Электрические и фотоэлектрические свойства осажденных в вакууме гетеропереходов ZnO:Al/CdS/p-Cd 1-x Zn x Te
Эдуард Владимирович Майструк,Мария Ивановна Илащук,Иван Григорьевич Орлецкий,Иван Павлович Козерский,Павел Дмитриевич Марианчук,Григорий Петрович Пархоменко,Дмитрий Петрович Козерский,Сергей В. Ничий
https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2021.167246
Абстрактный
Исследование электрических и фотоэлектрических свойств анизотипных гетеропереходов ZnO:Al/ n - CdS/ p -Cd 1−x Zn x Te , выполненных на неотожженных и отожженных подложках при высокой температуре ( Т = 1200 К) в условиях минимального давления паров кадмия. Последовательное нанесение пленок CdS и ZnO:Al на поверхность неотожженных подложек монокристаллов p - Cd 1−x Zn x Te осуществляли методом высокочастотного магнетронного напыления . На основании анализа ВФХ определены основные параметры барьерной области полученных структур ZnO:Al/ n -CdS/p -Cd 1−x Zn x Te и установлена динамика их изменения при облучении светом различных длин волн. Установлена связь между физическими процессами, приводящими к уменьшению концентрации глубоких уровней на границе раздела n -CdS/ p -Cd 1−x Zn x Te, и свойствами материала основы.
Введение
Солнечные элементы на основе гетероструктур CdS/CdTe являются одними из наиболее перспективных для практического использования в земных условиях. Эффективность фотовольтаического преобразования тонкопленочных солнечных элементов n -CdS/ p -CdTe, зарегистрированная для лабораторных образцов, составляет 22%, а для коммерческих солнечных панелей
18% [1], [2], [3]. Его теоретическое значение составляет 28 – 30 % [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10].
Теллурид кадмия используется в этих структурах в качестве поглотителя благодаря ширине запрещенной зоны E g = 1,5 эВ, находящейся в диапазоне оптимальных значений для фотогальванического преобразования энергии, и высокому коэффициенту поглощения α ≈ 10 6 м −1 . Сульфид кадмия с шириной запрещенной зоны E g = 2,42 эВ, несмотря на высокую прозрачность в длинноволновой области спектра ( Т ≈ 70–80 %) [11], [12], [13], недостаточно прозрачен. сделать широкозонное окно за счет поглощения квантов солнечного излучения с энергией hν≥ 2,42 эВ. Кроме того, передний слой CdS должен быть сильно легирован, что приводит к увеличению рекомбинации в объеме CdS. Эти проблемы были решены в усовершенствованных вариантах фотопреобразователей на основе CdS/CdTe, включающих гетероструктуры TCO/ n -CdS/ p -CdTe, в которых используются слаболегированные пленки CdS малой толщины. Пленка ТСО снижает сопротивление растеканию во фронтальном слое и обеспечивает перемещение во внешний круг электрически разделенных фотогенерированных носителей заряда.
Подложки из натриево-кальциевого стекла, покрытые недорогими пленками SnO 2 :F, используются при изготовлении промышленных модулей солнечных элементов на основе CdTe. Однако известно, что легированный фтором SnO 2 имеет довольно низкую подвижность электронов. Следовательно, для достижения низкого сопротивления фотоэлектрических устройств большой площади требуются высокие концентрации носителей заряда. Это приводит к значительной потере интенсивности света в красной и ближней инфракрасной области спектра. Напротив, известно, что ZnO:Al обладает большей подвижностью электронов и лучшей прозрачностью в диапазоне длин волн λ < 900 нм [14], что важно для интенсивности поглощения квантов света в CdTe. Именно поэтому тонкие пленки ZnO:Al перспективны в солнечных элементах TCO/ n -CdS/ p-CdTe [8].
