Эффект Стеблера — Вронского¶

Эффект Стеблера — Вронского — явление в физике полупроводников, заключающееся в обратимом изменении электрофизических параметров аморфного кремния (a-Si:H) и некоторых других тонкоплёночных материалов под воздействием длительного освещения. Эффект проявляется в деградации фотопроводимости и увеличении концентрации метастабильных дефектов, что приводит к снижению эффективности солнечных элементов на основе аморфного кремния. Явление названо в честь американских физиков Дэвида Стеблера и Кристофера Вронского, описавших его в 1977 году.

¶История открытия

В середине 1970-х годов аморфный кремний рассматривался как перспективный материал для недорогих фотоэлектрических преобразователей. Однако при испытаниях солнечных элементов исследователи столкнулись с необъяснимой потерей их производительности в первые часы работы под солнечным светом. В 1977 году сотрудники исследовательского центра Xerox PARC Дэвид Стеблер и Кристофер Вронский опубликовали работу, в которой систематически описали деградацию фотопроводимости гидрогенизированного аморфного кремния при освещении и её восстановление после термического отжига. Именно обратимость процесса позволила говорить о метастабильном характере изменений, а не о необратимой деградации материала.

¶Механизм явления

¶Роль водорода

Ключевую роль в эффекте играет водород, который входит в состав аморфного кремния в концентрации до 10–15 атомных процентов. В процессе роста плёнки водород пассивирует оборванные связи (дефекты), снижая плотность состояний в запрещённой зоне. При освещении энергия поглощённых фотонов способствует разрыву слабых связей Si–Si и перераспределению атомов водорода. Это приводит к образованию новых оборванных связей (дефектов типа «данглинг бонд»), которые выступают центрами рекомбинации носителей заряда.

¶Образование дефектов

Согласно современным представлениям, эффект Стеблера — Вронского связан с рекомбинационно-стимулированным образованием метастабильных дефектов. Рекомбинация электронно-дырочных пар выделяет энергию, достаточную для перестройки локальной атомной структуры. В результате плотность дефектов в запрещённой зоне возрастает с исходного уровня ~10¹⁵ см⁻³ до насыщения на уровне ~10¹⁷ см⁻³. Время достижения насыщения зависит от интенсивности освещения и температуры образца.

¶Обратимость

Дефекты, созданные при освещении, являются метастабильными: при нагреве образца до температуры 150–200 °C в течение 1–2 часов исходные электрофизические характеристики полностью восстанавливаются. Циклы «деградация — отжиг» могут повторяться многократно без необратимых изменений материала.

¶Влияние на характеристики

Основные проявления эффекта:

• снижение фотопроводимости в 2–5 раз;
• уменьшение темновой проводимости;
• рост плотности состояний в запрещённой зоне;
• снижение эффективности солнечных элементов на 10–30 % относительно начальных значений;
• увеличение скорости рекомбинации носителей заряда.

Степень деградации зависит от интенсивности и спектрального состава освещения, температуры образца, толщины плёнки и качества исходного материала.

¶Методы борьбы

¶Технологические приёмы

Полностью устранить эффект не удаётся, однако существуют способы его минимизации:

• использование многопереходных структур (тандемных ячеек) с тонкими слоями, в которых деградация проявляется слабее;
• оптимизация содержания водорода в плёнке (оптимальным считается 8–12 %);
• легирование углеродом и германием для изменения структуры материала;
• предварительный «стабилизирующий» отжиг под освещением перед началом эксплуатации.

¶Эксплуатационные меры

На практике производители солнечных модулей на основе a-Si:H учитывают эффект при расчёте номинальной мощности: панели сертифицируют после стабилизации параметров (обычно после 1000 часов освещения). В реальных условиях деградация происходит в течение первых месяцев эксплуатации, после чего характеристики стабилизируются.

¶Значение и современное состояние

Эффект Стеблера — Вронского долгое время оставался главным препятствием для широкого внедрения аморфного кремния в фотовольтаике. С развитием технологий тонкоплёночных солнечных элементов на основе теллурида кадмия (CdTe) и селенида меди-индия-галлия (CIGS), а также перовскитов, доля a-Si:H на рынке сократилась. Тем не менее аморфный кремний продолжает использоваться в тонкоплёночных модулях малой мощности, в ксерографии (фотобарабаны) и в качестве верхнего слоя тандемных кремниевых солнечных элементов.

Исследования эффекта продолжаются: он рассматривается как модельная система для изучения метастабильных дефектов в неупорядоченных материалах. В 2010-х годах было показано, что аналогичное явление наблюдается в некоторых оксидных полупроводниках и гибридных перовскитах, что расширяет область изучения явления за пределы аморфного кремния.

¶Источники

• Stabler D.L., Wronski C.R. Reversible conductivity changes in discharge-produced amorphous Si // Applied Physics Letters, 1977, vol. 31, p. 292.
• Street R.A. Hydrogenated Amorphous Silicon. Cambridge University Press, 1991.
• Аморфный кремний и родственные материалы / под ред. Х. Фрицше. — М.: Мир, 1991.