揭秘7.3针结构的奥秘

除pn结和肖特基结之外，半导体接触还有另外一种重要的结——pin结，它是在p型半导体与n型半导体之间，加上一层的本征层（i型层）而构成的一种特殊形式的pn结^[6-7]。pin结在微波两端器件、功率器件和太阳电池领域都有着重要的应用。

非晶硅薄膜太阳电池通常采用的是pin结构^[8-11]，而不是pn结。为什么非晶硅采用pin结而非常用的pn结呢？众所周知，非晶硅的原子排布属于短程有序、长程无序的结构，且由于非晶硅中的悬挂键、弱键和光致亚稳态的缺陷影响了非晶硅中材料的输运特性，致使非晶硅材料中的少子寿命和少子扩散长度都很短，载流子复合严重，极大地降低了光生电流J_ph，特别是掺杂，更加剧了载流子的复合。相比而言，未掺杂的i型层的少子寿命和少子扩散长度比掺杂的p型或n型层更长。因此，一般采用pin结构，使内建电场横跨整个本征层i层，利用i层材料作为主要的吸收层，产生光生载流子，并使光生载流子在内建电场作用下分离，从而形成较大的光生电流和电压。因此，pin结构很好地解决了光生载流子由于扩散长度的限制而很快复合的缺点，使非晶硅太阳电池具有较高的光电转换效率。

在pin结构太阳电池的设计中，i层的厚度至关重要。为了增加光电转换效率，一般尽量增加光敏区i层的厚度；但是，非晶硅中载流子的迁移率很低，需要有足够电场强度的内建电场将光生载流子输送到电极，又要尽可能薄化本征i层的厚度。此外，很薄的厚度又会增加太阳电池的串联电阻R_S，同时未掺杂的i型层的导电性比p型和n型层低。所以，通过综合优化，目前pin结构的非晶硅薄膜太阳电池的i层厚度设计在500nm左右，而p、n层的厚度需要尽量薄，一般限制在数十nm的量级^[12-14]。图7.6所示为pin结形成的能带示意图。图7.7所示为单结非晶硅太阳电池的结构示意图。

图7.6 pin结形成的能带示意图(www.xing528.com)

a）未接触前p、i和n型半导体 b）接触后处于热平衡态的pin结

图7.7 单结非晶硅太阳电池的结构示意图