Физика полупроводников
Юсупов А.Ю., профессор Ташкентского автомобильно-дорожного института (Узбекистан) Адамбаев К., старший научный сотрудник Научно-исследовательского института прикладной физики Национального университета Узбекистана Кутлимуратов А., кандидат наук, старший научный сотрудник Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан
Тураев З.З., младший научный сотрудник Ташкентского автомобильно-дорожного института (Узбекистан)
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР p-cu2znsns(se)4/n-gaas
Изучен процесс формирования тонких пленок Cu2ZnSn(S1_3Se,)4 на подложку арсенида галлия. Результаты исследований показали, что методом термического вакуумного напыления металлических компонентов и последующей сулфиризацией и селенизацией образцов можно формировать гете-роструктуры р- Cu2ZnSn(S1.^,Se,)^n-GaAs .
Ключевые слова: CZTSSe, гетероструктура, фотоэлектрические преобразователи, тонкопленочное, испарения, термический отжиг.
INVESTIGATION OF FORMATION OF p-cu2znsns(se)4/n-gaas HETEROSTRUCTURES
Process offormation of thin films of Cu2ZnSn(Se)4 on a gallium arsenide substrate is studied. Results of researches showed that by method of thermal vacuum evaporation of metal components and the subsequent sulfirization and a selinization of samples is possible to create heterostructures р-CuZnSn (Se) 4/n-GaAs.
Key words: CZTSSe, heterostructure, photovoltaic cells, thinfilm, evaporation, thermal annealing.
Благодаря более оптимальной ширине запрещенной зоны (1,43 эВ) и высокого коэффициента поглощения (порядка 104 см-1) фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) на основе GaAs имеют более высокий КПД, чем кремниевые. Высокий коэффициент поглощения оптического излучения обусловлено прямыми оптическими переходами. Поэтому большой КПД гетероэпитаксиальных фотопреобразователей (ГЭП) на основе GaAs достигнуты при значительно меньшей в сравнении с кремнием толщине материала.
В космических аппаратах, где основным источником электрической энергии являются солнечные батареи, очень важные значения имеют такие параметры, как масса, размер и КПД ФЭП. Учитывая это, можно сказать, что главным материалом солнечных батарей для космоса, конечно, является арсенид галлия. Для космических ФЭП очень важна также способность GaAs не терять КПД при нагревании концентрированным солнечным излучением и под действием высокоэнергетических излучений. В этой связи в последнее время возрос интерес к созданию ФЭП на основе тонкой пленки GaAs.
В последнее время исследователи уделяют большое внимание к соединениям Си22п8п84 (С2Т8), Си22п8п8е4 (С2Т8е) и их твердым растворам Си22п8п(81-х8ех)4 (С2Т88е) , которые являются прямозонными полупроводниками. Они признаны наиболее перспективными материалами для создания солнечных элементов (СЭ) нового поколения - высоко эффективных тонкопленочных фотопреобразователей большой площади [1,2]. Основные достоинства этого класса соединения заключается в том, что входящие в него компоненты широко распространены в природе, относительно дешевы и нетоксичны.
Ширина запрещенной зоны четверного соединения С2Т8е составляет порядка 1,0 эВ, а у соединения С2Т8 - 1,5 эВ. Величина их коэффициента оптического поглощения составляет порядка 105 см-1 в достаточно широкой области спектра[3,4]. При получении гетеропереходов Си22п8п(81-х8ех)4/ОаЛв можно ожидать возможность создания ФЭП с высокой эффективностью. В связи с этим в работе исследовались процесс создания гетеропереходов р-Си22п8п(81-х8ех)4/п-ОаЛ8 и их некоторые электрические характеристики.
Для получения тонких слоев С2Т88е применяются методы термического вакуумного испарения с последующей сульфиризацией (и селинизацией) [4,5], соиспарение [6], магнетронное распыление[7], электрооссаждения [8] и другие. Наиболее дешевым и простым из них является метод термического вакуумного испарения, применение которого для получения пленок С2Т88е описано в работе [5]. Использование данного метода позволяет получать однородные по толщине и площади пленок с заданным составом.
Для формирования пленок С2Т88е в первом этапе производилось осаждение пленок меди, цинка и олова на подложку из арсенида галлия. Оно производилось методом термического вакуумного испарения на установке ВУП-5М, при вакууме порядка порядка 10" мм.рт.ст. Исходными веществами служили медь, цинк, олова и сера чистотой 99.99%. Температура подложки варьировалась в интервале
200 - 3200 С. В качестве
подложки использовался арсенид галлия п-типа проводимости, с удельным сопративле-нием порядка 1 Ом. см. Предварительно подложки были химически очищены, промыты дистиллированной водой и высушены в сушильной печке.
