параметры квантовых точек ...............................................73 
5.1.2. Зонная структура в кристаллах с квантовыми точками....74 
5.1.3. Энергетический спектр дырок в Ge/Si квантовых  
точках...............................................................................................80 
5.1.4. Энергетическая структура экситонов и экситонных 
комплексов......................................................................................82 
5.1.5. Моделирование энергетического спектра в квантовых 
точках...............................................................................................83 
5.2. Тонкопленочные солнечные элементы на основе  
аморфного и микрокристаллического (нанокристаллического) 
кремния................................................................................................93 
5.2.1. Каскадные солнечные элементы на основе  a-Si:H. 
Нанокристаллический кремний ....................................................93 
5.2.2. Солнечные элементы на основе  
протокристаллического кремния ..................................................97 
5.2.3. Микроморфный солнечный элемент ..................................98 
5.3. Солнечные элементы на гетероструктурах  с квантовыми 
ямами и сверхрешетками на основе соединений АIII
 ВV.................99 
5.4. Солнечные элементы с Ge/Si квантовыми точками...............106 
5.5. Солнечные элементы с Si квантовыми точками  
в диэлектрической матрице.............................................................111 
5.6 Способы формирования структур с квантово-размерными 
элементами и методы их исследований .........................................114 
5.6.1. Аморфный и микрокристаллический 
(нанокристаллический) кремний.................................................115 
5.6.2. Гетероструктуры с квантовыми ямами  
и сверхрешетками на основе соединений АIII
 ВV.......................118 
5.6.3. Структуры с Ge/Si квантовыми точками..........................119 
5.6.4. Структуры с Si квантовыми точками  
в диэлектрической матрице.........................................................120 
Библиографический список.................................................................122 
Приложение 1. Спектр солнечного излучения..................................126 
Приложение 2. Оборудование Научно-исследовательского  
центра коллективного пользования «Материаловедение 
и металлургия» и кафедры «Материаловедение полупроводников  
и диэлектриков» НИТУ «МИСиС» для исследования структур  
с квантово-размерными элементами и солнечных элементов .........127 
 

ВВЕДЕНИЕ 

В последние десятилетия солнечная энергетика развивалась чрезвычайно быстро и стала одним из ведущих направлений в полупроводниковой промышленности. Достаточно сказать, что сейчас примерно половина мирового годового объема производства полупроводникового 
кремния идет на нужды солнечной энергетики. Бурное развитие промышленного производства сопровождалось интенсивными научноисследовательскими и технологическими работами в этой области, причем основные прорывные достижения были связаны с материаловедческими направлениями исследований. Это относится как к традиционным материалам солнечной энергетики, так к вновь разрабатываемым 
материалам. Например, применение высококачественного монокристаллического кремния с высоким временем жизни позволило создать и 
освоить в производстве солнечные элементы с тыльным расположением 
контактов, имеющие рекордные значения КПД – 23 %. 
Оценки роста потребления полупроводникового кремния для солнечной энергетики в предположении, что наблюдающаяся динамика роста 
производства солнечных элементов в ближайшие годы сохраниться, показывают, что в 2015 г. годовая потребность в сырье для производства 
кремниевых пластин составит 120 000 т. Это обстоятельство стимулирует 
интенсивные разработки альтернативных технологий, включая традиционные тонкопленочные технологии, и уже имеются коммерческие предложения по тонкопленочным модулям (пленки на основе аморфного и 
нанокристаллического кремния – CdTe и CuInGaSe2). Если при производстве кремниевых солнечных элементов материаловедческие задачи ассоциируются в основном с получением качественного сырья (слитки и пластины кремния), то при создании тонкопленочных солнечных элементов 
материаловедческие задачи являются основной частью технологии прибора – тонкопленочного солнечного элемента. 
Разработки солнечных элементов нового поколения связывают с получением методами нанотехнологий материалов с новыми свойствами, 
способствующими повышению эффективности солнечных элементов. 
Уже сегодня в промышленной технологии каскадных солнечных элементов на основе аморфного кремния используются методы создания тонких 
сильнолегированных пленок микрокристаллического и нанокристаллического кремния для создания туннельных переходов в каскаде. Проводятся 
интенсивные исследования методов формирования структур с квантоворазмерными элементами в качестве сильнопоглощающих слоев для солнечных элементов на основе кремния и соединений АIII
 ВV. 

