科研学习笔记：非平衡载流子及其寿命的测量

2020年6月29日-7月5日学习内容

非平衡少数载流子

1. 平衡载流子与非平衡载流子

当有光照射硅表面或者有电注入时，半导体就会出现呈现非平衡状态，此时电子浓度为n=n0+△n，空穴浓度为p=p0+△p，并且二者满足△n=△p。

其中△n和△p称为非平衡载流子，也称为过剩载流子。（也就是偏离热平衡所增加的载流子，在太阳能电池而言光照是电池运作产生非平衡载流子的原动力。）

比如P型半导体：非平衡空穴为非平衡多数载流子，非平衡电子虽然是非平衡少数载流子，但起到的作用更大，通常说的非平衡载流子指的是“非平衡少数载流子”

2. 利用Al2O3钝化有什么作用：少数载流子寿命

非平衡载流子从产生到消失的时间即为其寿命，寿命越长，说明其存在的时间越长，就越有利于提高太阳能电池光电转换效率。光电导实验表面非平衡载流子的浓度下降呈现指数衰减。

复合过程：

3. 与相关表征参数的关系

少子寿命越长，光电流Iph越大，Iph越大，开路电压Voc越大，随着少子寿命增加，短路电流Isc和填充因子FF均会相应增大。

4. 少数载流子寿命的测量

对于少子寿命的检测是基于公式：

△p(t)=△p0 · exp(-t/τ)

测量方法包括非平衡载流子的注入和检测两个方面。

光电导衰减法是目前国际上通用的测量少子寿命的方法，有微波光电导衰减法（microwave photoconductance decay, μ-PCD）和准稳态光电导法（quasi-steady state phtoconductance, QSSPC）。

微波光电导衰减法

μ-PCD测试少子寿命包括光注入产生电子-空穴对和微波探测信号的变化两个过程，测试的是有效寿命，包括体寿命和表面寿命。

激光注入产生电子-空穴对，样品电导率的增加，当撤去外界光注入的时候，电导率会随着时间指数衰减，这种趋势反应少子的衰减趋势，则可以通过观测电导率随时间变化的趋势测少子寿命，依据微波信号的变化量与电导率的变化量成正比，微波信号可以探测电导率的变化。

对于太阳电池，该方法的优点是测量结果与光强无关，是无接触、无损伤、快速测试，能够测试较低寿命，能够测试低电阻率的样品（最低可以测 0.01Ωcm 的样品）、既可以测试硅锭、硅棒，也可以测试硅片，电池样品没有经过钝化处理就可以直接测试、对测试样品的厚度没有严格的要求 缺点是在一个太阳光强下的寿命转化得到的信号太小了，需要克服噪声影响。

准稳态光电导法

QSSPC的原理与稳态光电导法类似，由于采用的光源衰减非常缓慢，脉冲衰减时间是17~18ms，远高于被测材料中的少数载流子寿命，因此可以认为在测量过程中，被测材料的非平衡载流子处于恒定值，光源恒定时测量硅片的电导率，并且将电导率转化为载流子浓度，计算得到寿命与载流子浓度的关系。

QSSPC方法的优点在于它能够在大范围光强变化范围区间(10-5-1000suns)内对非平衡载流子浓度进行绝对测量，从而得出少子有效寿命。该技术可以测试太阳能电池制作电极之前任何工艺步骤，同时，稳态扫描减少了陷阱效应的影响，因此可以用来测量多晶硅材料的少数载流子寿命，并且它测量的寿命值被认为是真实的寿命值，而不是微分寿命。