WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 11 Фотопроводимость пленок CuInSe2 © В.Ю. Рудь, Ю.В.Рудь Государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 11 апреля 1997 г. Принята к печати 16 апреля 1997 г.) Вакуумным напылением из единого источника предварительно синтезированного вещества выращены тонкие пленки CuInSe2. Получены спектры фотопроводимости пленок при комнатной температуре.

Установлено, что фотопроводимость этих пленок сильно зависит от условий получения и, в особенности, от температуры источника. Обнаружены сдвиг длинноволнового края фотоактивного поглощения и эволюция спектров фотопроводимости пленок. Это влияние может быть объяснено с учетом отклонений состава конденсированной фазы от стехиометрии CuInSe2. Установленное явление может найти применение при создании высокоэффективных тонкопленочных фотопреобразователей на основе CuInSe2.

Тройное полупроводниковое соединение CuInSe2 качестве испарителя применялся нагреваемый электри(МИС) в настоящее время стало одним из наиболее ши- ческим током до температуры 1350C графитовый цироко используемых многокомпонентных материалов для линдр. Держатель подложек размещался непосредственвысокоэффективных тонкопленочных солнечных элемен- но над испарителем на расстояниях 200–400 мм. Темтов (СЭ) [1–3]. Коэффициент полезного действия таких пература подложек регулировалась посредством плосСЭ уже достиг 17% [3–5] и дальнейший прогресс в кой резистивной печи в диапазоне 300-450C. Система этой области может быть обеспечен за счет управле- испаритель–подложка в целях стабилизации параметров ния оптическими и электронными свойствами пленок паровой фазы во время осаждения МИС находилась в МИС. Ширина запрещенной зоны, которая является металлическом экране. Как показали рентгеновские и важнейшим параметром для таких применений, зависит микрорентгеновские исследования, при использованных не только от атомного состава вещества, но является температурах испарения TS = 900-1350C и нагреве также функцией степени упорядочения атомов в полу- подложек TO = 300-450C получаемые пленки имели проводниках столь сложного состава [6,7]. В системе параметры кристаллической решетки и состав, отвечаCu–In–Se соотношение концентраций атомов меди и ющие исходному МИС. Толщины пленок при фиксироиндия прямо влияет на кристаллическую решетку и ванных TS и TO контролировались временем испарения и упорядочение атомов Cu и In [2,8,9]. До последнего при t = 15 мин достигали 1–1.5 мкм. Поверхность пленок времени управление спектральным положением длинно- была зеркально-гладкой. Все полученные пленки, как волновой границы фоточувствительности в СЭ на основе правило, обнаруживали достаточно хорошую адгезию по тонких пленок МИС достигалось за счет образования отношению к поверхности использованных подложек из твердых растворов путем дополнительного введения в стекла.

состав осаждаемых пленок Ga, Te или S [2,10–12]. Измерения ФП проводились на образцах со средниВ настоящей работе представлены результаты экспе- ми размерами 15-20 · 3-5 мм, которые приготовлялись риментальных исследований стационарной фотопрово- стравливанием не закрытой лаком поверхности нанедимости (ФП) пленок МИС в зависимости от условий сенных на стекло пленок МИС. Омические контакты их вакуумного термического осаждения. Измерения ФП создавались пайкой чистого индия. Спектральные завидают прямую информацию о характере фотоактивного симости ФП измерялись в области пропорциональности поглощения и в итоге привели к обнаружению новой фототока плотности падающего потока излучения, что возможности управления спектральным положением и служило основанием для пересчета фототока на равное структурой длинноволнового края фотоактивного погло- число падающих квантов. Следует подчеркнуть, что при щения исключительно за счет контроля технологических сканировании поверхности полученных пленок световым параметров процесса осаждения, избежав необходимо- зондом (диаметр 0.2 мм) не удавалось зарегистрировать сти введения в реакционную зону новых компонентов, фотонапряжение, что указывает на достаточную гомокоторые требуются для образования твердых растворов генность полученных методом термического испарения соответствующего состава. образцов МИС [13].

Тонкие поликристаллические пленки МИС осажда- На рис. 1 представлены типичные спектральные зались на стеклянные подложки методом вакуумного ис- висимости стационарной ФП пленок МИС, полученных парения из единого источника, в котором помещался при различных температурах испарения при фиксиропорошок заранее синтезированного близкого к стехио- ванной температуре осаждения. Из него видно, что метрическому составу тройного соединения вещества. управление температурой испарения позволяет эффекИспарение исходного вещества проводилось в росто- тивно влиять на спектральный контур ФП. До сих вой камере, откачанной до давлений 10-6 мм рт.ст. В пор была известна только зависимость от условий осаФотопроводимость пленок CuInSe2 Рис. 1. Спектры ФП пленок МИС в зависимости от температуры испарения TS, C: 1 — 900, 2 — 950, 3 — 1000, 4 — 1060, 5 — 1100, 6 — 1130, 7 — 1175, 8 — 1230, 9 — 1300. TO = 330C.

