WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 6 Фотоэлектрические явления в гетероструктурах a-Si : H/p-CuInSe2 © Ю.А. Николаев, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, Е.И. Теруков Физико-технический институт им. А.Ф Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 29 декабря 1999 г. Принята к печати 29 декабря 1999 г.) Осаждением пленок аморфного гидрированного кремния на поликристаллические подложки p-CuInSe2 впервые получены фоточувствительные гетероструктуры a-Si : H/p-CuInSe2. Исследованы фотоэлектрические свойства новой системы и сделан вывод о перспективах ее применения в разработках фотопреобразователей солнечного и линейно поляризованного излучений.

Развитие солнечной фотоэнергетики направлено в пер- вольт-амперная характеристика. Пропускное направлевую очередь на повышение эффективности и снижение ние, как правило, реализуется при положительной полярсебестоимости солнечных элементов [1–3]. Применение ности внешнего смещения на подложке p-CuInSe2. С увехалькопиритных материалов CuInGaSe2 в производстве личением напряжения прямого смещения U 2В вольттонкопленочных солнечных элементов признано одним амперная характеристика полученных гетероструктур из наиболее перспективных направлений в достижении обычно следует соотношению этих задач [4]. В последние годы несколько исслеI =(U - U0)/R0, (1) довательских групп сообщили о достижении на халькопиритных материалах эффективности фотопреобразо- где напряжение отсечки U0 1.8-2 В, а остаточное вания выше 17% и более 10% — в случае изгото- сопротивление R0 105 Ом при T = 300 K. С учетом вленных из них модулей [5–7]. Фотопреобразование в электрических свойств подложек можно полагать, что этих устройствах определяется, как правило, структурой основной вклад в величину R0 обеспечивается последоваZnO/CdS/CuInGaSe2/Mo/стекло. Однако в целях повыше- тельным сопротивлением пленки a-Si : H. Обратный ток в ния эффективности производства и обеспечения охраны исследованных структурах обычно подчиняется степенокружающей среды возникла необходимость замены бу- ному закону I U, где = 0.6-1. Такое поведение в ферных слоев CdS альтернативным материалом. В каче- первую очередь может быть вызвано несовершенствами стве таких материалов уже анализируются возможности периферии полученных ГС.

различных полупроводников [8–10]. В настоящей работе При освещении гетероструктур a-Si : H/p-CuInSe2 воспри создании фоточувствительных гетероструктур (ГС) производимо обнаруживается фотовольтаический эфна основе объемных кристаллов p-CuInSe2 в качестве фект. Знак фотонапряжения во всех таких ГС соотбуферного материала впервые изучены возможности ветствует отрицательной полярности пленки a-Si : H и высокоомных слоев аморфного гидрированного крем- оказывается независимым от энергии падающих фотонов ния a-Si : H. и от локализации светового зонда на поверхности 1. В качестве подложек для осаждения пленок a-Si : H гетероструктур. Это позволяет отнести обнаруженный использовались электрически однородные поликристал- фотовольтаических эффект к разделению фотогенериролические пластины CuInSe2 с концентрацией свободных ванных пар единственной активной областью, возникадырок p 3 · 1017 см-3 при T = 300 K. Средние ющей в результате образования такой гетероструктуры.

размеры пластин были порядка 5 5 1мм3. После Фоточувствительность всех полученных гетероструктур механической полировки поверхность пластин подвер- доминирует при освещении со стороны их широкозонной галась обработке в полирующем травителе. Осаждение компоненты a-Si : H. Для лучших гетероструктур этого пленок a-Si : H проводилось методом высокочастотного типа при освещении несфокусированным интегральным тлеющего разряда на поверхность пластин CuInSe2 при светом лампы накаливания (L 100 Вт) фотонапряжетемпературе 230C. При выращивании пленок приме- ние холостого хода Uir = 0.3 В и ток короткого замынялась газовая смесь SiH4 : H2 (9: 1). Использованный кания isc = 0.1 мА. Максимальная вольтовая фоточувтехнологический режим обеспечивал получение пленок ствительность таких структур SU = 150 В/Вт, а токовая a-Si : H с толщиной 1 мкм и зеркальной наружной Si = 25 мкА/Вт при T = 300 K. Очевидно, что приведенповерхностью. Пленки a-Si : H обнаружили хорошую ад- ные параметры первых структур далеки от предельных гезию по отношению к поверхности CuInSe2. Темновое возможностей данной системы и последующая оптимиудельное сопротивление пленок a-Si : H n-типа проводи- зация свойств ее компонент станет следующим этапом мости составляло 109 Ом · см при T = 300 K. данного исследования.

2. Все полученные гетероструктуры a-Si : H/p-CuInSe2 3. На рис. 1 приведены типичные спектральные заобладают четким выпрямлением. На вставке к рис. 1 висимости относительной квантовой эффективности фопредставлена типичная для таких ГС стационарная топреобразования, представляющей собой отношение 686 Ю.А. Николаев, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, Е.И. Теруков глощением с участием уровней дефектов в CuInSe2 с энергетическим положением Ev + 0.11 эВ [11,13].

