WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 10 Структурные механизмы оптимизации фотоэлектрических свойств пленочных гетеросистем CdS/CdTe © Г.С. Хрипунов¶ Национальный технический университет „Харьковский политехнический институт“, 61002 Харьков, Украина (Получена 24 января 2005 г. Принята к печати 3 февраля 2005 г.) Проведены сопоставительные исследования влияния „хлоридной“ обработки пленочных гетеросистем CdS/CdTe на выходные характеристики солнечных элементов ITO/CdS/CdTe/Cu/Au и кристаллическую структуру базового слоя CdTe. Были предложены структурные механизмы, определяющие изменение эффективности фотоэлектрических процессов в пленочных солнечных элементах ITO/CdS/CdTe/Cu/Au при изменении толщины слоя CdCl2 в процессе проведения хлоридной обработки. Впервые рентгенодифрактометрическим методом доказано, что в процессе хлоридной обработки происходит трансформация метастабильной гексагональной фазы теллурида кадмия в стабильную кубическую модификацию. Это обеспечивает существенное улучшение фотоэлектрических свойств пленочных гетеросистем CdS/CdTe.

1. Введение мизации в процессе хлоридной обработки фотоэлектрических свойств пленочных гетеросистем (ГС) CdS/CdTe, Кардинальное решение энергоэкологических проблем с одной стороны, решает конкретную прикладную заможет быть достигнуто за счет широкомасштабного дачу, а в другой — представляет интерес для физичеиспользования в наземных условиях экологически чи- ского материаловедения нового класса твердотельных стых возобновляемых источников энергии — фотоэлек- объектов.

трических преобразователей солнечного излучения [1].

В настоящее время эффективность лучших лаборатор2. Эксперимент ных образцов пленочных солнечных элементов (СЭ) на основе CdS/CdTe приближается к эффективности Для получения лабораторных образцов СЭ традиционно используемых СЭ на основе монокристалITO/CdS/CdTe/Cu/Au в вакуумной камере на подложки лического кремния [2]. В то же время низкие затраты из стекла со слоем ITO (indium-tin oxide) толщина материалы и электроэнергию делают пленочные СЭ ной 0.5 мкм термическим испарением при температуре более экономичными [3].

200C осаждались пленки CdS толщиной 0.4 мкм. Затем С точки зрения физики твердого тела СЭ на оснобез нарушения вакуума при температуре подложки ве CdS/CdTe представляют собой новые объекты — 300C осаждались пленки CdTe толщиной 4 мкм. После многослойные поликристаллические пленочные гетероэтого проводилась хлоридная обработка базовых слоев.

структуры. Развитая зернограничная поверхность базоДля этого на поверхность слоя CdTe в вакуумной вого слоя теллурида кадмия и высокие температуры камере термическим испарением без нагрева подложки получения таких приборных структур обусловливают наносились пленки CdCl2. Полученные гетеросистемы существенное влияние межфазного взаимодействия на ITO/CdS/CdTe/CdCl2 подвергались отжигу на воздухе их эффективность [3]. Обязательной технологической в закрытом объеме при температуре 430C в течение операцией при изготовлении высокоэффективных пле25 мин. После травления отожженных гетеросистем ночных СЭ на основе CdS/CdTe является „хлоридная“ в растворе бромметанола для удаления побочных обработка [2]. В процессе такой обработки, в резульпродуктов межфазного взаимодействия на поверхности тате межфазного взаимодействия базового слоя с хлоCdTe термическим испарением формировались ридом кадмия происходит увеличение эффективности двухслойные электрические контакты Cu–Au.

СЭ в 5-6 раз [3]. Одной из основных причин роста Коэффициент полезного действия СЭ () и выходные эффективности СЭ является увеличение времени жизни параметры СЭ: напряжение холостого хода Uoc, плотнеосновных носителей заряда [4], которое обычно свяность тока короткого замыкания Isc, фактор заполнения зывают с зафиксированным экспериментально уменьшесветовой ВАХ (FF) определялись из световой ВАХ, нием степени развитости и пассивацией зернограничной измеренной при мощности светового потока 100 Вт/см2.

поверхности слоя теллурида кадмия [5,6]. В то же время Для выявления структурных особенностей базовых структурные изменения, происходящие внутри зерна, слоев теллурида кадмия, до и после хлоридной обрапрактически не анализируются. Это сдерживает дальботки, был использован следующий комплекс методик нейшую оптимизацию конструктивно-технологических съемки и регистрации дифракционных спектров [7,8].

решений пленочных СЭ на основе CdS/CdTe [2]. Таким 1. Автоматическая запись дифракционного спектра образом, исследование структурных механизмов оптипри непрерывном 2-сканировании в интервале углов ¶ E-mail: khrip@ukr.net 2 = 20-120 с фокусировкой по Бреггу–Брентано в Структурные механизмы оптимизации фотоэлектрических свойств пленочных гетеросистем CdS/CdTe излучении медного анода. При такой съемке дифракционную картину формируют зерна, отражающие плоскости [hkl] которых расположены параллельно поверхности образца.