ждения удельного сопротивления, типа проводимости и ры испарения выше 1175C приводит к формированию концентрации носителей заряда в пленках МИС [14]. еще более коротковолновых максимумов 4 1.6эВ Как следует из рис. 1, по мере увеличения температуры (рис. 1, кривые 7–8) и 5 2.2эВ (рис. 1, кривая испарения происходит смещение длинноволнового края 9). Следовательно, спектральный контур фотоактивного ФП в коротковолновую спектральную область и уси- поглощения пленок МИС с учетом рассмотренных выление вклада коротковолновой компоненты ФП. При ше закономерностей можно контролировать посредством температурах испарения до 1000C (рис. 1, кривые изменений TS в условиях фиксированной температу1–3) фоточувствительность доминирует при энергиях ры осаждения. Как показали исследования, изменения фотонов 1 0.7 эВ, и по мере роста TS усилива- TO в диапазоне от 300 до 420C не вносят принциется вклад коротковолновой компоненты с максимумом пиальных изменений в рассмотренный выше характер 2 1.24 эВ, которая при TS = 1060C уже становится эволюции спектрального контура ФП. Изменения TO доминирующей (рис. 1, кривая 4). С дальнейшим ростом вызывают лишь смещение температурного диапазона TS 1100C в спектрах ФП возникает и усиливается областей, где доминируют рассмотренные максимумы.

типичная для МИС [2,15] компонента с максимумом Все эти максимумы с ростом TS при TO = const 3 1.03 эВ (рис. 1, кривые 6–9). Следует так- испытывают такую же эволюцию, которая приведена же обратить внимание и на то, что рост температу- на рис. 1.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1338 В.Ю. Рудь, Ю.В.Рудь Фотоэлектрические свойства тонких пленок CuInSeДаже небольшие изменения температуры осаждения, при T = 300 K как видно из рис. 2, вызывают заметные смещения длинноволнового края и максимума ФП в пленках МИС.

TS, C m, Sm, 1/2 s, Это обстоятельство позволяет сделать заключение о N (TO = 330C) эВ См/Вт мэВ эВ-том, насколько важно в условиях осаждения стабили107 900 0.71 10-6 670 48 зировать параметры процесса. Наблюдаемые смещения 46 1060 1.24 10-7 1500 35 0.длинноволнового края и абсолютного максимума ФП 36 1150 1.02 10-3 270 58 3 в коротковолновую спектральную область с ростом 95 1150 1.01 10-4 320 41 2.TS могут быть вызваны изменениями отклонения состава 92 1170 1.03 4 · 10-5 670 38 1.твердой фазы от стехиометрии МИС, которое в свою 2 1170 1.02 2 · 10-4 2200 40 0.очередь вызывает изменения в концентрации и природе дефектов решетки, а также ширины запрещенной зоны в получаемых пленках. Из рис. 2 можно также видеть, как рост TS одновременно сопровождается ослаблением коротковолнового спада ФП, что может быть следствием снижения скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей заряда [15].

Длинноволновый край ФП пленок, получаемых при различных TS, несмотя на значительное смещение его энергетического положения от 0.7 до 1.2 эВ, остается экспоненциальным (см. рис. 3итаблицу). Крутизнадлинноволнового края ФП s = (ln i)/( ) во всех случаях остается достаточно высокой, что дает основания считать межзонные переходы в таких пленках прямыми. Если энергию межзонных переходов оценить из спектрального положения абсолютного максимума фототока, то согласно представленным результатам можно полагать, что в результате изменений в условиях осаждения ширина запрещенной зоны вещества пленок может принимать дискретные значения вблизи 0.7, 1.0 и 1.24 эВ.

В ряде пленок указанные максимумы присутствуют в Рис. 2. Спектры ФП пленок МИС при T = 300 K.

спектрах ФП в том или ином сочетании одновременно TS, C: 1 — 1150, 2 — 1175. TO = 335C.

(рис. 1). Можно полагать, что изменения условий осаждения вызывают соответствующие отклонения от стехиометрии, что и обусловливает соответствующую трансформацию спектров ФП. Поскольку параметры кристаллической решетки и состав пленок оказываются, согласно выполненным в этих образцах исследованиям, близкими к известным для МИС [16], можно сделать вывод о том, что измерения ФП могут оказаться наиболее предпочтительными при выборе условий выращивания тонких пленок МИС с заданными свойствами.