С переходом к освещению ГС со стороны пленок a-Si : H спектры их фоточувствительности превращаются в широкополосные (рис. 1, кривая 1). Полная ширина полосы фоточувствительности на ее полувысоте 1/2 при этом резко возрастает от 50 мэВ до значений 900-950 мэВ. В широкополосном режиме фоторегистрации в спектральной области высокой фоточувствительности можно выделить две полосы, энергетическое положение максимумов которых на рис. 1 (кривая 1) обозначено стрелками. Если связывать эти особенности с интерференцией падающего излучения в пленке a-Si : H, тогда оценка ее толщины на основании энергетического положения экстремумов в спектре ( ) и показателя преломления a-Si : H дает значение, соответствующее полученному из спектров оптического пропускания пленки, осажденной на стекле в том же технологическом процессе.

Следует отметить, что достижение широкополосного режима фоторегистрации в гетероструктурах a-Si : H/ p-CuInSe2 может также свидетельствовать о том, что реальная граница между двумя материалами со столь различным строением (a-Si : H — аморфная, а CuInSe2 — кристаллическая фазы) является достаточно совершенРис. 1. Спектральные зависимости относительной квантовой ной, во всяком случае, в отношении процессов фоточувэффективности фотопреобразования гетероструктур a-Si : H/ ствительности. Локализация энергетического положения p-CuInSe2 при T = 300 K (Образец 3, кривая 1 — освещение коротковолнового спада зависимости ( ) в спектрах со стороны a-Si : H, 2 —со стороны p-CuInSe2). На вставфоточувствительности гетероструктур a-Si : H/p-CuInSeке — вольт-амперная характеристика (пропускное направлевблизи 2 эВ соответствует началу межзонного поглощение отвечает положительной полярности внешнего смещения на CuInSe2). ния в a-Si : H и поэтому может быть приписана влиянию оптического поглощения в прилегающем к активной области ГС аморфному гидрированному кремнию.

4. В линейно поляризованном излучении (ЛПИ) исфототока короткого замыкания к числу падающих фотоследованные ГС ведут себя как типичные изотропные нов, для одной из полученных ГС. Длинноволновый край вещества. Действительно, при освещении ГС вдоль норзависимости ( ) гетероструктур определяется фотомали к приемной плоскости фототок короткого замыактивным поглощением в их узкозонной компоненте кания не обнаруживает какой-либо зависимости от поCuInSe2 и при 1 эВ совпадает для двух разных геоложения вектора электрического поля E световой волметрий их освещения (рис. 1, кривые 1 и 2). Максимум ны. Следовательно, естественный фотоплеохроизм этих в случае освещения ГС со стороны CuInSe2 и ступенька структур [14] во всей области фоточувствительности гепри = 1.01 эВ, которая возникает при освещении тероструктур PN = 0, что как раз и отражает изотропный со стороны a-Si : H, совпадают с шириной запрещенной характер фотоактивного поглощения аморфной пленкой зоны Eg тройного соединения [11,12]. Экспоненциальный a-Si : H и поликристаллической подложкой CuInSe2.

рост фоточувствительности ГС при <1 эВ описываКак только угол падения ЛПИ на приемную плоскость ется высокой крутизной S = (ln isc)/( ) 30 эВ-1, a-Si : H полученных ГС становится отличным от нуля что соответствует прямым оптическим переходам в ( > 0), фототок начинает зависеть от азимутального CuInSe2 [11]. Поэтому, как только энергия фотонов угла между вектором E и плоскостью падения (ПП) становится >1.01 эВ, при освещении ГС со стороны линейно поляризованного излучения по закону подложки наступает резкий коротковолновый спад фоточувствительности, связанный с влиянием поглощения i = ip cos2 + is sin2, (2) излучения в толще CuInSe2, прилегающей к активной области ГС. Четко проявляющаяся при < 0.95 эВ в спектрах ( ) исследованных ГС особенность с где ip и is — фототоки в поляризациях E ПП и E ПП максимумом в области 0.9 эВ является характерной для соответственно. С ростом наблюдается увеличение исходных кристаллов и обусловлена фотоактивным по- поляризационного отношения ip/is.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Фотоэлектрические явления в гетероструктурах a-Si : H/p-CuInSe2 На рис. 2 приведены типичные зависимости ip и is от угла падения ЛПИ при = const (кривые 1 и 2).

С учетом критериев поляризационной фотоэлектрической спектроскопии [15,16] наблюдаемый рост ip и is с увеличением наряду с проявлением максимумов в зависимостях ip() и is() указывает, с одной стороны, на высокое оптическое качество осажденных на CuInSeпленок a-Si : H, а с другой — на интерференцию ЛПИ в этих пленках [15].

Угловые зависимости коэффициента наведенного фотоплеохроизма PI гетероструктур a-Si : H/p-CuInSe2 во всей области фоточувствительности характеризуются Рис. 3. Спектральная зависимость коэффициента наведенного увеличением PI с ростом угла падения по параболическо фотоплеохроизма PI гетероструктуры a-Si : H/p-CuInSe2 при му закону PI (рис. 2, кривые 3, 4), причем для всех T = 300 K (Образец 6, освещение со стороны a-Si : H, = 75).