Рис.1. Микрофотография поверхности пленки СХТИИе, выращенной на GaAs подложку.
Сульфиризация + селенизация образцов осуществлялись в эвакуированной до 5.10-4 мм.рт.ст. кварцевой ампуле, в температурном интервале 400-5500 С. Как показали результаты исследований, наиболее гладкие поверхности пленок получается при термическом отжиге в температурах до 530-550° С. Выше этой температуры наблюдается некоторая шероховатость поверхности пленки.
Причиной этого, по-видимому, является испарения серы и селена во время термического отжига. Микрофотография поверхности пленки С2Т88е, выращенной вышеописанном режиме, приведена на рис.1. Из рисунка видно, что слой С2Т88е имеет поликристаллическую структуру. Выращенные пленки были достаточно однородной по поверхности, их толшина составляла в пределах 0,5-1,0 мкм.
20 25 30 35 40 45 50 55 60
29 И
Рис.2. Спектры дифрактограммы рентгеновских лучей в образцах
Кристаллическая структура и фазовый состав полученных пленок изучались на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М в СиКа-излучении с графитовым монохрома-тором. В результате измерений было установлено, что не наблюдается значительных отклонений состава пленки по поперечной поверхности образца, что свидетельствует об их однородности. Типичная дифрактограмма образцов показана на рис.2. Как видно из рисунка, наблюдается пики (112), (200), (220) и (312), характерные для кестеритной структуры. Действительно, как показали в работе[9], образования кестеритной структуры С2Т88е выгоднее, чем образования структуры станнита.
Далее исследовались электрические характеристики полученных структур. Все пленки обладали дырочным типом проводимости, с концентрацией дырок
17 18 3 2
10 -10 ' см . Холловская подвижность дырок составляла в пределах 11-14 см /В с при комнатной температуре. Изучали вольт-амперные характеристики (ВАХ) гетеропе-рехо-дов р-Си22и8и8(8е)4/ и-ОаЛБ при комнатной температуре.
Результаты измерений ВАХ для одного из гетеропереходов приведены на рис. 3. Как видно, статическая ВАХ исследованных гетероструктур имеет четко выраженный выпрямляющий характер. Отношение токов в прямом и обратном направлениях(прямому направлению тока соответствовала подача положительного потенциала на пленки С2Т88е) при смешении 1-3 В изменялось от образца к образцу от нескольких десяток до 102. Следует отметить, что для всех гетероструктур наблюдалось насыщения обратного тока.
Рис.3. ВАХгетеропереходар- Cu2ZnSn(S1-xSex)4/n-GaAs
Таким образом, анализ результатов исследований по созданию пленок CZTSSe на подложку из арсенида галлия показал, что методом термического вакуумного напыления металлических компонентов и последующей сулфиризацией и селинизацией образцов можно формировать гетероструктуры р- Cu2ZnSn(Si-xSex)4/n-GaAs.
ЛИТЕРАТУРА
1. T.K. Todorov , J. Tang, S. Bag , O. Gunawan , T. Gokmen , Yu Zhu and D. B. Mitzi. Adv. Energy Mater. 2013, 3, 34-38.
2. Katagiri H., Ishigaki N., Ishida T., Saito K. Japanese Journal of Applied Physics, 2001, vol. 40, p. 500-504.
3. Persson C. Journal of Applied Physics, 2010, vol. 107, p. 053710(1-8).
4. J. S. Seol. Bulletin of advanced technology research, Vol. 5 No.8/ Aug. 2011, p.51-53.
5. A.S. Opanasyuk, D.I. Kurbatov, M.M. Ivashchenko, I.Yu. Protsenko, H. Cheong. J. of Nano-and Electronic Physics. V. 4, No 1, 01024(3pp) (2012).
6. Babu G. S., Kumar Y. B. K., Bhaskar P. U., Raja V. S. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2010, vol. 94, p. 221-226.
7. M. Jiang, R Dhakal, P. Thapaliya, M. Mastro, J. D. Caldwell, F. Kub, X. Yan. J. Photon. Energy. 1(1), 019501 (2011). doi:10.1117/1.3628450
8. J. J. Scragg. Studies of Cu2ZnSnS4 films prepared by sulfurisation of electrodeposited precursors. A thesis of Doctor of Philosophy .University of Bath, May 2010.
9. Schorr S., Hoebler H.-J., Tovar M. European Journal of Mineralogy, 2007, vol. 19, p. 65-73.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.