2. Методика так называемых „косых“ съемок, при которых в излучении железного анода методом /2-сканирования проводились обнаружение и поточечная регистрация дифракционных отражений от тех плоскостей сфалеритной и вюрцитной модификации теллурида кадмия, которые не обнаруживаются при способе регистрации, изложенном выше из-за текстурированности образца. Для этого образец поворачивался относительно первоначального положения на соответствующий угол (угол между плоскостью, которая формировала наиболее интенсивный дифракционный максимум при фокусировке по Бреггу–Брентано, и заданной плоскостью).

Рис. 1. Влияние толщины слоя CdCl2 на световые Использование более мягкого рентгеновского излучения ВАХ СЭ ITO/CdS/CdTe/Cu/Au. 1 — слой CdCl2 отсутствупозволяет увеличить угловое расстояние между дифракет: Voc = 400 мВ, Jsc = 10.7мА/см2, FF = 0.280, = 1.19%;

ционными максимумами.

2 — толщина CdCl2 0.06 мкм: Voc = 645 мВ, Jsc = 19.0мА/см2, 3. Поточечная регистрация профилей дифракционных FF = 0.576, = 7.4%; 3 — толщина CdCl2 0.35 мкм:

пиков методом -сканирования для определения степеVoc = 773 мВ, Jsc = 20.1мА/см2, FF = 0.670, = 10.3%;

ни рассеивания текстуры, выражаемой через полушири4 — толщина CdCl2 1.20 мкм: Voc = 702 мВ, Jsc = 19.0мА/см2, ну дифракционного профиля (в градусах) на -кривой.

FF = 0.414, = 5.5%.

Прецизионное определение периода решетки проводилось с использованием экстраполяционной функции (cos2 / sin ) +(cos2 /) [9].

не удалось зафиксировать отражение от слоя сульфида кадмия, производилось также измерение дифрактограм3. Результаты и их обсуждение мы ГС ITO/CdS. Обнаружено, что пленки CdS обладают гексагональной модификацией и текстурированы в Были проведены измерения световых ВАХ СЭ направлении [0002]. Методами растровой микроскопии ITO/CdS/CdTe/Cu/Au, полученных с использованием поперечного скола приборной ГС ITO/CdS/CdTe показаслоя хлорида кадмия различной толщины (рис. 1).

но, что слои CdTe и CdS имеют столбчатую структуру.

По характеру зависимости выходных характеристик и При этом размер зерен CdTe определяется размером эффективности от толщины CdCl2 можно выделить три зерен CdS. Таким образом, возникновение текстуры в характерных интервала. Рост толщины слоя CdCl2 до базовых слоях обусловлено ориентированным ростом 0.06 мкм приводит к увеличению эффективности СЭ от CdTe на текстурированных слоях CdS. В соответствии = 1.1% до = 7.4% (рис. 1, кривые 1 и 2), что в с [1] столбчатая структура базового слоя позволяет равной степени обусловлено увеличением всех выходсущественно уменьшить негативное влияние зернограных параметров. При увеличении толщины слоя CdCl2 ничной поверхности на фотоэлектрические процессы.

от 0.06 до 0.35 мкм эффективность СЭ увеличивается Однако СЭ ITO/CdS/CdTe/Cu/Au, в которых не была от = 7.4% до = 10.3% за счет роста напряжения проведена хлоридная обработка, имели на уровне 1% холостого хода и фактора заполнения световой ВАХ (рис. 1, кривая 1).

(рис. 1, кривые 2 и 3). Дальнейшее увеличение толщины Данные таблицы ASTM 19-0193 показывают, что выслоя хлорида кадмия от 0.35 до 1.20 мкм приводит явленные при структурном анализе ГС ITO/CdS/CdTe к снижению эффективности СЭ от 10.3 до 5.4%, что отражения могут быть также идентифицированы как обусловлено уменьшением фактора заполнения свето- отражения от плоскостей (002) и (006) метастабильной вой ВАХ (рис. 1, кривые 3 и 4).

гексагональной модификации CdTe. В этом случае осью На дифрактограмме ГС ITO/CdS/CdTe, полученной текстуры базового слоя является направление [0001].

при фокусировке по Бреггу–Брентано, до хлоридной Чтобы решить, какая из двух модификаций присутствует обработки выявляются два дифракционных максимума в исследуемом образце, проводились „косые“ съемки.

на углах 2 = 23.56 и 2 = 75.92 (рис. 2, a). Согласно При попытке ввести в отражающее положение плостаблице ASTM 15-0770, эти отражения можно иденти- кость (105) гексагональной модификации в отражаюфицировать как отражения от плоскостей (111) и (333) щее положение вводятся и плоскости (331) и (422) кубической фазы CdTe, что свидетельствует о тексту- кубической модификации (рис. 3, a). Это связано с тем, рированности базового слоя. Осью текстуры является что углы между плоскостями (002) и (105) гексагонаправление [111], степень рассеивания текстуры соста- нальной модификации и углы между плоскостями (111) вила 10. Так как на дифрактограмме ГС ITO/ CdS/CdTe и (331), (111) и (422) кубической модификации близки 8 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1268 Г.С. Хрипунов На дифрактограмме гетеросистемы CdS/CdTe, полученной при фокусировке по Бреггу–Брентано, после хлоридной обработки, проведенной при толщине CdCl0.06 мкм, выявляются отражения от плоскостей (331), (400), (331), (422), (511)+(333) кубической модификации (рис. 2, b). Это свидетельствует о снижении текстурированности базового слоя. Степень рассеивания текстуры составляет 5 (рис. 3, b). Наблюдаемое экспериментально снижение степени рассеивания текстуры от 10 до 5, несмотря на снижение текстурированности, связано с тем, что после хлоридной обработки в базовом слое теллурида кадмия формируется текстура только одного типа — в направлении [111].

