張甲甲，李園園，鐘 煜，楊 雷

(皖西學(xué)院材料與化工學(xué)院，安徽六安 237012)

載流子的復(fù)合是半導(dǎo)體中一個常見的物理現(xiàn)象，對太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率有著顯著的影響［1－4］。復(fù)合有很多類型，可以根據(jù)載流子復(fù)合時有無向外界輻射光子將復(fù)合劃分為輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合，而根據(jù)復(fù)合發(fā)生的機制又可劃分為直接復(fù)合、間接復(fù)合(也稱 SRH 復(fù)合)［5－6］和俄歇復(fù)合［7］。此外，還可以根據(jù)復(fù)合發(fā)生的區(qū)域來定義復(fù)合類型，如表面復(fù)合、晶界復(fù)合等。這些復(fù)合類型既有區(qū)別也有聯(lián)系，如果對相關(guān)概念把握不清就容易產(chǎn)生混淆，例如把間接復(fù)合等同于非輻射復(fù)合、認(rèn)為深能級摻雜一定會引起非輻射復(fù)合等。據(jù)筆者調(diào)研，這些錯誤不僅發(fā)生在一些教師的授課中，也出現(xiàn)在維基百科這樣的大眾化科普網(wǎng)站中，甚至在一些國際著名期刊上也能發(fā)現(xiàn)類似的錯誤。因此，有必要深入闡述不同復(fù)合類型的特點和物理機制，以幫助教師和學(xué)生更好的理解這部分內(nèi)容。

半導(dǎo)體中位于價帶的電子受到光激發(fā)或熱激發(fā)時可以躍遷到導(dǎo)帶，同時在原來的位置留下一個空穴，從而形成了電子－空穴對。由于這些電子和空穴在電場作用下可以定向移動，所以也稱為載流子。位于導(dǎo)帶的電子實際上處于一種高能量的亞穩(wěn)態(tài)，它有自發(fā)回歸到價帶從而降低能量的傾向，如果電子躍遷回價帶，它將填補空穴，導(dǎo)致電子－空穴對的消失，這個過程就是復(fù)合。

1 輻射復(fù)合

導(dǎo)帶中的電子直接躍遷回價帶，并釋放一個光子或多個聲子，這個過程稱為直接復(fù)合。如果只輻射光子，那么這種直接復(fù)合也是一種輻射復(fù)合。需要注意，盡管激發(fā)時電子吸收的能量高于半導(dǎo)體的帶隙值，但由于電子－聲子耦合效應(yīng)，導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴會分別馳豫到導(dǎo)帶低和價帶頂，所以復(fù)合時釋放的光子能量約等于帶隙值，而半導(dǎo)體對于這些光子吸收率很低，因此光子可以輻射到材料外部。輻射復(fù)合在生活中有很多應(yīng)用，比如發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光器就是利用輻射復(fù)合的原理來發(fā)光的。在光伏領(lǐng)域，輻射復(fù)合是直接帶隙半導(dǎo)體(CdTe、CIGS、GaAs等)中的主要復(fù)合機制，但對于硅基太陽能電池，由于硅是間接帶隙半導(dǎo)體，輻射復(fù)合很弱，幾乎可以忽略。

2 間接復(fù)合

雜質(zhì)或缺陷可以在半導(dǎo)體的帶隙中產(chǎn)生陷阱態(tài)，如果導(dǎo)帶的電子通過陷阱態(tài)與價帶的空穴復(fù)合，就稱該過程為間接復(fù)合。間接復(fù)合是一個兩步過程，首先導(dǎo)帶的電子被陷阱態(tài)捕獲，然后價帶的空穴也躍遷到陷阱態(tài)，這樣電子和空穴就可以在陷阱態(tài)中發(fā)生復(fù)合。上述兩個過程都可以輻射光子，只是光子的能量要小于帶隙值，對于窄帶隙半導(dǎo)體，間接復(fù)合輻射的光是紅外光而不是可見光。間接復(fù)合的強弱取決于陷阱態(tài)與導(dǎo)帶低和價帶頂?shù)木嚯x，如果陷阱態(tài)位于帶隙的中央(深能級)，間接復(fù)合速率較高。相反，如果陷阱態(tài)靠近帶邊(淺能級)，比如位于導(dǎo)帶底，那么被陷阱態(tài)捕獲的電子容易受到熱激發(fā)或光激發(fā)重新躍遷到導(dǎo)帶中去，從而無法與陷阱態(tài)中的空穴復(fù)合，此時間接復(fù)合速率較低。間接復(fù)合機制是三位學(xué)者Shockley、Read和Hall共同提出的，所以間接復(fù)合也稱為SRH復(fù)合。

3 俄歇復(fù)合

對于俄歇復(fù)合，導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶與空穴復(fù)合，但是將能量傳遞給另一個電子并將其推向更高的能級，然后這個電子再通過電子－聲子耦合將能量以熱的形式耗散出去。由于俄歇復(fù)合時沒有向外界輻射光子，因此俄歇復(fù)合是一種非輻射復(fù)合。此外，俄歇復(fù)合需要三個載流子參與，它的強弱程度和載流子濃度密切相關(guān)，如果摻雜濃度高，載流子濃度大，俄歇復(fù)合就會比較顯著。在硅基太陽能電池中，俄歇復(fù)合是主要的復(fù)合機制，它對載流子壽命和光伏轉(zhuǎn)化效率有著很大的影響。

4 表面復(fù)合

在晶體的表面原子錯排嚴(yán)重，并且有大量懸掛鍵的存在，所以表面也是載流子復(fù)合較多的區(qū)域。表面復(fù)合將會消耗該區(qū)域的少數(shù)載流子，這會在表面和內(nèi)部形成少數(shù)載流子濃度梯度，導(dǎo)致少數(shù)載流子從內(nèi)部往表面擴散，因此表面復(fù)合會受到這種擴散速率的影響。在太陽能電池生產(chǎn)工藝中，常會在半導(dǎo)體表面生長一層特殊材料用于減少懸掛鍵，從而降低表面復(fù)合的發(fā)生，這種工藝稱為表面鈍化。

5 討論

根據(jù)上述介紹可知，間接復(fù)合時可以向外界輻射光子，因此間接復(fù)合不能等同于非輻射復(fù)合。另外，雜質(zhì)或缺陷產(chǎn)生的深能級會促進間接復(fù)合，但只要摻雜濃度不高，載流子濃度不大，俄歇復(fù)合就比較弱，所以深能級和非輻射復(fù)合沒有必然的聯(lián)系。

6 結(jié)語

在本文中，筆者首先介紹了載流子復(fù)合的驅(qū)動力，然后詳細(xì)闡述了幾種復(fù)合類型的特點和物理機制，最后對它們區(qū)別和聯(lián)系作了討論。