этих зависимостей при = 0, PI = 0. Последнее определяется изотропным характером фотоактивного поглощения. Из экспериментальных кривых PI = f () (рис. 2, Типичная спектральная зависимость коэффициента накривая 3) следует, что только за счет увеличения угла веденного фотоплеохроизма при 75 и освещении падения фотопреобразование гетероструктур a-Si : H/ со стороны пленки a-Si : H для одной из ГС приведена p-CuInSe2 может эксперссно переводиться от изотропнона рис. 3. Из нее следует, что коэффициент PI в таких го к поляризованному излучению, т. е. к поляризационноГС во всей области фоточувствительности осциллиручувствительному режиму.

ет и остается на высоком уровне. Следовательно, при освещении ГС со стороны широкозонной компоненты эффект ”окна для излучения” проявляется и в отношении поляризационной фоточувствительности. Сам факт проявления осцилляций PI с учетом[15] может быть отнесен за счет проявления интерференции ЛПИ в ”широкозонном окне” ГС. Оценка показателя преломления на основании коэффициента наведенного фотоплеохроизма дает величину, которая удовлетворительно согласуется с известным значением для a-Si : H.

Таким образом, в результате выполненных исследований установлено, что гетероструктуры на основе халькопиритных полупроводников типа CuInSe2 и аморфного гидрированного кремния могут найти применение при разработке высокоэффективных безкадмиевых солнечных элементов, а также фотоанализаторов линейно поляризованного излучения.

Список литературы [1] K. Takahashi, M. Kanagai. Amorphous Silicon Solar Cells (North Oxford Academic, London, 1986) p. 141.

[2] B. Sang, K. Dairiki, A. Yamada, M. Kanagai. Jpn. J. Appl.

Phys., 38, 4983 (1999).

[3] B. Dimmler, H.W. Schock. Progr. Photovolt., 4, 425 (1996).

[4] H.W. Schock. Appl. Surf. Sci., 92, 606 (1996).

[5] J.R. Tuttle, J.S. Ward, A. Duda, T.A. Berens, M.A. Cotreras, K.R. Ramamnathan, A.L. Tennant, J. Keane, E.D. Cole, K. Emery, R. Noufi. Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 426, (1996).

Рис. 2. Зависимости фототока короткого замыкания (1 — ip, [6] T. Negami, M. Nishitani, N. Kohara, Y. Hashimoto, T. Wada.

2 — is) и коэффициента наведенного фотоплеохроизма Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 426, 1451 (1996).

(3 — PI = f (), 4 — PI1/2 = f ()) от угла падения линейно [7] H.S. Ullal, K. Zweibel, B. von Reodern. Proc 26th IEEE Phoполяризованного излучения на приемную плоскость a-Si : H tovoltaic Specialists Conf. (1997) p. 301.

гетероструктуры a-Si : H/p-CuInSe2 при T = 300 K (Образец 6, [8] Y. Ohtake, K. Kushiyama, M. Ishikawa, A. Yamada, M. Ka = 1.1мкм). nagai. Jpn. J. Appl. Phys., 34, 5949 (1995).

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 688 Ю.А. Николаев, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, Е.И. Теруков [9] Y. Ohtake, S. Sutichai, A. Yamada, M. Kanagai. Jpn. J. Appl.

Phys., 37, 3220 (1998).

[10] S. Chaisitsak, T. Segiyama, A. Yamada, M. Kanagai. Jpn. J.

Appl. Phys., 38, 4989 (1999).

[11] T.J. Coutts, L.L. Kazmerski, S. Wagner. Copper Indium Diselenide for Photovoltaic Applicatons (Elsevier, Amsterdam, 1986).

[12] Физико-химические свойства полупроводниковых веществ. Справочник (М., Наука, 1979).

[13] Н.Н. Константинова, М.А. Магомедов, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь. ФТП, 26, 558 (1992).

[14] Ф.П. Кесаманлы, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь. ФТП, 30, (1996).

[15] Ф.П. Кесаманлы, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь. ФТП, 33, (1999).

[16] V.Yu. Rud’, Yu.V. Rud’, H.W. Schock. Sol. St. Phenomena, 67–68, 421 (1999).

Редактор Т.А. Полянская Photoelectrical phenomena in a-Si : H/p-CuInSe2 heterostructures Yu.A. Nikolaev, V.Yu. Rud’, Yu.V. Rud’, E.I. Terukov Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia St. Petersburg State Technical University, 195251 St. Petersburg, Russia

Abstract

The photosensitive a-Si : H/p-CuInSe2 heterostructures have been first obtained by the deposition of hydrogenated amorphous silicon upon polycrystalline p-CuInSe2 substrates. The photoelectrical properties of the new system were studied. The conclusion was drawn about prospects of these system application for solar and linear-polarization radiation photoconvertors.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.