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 

AM – атмосферная масса 
БЗП – бестигельная зонная плавка  
ВАХ – вольт-амперная характеристика  
ВИМС – вторичная ионная масс-спектрометрия 
ГФЭ – газофазная эпитаксия 
ДН – дислокации несоответствия  
ЖФЭ – жидкофазная эпитаксия  
КП – квантовые проволоки 
КТ– квантовые точки  
КЯ – квантовые ямы  
МЛЭ – молекулярно-лучевая эпитаксия или молекулярно-пучковая 
эпитаксия  
МОС ГФЭ или МОС-гидридная эпитаксия – газофазная эпитаксия 
из металлорганических соединений 
МКЯ – многократноповторящиеся квантовые ямы 
ПС – плотность состояний 
ПЭМ – просвечивающая электронная микроскопия  
ПЭМ ВР – просвечивающая электронная микроскопия высокого 
разрешения 
CP – сверхрешетка  
СЭ – солнечный элемент 
a-Si – аморфный кремний  
a-Si:Н – гидрогенизированный аморфный кремний  
a-SiGe:H – гидрогенизированный аморфный сплав Si–Ge 
μс-Si – микрокристаллический кремний  
µc-Si:Н – гидрогенизированный микрокристаллический кремний  
nc-Si – накрокристаллический кремний  
nc-Si:Н – гидрогенизированный накрокристаллический кремний  
pc-Si:H – гидрогенизированный протокристаллический кремний  
CIS – соединение CuInSe2 
CIGS – соединение CuInGaSe2 
CIGSS – соединение Cu(In,Ga,Al)(Se,S)2 
CVD – химическое осаждение из газовой фазы 
PECVD – химическое осаждение из газовой фазы, стимулированное плазмой  
ITO – твердый раствор In2O3 (90 %) и SnO2 (10 %) 

1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ 
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 
С ПОЛУПРОВОДНИКАМИ [1] 

1.1. Виды взаимодействия  

Электромагнитное излучение, падающее на полупроводник, можно разделить на три части, как это схематически представлено на 
рис. 1.1. Часть РR падающего излучения Р отражается от поверхности 
полупроводника, часть Рα поглощается и объеме полупроводника, а 
часть Рτ пропускается через полупроводник. Отношения мощностей 
РR /P, Рα/P и Рτ /P называются соответственно отражением, поглощением и пропусканием.  
В соответствии с законом сохранения энергии эти отношения составляют следующее уравнение: 

 
РR / P + Рα/ P + Рτ / P = 1.  
(1.1) 

Это уравнение справедливо для излучения любой длины волны. 
В полупроводниковых фотоэлектрических приборах, преобразующих энергию электромагнитного излучения в электрическую, желательно, чтобы в объеме полупроводника поглощалась возможно большая часть падающего излучения, так как излучение, отраженное от поверхности и проникающее сквозь полупроводник, бесполезно теряется.  

 

Рис. 1.1. Отражение, поглощение и пропускание излучения 

На рис. 1.1 схематически изображены процессы, происходящие в 
полупроводнике в результате поглощения фотонов. Эти процессы можно разделить на две группы (рис. 1.2). К первой группе (А) относятся 
такие процессы, в результате которых наступает частичное или полное 

преобразование энергии фотона в другой вид энергии, но при этом не 
происходит ионизации атомов полупроводника. Фотон с энергией hν 
может преобразоваться в другой фотон с энергией hν', причем частота ν' 
обычно меньше частоты ν. Это явление называется фотолюминесценцией. Поскольку полная энергия системы должна остаться постоянной 
при любом виде взаимодействия, то разность энергии первичного фотона и вторичного остается и полупроводнике в виде фонона (ФН). Фонон 
является квантом энергии, обусловленным тепловыми колебаниями 
кристаллической решетки полупроводника. В некоторых случаях вся 
энергия падающего фотона может быть преобразована в тепловую 
энергию в результате образования большого количества фононов. 
Одним из видов взаимодействия излучения с полупроводником, 
который может рассматриваться как промежуточный между ионизационным и неионизационным, является поглощение энергии фотона 
и образование экситона. Экситон – это связанная пара электрон–
дырка, которая может передвигаться в кристалле и переносить энергию, но не может переносить заряда и не подвергается действию 
электрического поля. 