Следует отметить, что высокая эффективность фотопреобразования в солнечных элементах TCO/ n -CdS/ p -CdTe во многом обусловлена процессами взаимной диффузии изовалентных примесей S и Te с образованием твердых растворов CdS 1−x Te x и CdTe 1−x S xв интерфейсе [2], [15]. В этом случае диффузия атомов S в приповерхностный слой CdTe значительно интенсивнее, чем диффузия атомов Te в CdS [2]. Наличие этих твердых растворов в области интерфейса структуры приводит к уменьшению разности постоянных решеток компонентов гетероперехода и, соответственно, к уменьшению плотности дислокаций несоответствия. Так, диффузия серы в CdTe может уменьшить рассогласование решеток между CdTe и CdS почти на 10% [16].
Это следующие проблемы в научной литературе, которые необходимо решить для повышения эффективности солнечных элементов на основе TCO/ n -CdS/ p -CdTe: снижение концентрации глубоких центров, так как их энергетические уровни расположены в середине запрещенная зона CdTe; увеличение концентрации равновесных дырок в основном материале с 10 13 -10 15 см -3 , характерных для современных фотопреобразователей, до 10 15 -10 16 см -3 [3].
В гетеропереходах TO/ n -CdS/ p -CdTe/Au установлено снижение концентрации глубоких ловушек в интерфейсном и приповерхностном слое CdTe в гетеропереходах TO/n-CdS/p-CdTe/Au и, соответственно, улучшение их структурного совершенства в результате отжига на воздухе. [17], [18]. Увеличение концентрации дырок в нелегированном CdTe может быть получено путем регистрации высокотемпературного равновесия собственных точечных дефектов при высокой температуре (1000‒1200 К) и минимальном давлении паров кадмия. В указанных условиях доминирующими являются вакансии кадмия V Cd и V′ Cd , являющиеся акцепторами в теллуриде кадмия [19].
Целью данной работы было изучение влияния высокотемпературной обработки материала основы на состояние глубоких энергетических центров на границе анизотипных гетеропереходов ZnO:Al/CdS/ p -Cd 1−x Zn x Te, а также как и на светочувствительность исследуемых структур.
Твердые растворы p -Cd 1−x Zn x Te с малым значением x ( x ≈ 0,1) использовались в качестве основного материала с улучшенным структурным совершенством по сравнению с CdTe за счет введения атомов цинка [20], [ 21], [22].
Фрагменты раздела
Экспериментальная часть
Исследуемые гетероструктуры ZnO:Al/ n -CdS/ p -Cd 1-x Zn x Te были сформированы на подложках из твердых растворов p -Cd 1-x Zn x Te с x ≈ 0,1, изготовленных путем отщепления как от выращенных кристаллов и из материала, отожженного в вакууме при Т = 1200 К в течение 20 мин с последующей закалкой. Кристаллы выращены вертикальным методом Бриджмена при низком давлении паров кадмия в ампуле. Определение кинетических параметров неотожженных и отожженных кристаллов, таких как удельная проводимость σ ,
Результаты и обсуждение
Гетеропереходы ZnO:Al/CdS/ p -CdZnTe, изготовленные на неотожженных и отожженных пластинах p -Cd 1−x Zn x Te. ВАХ этого гетероперехода исследованы при прямом и обратном напряжении ( Т = 294 – 338 К). Гетеропереходы ZnO:Al/CdS/ p -CdZnTe обладают выпрямляющими свойствами (рис. 3). Для гетероструктур, сформированных на отожженных подложках, коэффициент выпрямления при |V | = 2 В и при комнатной температуре составляла
4,0·10 2 и была несколько выше, чем для структур, выполненных на подложках из неотожженного материала.
Выводы
Методом высокочастотного магнетронного напыления изготовлены гетеропереходы выпрямителя ZnO:Al/ n -CdS/ p -Cd 1−x Zn x Te. Тонкие пленки CdS и ZnO:Al были последовательно нанесены на поверхность свежерасщепленных неотожженных и отожженных подложек монокристаллического p -Cd 1−x Zn x Te. Высокотемпературную обработку ( Т = 1200 К) проводили в вакууме с последующей закалкой.
Для ВФХ обоих типов структур в области низких частот влияние глубоких центров
Декларация о конкурирующих интересах
Авторы заявляют, что у них нет известных конкурирующих финансовых интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в этой статье. |
Скачать 40 Kb.