Действительно, как можно видеть из таблицы, изменения температуры испарения позволяют контролировать такие фотоэлектрические параметры пленок, как, в частности, энергетическое положение длинноволнового максимума, удельную фоточувствительность Sm, полную ширину спектральной полосы ФП на ее полувысоте 1/2, крутизну s и относительную скорость поверхностной рекомбинации.

Таким образом, изменения условий термического осаждения МИС позволяют эффективно управлять спектральным контуром фотоактивного поглощения тонких пленок МИС, не прибегая к традиционному для таких целей получению четверных твердых растворов, что может найти применение при создании на основе МИС высокоэффективных тонкопленочных солнечных элементов.

Рис. 3. Спектры ФП пленок МИС в области длинноволРабота выполнена при поддержке международной пронового края фотоактивного поглощения при T = 300 K.

граммы ИНТАС.

TS, C: 1 — 1175, 2 — 1150, 3 — 1130, 4 — 900. TO = 330C.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Фотопроводимость пленок CuInSe2 Список литературы [1] S.Wagner, J.L. Shay, P. Migliorato, H.M. Kasper. Appl. Phys.

Lett., 25, 434 (1974).

[2] T.J. Coutts, L.L. Kazmerskii, S. Wagner. Copper Indium Diselenide for Photovoltaic Applications (Amsterdam: Elsevier, 1986) v. 37.

[3] J. Hedstrom, H. Olsen, M. Bodegard, A.K. Klyner, L. Stolt, D. Hariskos, M. Ruch, H.-W. Schock, Proc. 23rd IEEE Photovoltaic Spec. Conf., (IEEE, N.Y., 1993) p. 864.

[4] L. Stolt, J. Hadstrom, J. Kessler, M. Ruch, K.O. Velthaus, H.-W. Schock. Appl. Phys. Lett., 62, 597 (1993).

[5] J.R. Tittle, M.A. Contreras, J.S. Word, A.M.Gabor, K.R. Ramanathan, A.L. Tennant, L. Wang, J. Keane, R. Noufi.

1st World Conf. On Photovoltaic Energy Conversion, (Hawai, 1994).

[6] J.E. Jaffe, A. Zunger. Phys. Rev. B, 29, 1882 (1984).

[7] S.-H. Wei, A. Zunger. Cryst. Res. Technol., 31, 81 (1996).

[8] H. Yamaguchi, Y. Kuwachara, H. Oyanagi, H. Nakanishi, T.

Irie. Jpn. J. Appl. Phys., 33, 567 (1994).

[9] J. Parkers, R.D. Tomlinson, M.J. Hampshire. J. Appl. Cryst., 6, 414 (1973).

[10] B.M. Keyes, J. Tuttle, J. Sites, A. Tennant, S. Asher, M. Contreras, K. Ramanathan, A. Gabor, J. Webb, R. Ahzenkiel, R. Noufi. Cryst. Res. Technol., 31, 439 (1996).

[11] T. Ohashi, A. Jager-Waldau, T. Miyazawa, Y. Hashimoto, K. Ito. Cryst. Res. Technol., 31, 435 (1996).

[12] R. Herberholz, T. Walter, H.-W. Schock. Cryst. Res. Technol., 31, 449 (1996).

[13] В.Ю. Рудь. Автореф. канд. дис. (ФТИ РАН, СПб., 1995).

[14] М.А. Магомедов, Г.А. Медведкин, И.К. Полушина.

Ю.В. Рудь. ЖНМ, 28, 679 (1992).

[15] Н.Н. Константинова, М.А. Магомедов, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь. ФТП, 25, 2047 (1991).

[16] Физико-химические свойства полупроводников. Справочник (М., Наука, 1979).

Редактор В.В. Чалдышев Photoconductivity of CuInSe2 films V.Yu. Rud, Yu.V. Rud State Technical University, 195251 St. Petersburg, Russia A.F. Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia

Abstract

Thin films of CuInSe2 were prepared by vacuum single–source evaporation under different conditions from the preliminary synthesized bulk material. Photoconductivity spectra of films were obtained at room temperature. It was found that photoconductivity of these films strongly depends on fabrication conditions, particularly on the source temperature. A shift of the long–wavelength photoabsorption edge and evolution of photoconductivity spectra of the films has been observed. This behaviour can be explained by taking into consideration deviations of the condensed phase composition from CuInSe2 stoichiometry.

The phenomenon observed may be used in creating CuInSe2 thin film photoconvertors of high efficiency.




© 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.