 

Рис. 1.2. Виды взаимодействия фотонов  
с кристаллической решеткой полупроводника:  
группа А: А1 – фотолюминесценция, А2 – образование фононов,  
А3 – образование экситонов; группа В (фотоэлектрические явления): 
В1 – фотоэлектронная эмиссия, В2 – освобождение электрона,  
В3 – освобождение пары электрон–дырка 

К группе A необходимо также отнести процесс поглощения фотонов свободными носителями заряда в полупроводнике. 
К группе В относятся такие виды взаимодействия фотонов с кристаллической решеткой полупроводника, в результате которых происходит поглощение энергии фотона, а также ионизация атомов решетки с образованием свободных носителей заряда. Все явления, относящиеся к этой группе, называются фотоэлектрическими. 
Если энергия, которую фотон сообщает электрону в процессе ионизации атомов в кристалле достаточна для того, чтобы электрон 
преодолел силы притяжения и покинул облученное тело, в этом случае имеем дело с фотоэлектронной эмиссией, называемой также 
внешним фотоэффектом. Фотоэлектронная эмиссия используется в 
вакуумных и газонаполненных фотоэлементах. 
Если энергия падающего фотона недостаточна для того, чтобы вызвать фотоэлектронную эмиссию, но достаточна для сообщения электрону возможности свободно двигаться в полупроводнике, тогда мы 
имеем дело с внутренним фотоэффектом. В зависимости от того, 
взаимодействует ли фотон с атомом кристаллической решетки полупроводника или же с атомами донорных или акцепторных примесей, 
наступает соответственно освобождение пары электрон–дырка, электрона или дырки. Свободные носители заряда, образующиеся в результате внутреннего фотоэффекта, вызывают появление разных эффектов в зависимости от структуры полупроводника и наличия электрического или магнитного поля. В однородных полупроводниках 
внутренний фотоэффект проявляется в виде увеличения их удельной 
проводимости во время облучения. Это явление называется фотопроводимостью. В неоднородных полупроводниках, в которых появляются внутренние потенциальные барьеры, внутренний фотоэффект 
вызывает появление ЭДС, и тогда он называется фотогальваническим эффектом. В однородном полупроводнике, помещенном в магнитное поле, при облучении также появляется ЭДС. Это явление называется фотогальваномагнитным эффектом. 

1.2. Отражение излучения от поверхности 
полупроводника 

Часть падающей па полупроводник лучистой энергии отражается, а 
отношение отраженной энергии к падающей называется коэффициентом отражения, который обозначим через Rλ. Тело, имеющее коэффициент отражения, равный единице, является идеальным зеркалом. 

Задача отражения волны электромагнитного излучения на границе 
двух сред в общем случае является очень сложной. Коэффициент отражения этом случае – комплексная величина, зависящая от параметров обеих сред, угла падения и частоты излучения. Для неполяризованного инфракрасного излучения, падающего перпендикулярно к 
плоскости разграничения воздуха и полупроводникового материала с 
показателем преломления nп, величина Rλ в первом приближении определяется следующим выражением: 

 

2
1
1

п

п

n
R
n
λ
⎛
⎞
−
= ⎜
⎟
+
⎝
⎠
. 
(1.2) 

Это выражение с хорошим приближением может быть использовано для углов падения до 45°. 
Как следует из выражения (1.2), потери энергии излучения, вызванные отражением, возрастают с увеличением показателя преломления полупроводникового материала. На рис. 1.3 представлена зависимость коэффициента отражения Rλ от показателя преломления nп 
при учете отражения от одной и от двух поверхностей полупроводниковой пластинки. 
В некоторых случаях, например в фотоэлементах, преобразующих 
энергию солнечного излучения непосредственно в электрическую 
энергию, такое большое отражение сильно влияет на снижение коэффициента полезного действия прибора. В связи с этим для уменьшения отражения часто используется покрытие поверхности полупроводника спе-циальнымн просветляющими слоями с соответствующими показателями преломления и толщиной. При применении 
таких слоев отражение уменьшается до нескольких процентов. 