Было обнаружено, что увеличение толщины хлорида кадмия от 0.06 до 0.35 мкм приводит к увеличению степени рассеивания текстуры до 9.3. Угловая ширина отражений (331) и (422) уменьшается, что свидетельствует о дальнейшем снижении микродеформации, концентрации дефектов упаковки и росте ОКР. При этом также наблюдается снижение периода решетки теллурида кадмия от a = 6.494 до a = 6.488. Согласно таблице ASTM 15-0770, период решетки структурноРис. 2. Дифрактограммы гетеросистем ITO/CdS/CdTe в излучении медного анода при фокусировке по Бреггу–Брентано:

a — до проведения хлоридной обработки; b — после проведения хлоридной обработки с использованием хлорида кадмия толщиной 0.06 мкм.

и составляют 20.7, 22.0, 19.5 соответственно. Таким образом, в исходном состоянии базовый слой теллурида кадмия является двухфазным, что и обусловливает низкий кпд СЭ. Двухфазность, двойникование и высокая концентрация дефектов упаковки являются характерными для пленок теллурида кадмия (см., например, в [9]) вследствие незначительного (около 1% [10]) различия в энергиях образования кубической и гексагональной кристаллических решеток, низкой энергии образования дефектов упаковки.

Методом косых „съемок“ было показано, что проведение хлоридной обработки пленок CdTe при толщине хлорида кадмия 0.06 мкм приводит к формированию однофазных слоев стабильной кубической модификации (рис. 3, b). При этом для отражений от плоскостей (331) и (422) наблюдается уменьшение ширины дифракционных максимумов, что качественно свидетельствует не только о снижении микродеформации и росте размеров Рис. 3. Дифрактограммы гетеросистем ITO/CdS/CdTe в излуобластей когерентного рассеивания (ОКР), но и об чении железного анода при повороте образца на 22: a —до уменьшении концентрации дефектов упаковки. Чувстви- проведения хлоридной обработки; b — после проведения хлотельность этих линий к дефектам упаковки связана с ридной обработки с использованием хлорида кадмия толщиной тем, что для них |h + k + l| = 3N ± 1. 0.06 мкм.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Структурные механизмы оптимизации фотоэлектрических свойств пленочных гетеросистем CdS/CdTe совершенных ненапряженных слоев теллурида кадмия вблизи этой межфазной поверхности. Это приводит к составляет 6.481. Поэтому базовые слои теллурида увеличению ориентирующего влияния сульфида кадмия кадмия, подвергнутые хлоридной обработке с использо- на кристаллическую структуру слоя теллурида кадмия.

ванием слоя хлорида кадмия толщиной 0.35 мкм, испы- В результате происходит зафиксированная экспериментывают меньшие деформации кристаллической решет- тально деформация кристаллической решетки базового ки, чем при использовании хлорида кадмия толщиной слоя, приводящая к увеличению периода решетки, увели0.06 мкм. Наблюдаемое экспериментально превышение чивается вероятность возникновения дефектов упаковки величины периода решетки слоя теллурида кадмия над и двойников, рост концентрации которых в базовом слое его теоретическим значением связано с различием в вызывает наблюдаемое увеличение ширины дифракципериодах решетки слоев сульфида и теллурида кадмия, онных максимумов, соответствующих плоскостям (331) которое составляет 9.7% [11]. В процессе ориентиро- и (422) кубической фазы теллурида кадмия.

ванного роста теллурида кадмия на слоях сульфида кадмия это различие вызывает появление деформаций, 4. Заключение приводящих к увеличению периода решетки базового слоя.

При увеличении толщины слоя CdCl2 до 0.06 мкм В соответствии с диаграммой состояния системы определяющее влияние на интенсификацию фотоэлекCdTe–CdCl2 при температурах проведения хлоридной трических свойств пленочных гетеросистем CdS/CdTe в обработки атомы хлора обладают субатомной растворипроцессе хлоридной обработки оказывает превращение мостью в теллуриде кадмия [12]. Поэтому хлор после двухфазного базового слоя теллурида кадмия в однохлоридной обработки экспериментально обнаруживаетфазный. Метастабильная гексагональная модификация ся не в объеме зерен, а на зернограничной поверхности теллурида кадмия трансформируется в стабильную кубазового слоя [13]. Физический механизм, при котором бическую фазу.

Pages:     || 2 |



© 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.