 

Рис. 1.3. Зависимость потерь, обусловленных отражением,  
от показателя преломления материала:  
1 – при учете отражения только от передней поверхности;  
2 – с учетом отражения от передней и тыльной поверхностей 

Отражение зависит от длины волны падающего излучения, что 
частично следует из зависимости показателя преломления пп от 
длины волны, а частично от других параметров среды, не учтенных 
в приближенном выражении (1.2). Кроме того, отражение является 
не только причиной уменьшения эффективности полупроводниковых фото-электрических приборов, но и одной из причин зависимости их чувствительности от длины волны излучения. Это учитывается расчетом потока фотонов Q0 (или мощности излучения), проникающих через поверхность вглубь полупроводника, в зависимости от потока фотонов Q, падающего на поверхность, и коэффициента отражения Rλ. 

1.3. Поглощение излучения в полупроводнике 

1.3.1. Коэффициент поглощения 

Начальным этапом действия всякого фотоэлектрического прибора является поглощение квантов излучения, связанное с образованием свободных носителей заряда, без чего было бы невозможно 
преобразование энергии электромагнитного излучения в электрическую. Поглощение лучистой энергии связано с различными физическими явлениями.  
Независимо от механизма поглощения в глубине полупроводника 
поток фотонов уменьшается по экспоненте 

 
Q(x) = Q0ехр(–αx) = Q(1 – Rλ) ехр(–αx), 
(1.3) 

где Q0 – поток фотонов, проникающий через поверхность полупроводника, [фотон/(см2· с)]; Q(х) – поток фотонов на глубине х  
от поверхности; α – коэффициент поглощения, см–1.  

Коэффициент α, входящий в уравнение (1.3), называется коэффициентом поглощения. Величина, обратная коэффициенту поглощения, определяет глубину, на которой поток проникающих через поверхность фотонов уменьшается в е раз (рис. 1.4). Коэффициент α 
различен для разных механизмов поглощения и является мерой скорости уменьшения плотности фотонов в глубине полупроводника 
при данном механизме поглощения. 

Риc. 1.4. Изменение потока фотонов и полупроводниковой пластинке 

1.3.2. Собственное поглощение 

В действии большинства полупроводниковых фотоэлектрических 
приборов основную роль играет поглощение энергии излучения валентными электронами в атомах полупроводника. При достаточной 
величине энергии фотонов оно приводит к переходу электронов из 
валентной зоны в зону проводимости и, как результат этого, к генерации свободных пар электрон–дырка. Этот процесс поглощения 
называется собственным (межзонным) поглощением. 
Минимальная энергия фотона, которая необходима для перевода 
электрона из валентной зоны в зону проводимости, соответствует 
ширине запрещенной зоны полупроводника ∆Е. Эта величина энергии определяет положение края собственного поглощения. Для фотонов с энергией, меньшей ∆Е, коэффициент поглощения α в собственном полупроводнике равен нулю (если пренебречь другими, менее эффективными механизмами поглощения), следовательно, такое 
излучение проходит через полупроводник без затухания. Для фотонов с энергией, большей ∆Е, коэффициент поглощения резко возрастает. На рис. 1.5 представлено положение края поглощения ряда полупроводников при комнатной температуре. 
На рис. 1.6 приведена экспериментальная зависимость коэффициента поглощения α от энергии фотонов для кремния. Как видно, в 
области собственного поглощения коэффициент поглощения достигает достаточно большой величины – порядка 103…105 см–1. Это означает, что собственное поглощение здесь велико и вызывает эффективное затухание излучения в поверхностном слое полупроводника 
толщиной порядка 1 мкм.