Автореферат (Морфология и электрофизические свойства фоточувствительных слоев на основе PbS)

2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыРазвитиецивилизациисопровождаетсяпостояннымувеличениемэнергопотребления. Вопросы, связанные с обеспечением электроэнергиейотдаленных областей, весьма актуальны для Египта. Одним из решений являетсяпреобразование в электричество энергии солнечного излучения. Действительно, заодин час на Землю падает примерно 4,3 × 1020 Дж солнечной энергии, чтопримерно соответствует всей потребляемой на планете энергии в течение одногогода. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитногоизлучения в диапазоне 0,2-3 мкм, причем на инфракрасную (ИК) область 1-3 мкмприходится 27% на поверхности Земли и 36% на высоте стационарной орбитыспутника. Вместе с тем, доля электроэнергии получаемой преобразованиемсолнечного излучения в настоящее время не превышает 1% от электроэнергии,потребляемой в мире.

Основная причина – высокая стоимость преобразователейсолнечной энергии и их сравнительно низкая эффективность. Наиболееперспективными являются так называемые тандемные и триплетные(многопереходные) солнечные элементы (СЭ), КПД которых существенно выше,чем однопереходных солнечных элементов.Работ, относящихся к широкозонным полупроводникам для тандемных СЭ,достаточно много, значительно меньше работ, относящихся к ИК области.

Вкачестве фоточувствительного слоя (ФЧС), обеспечивающего преобразованиеизлучения ИК области спектра в настоящей работе предлагается использоватьпленки на основе узкозонного полупроводника PbS. Этот материал используется вфоторезисторах, начиная с 30-х годов 20 века, также как в газовых датчиках,различных анализаторах. Несмотря на долгий срок использования материала и всвязи с широким его использованием в объектах обнаружения, многие вопросы,связанные с физикой работы ФЧС остались неизвестными широкой публике. Сдругой стороны, современное оборудование позволяет ответить на вопросы,которые ранее не имели экспериментальных подтверждений.Цель диссертации – на основе изучения морфологии и состава ФЧС спомощью современного оборудования объяснить основные закономерностиизменения параметров и характеристики фоточувствительных слоев на основе PbS,полученных различными технологическими методами и оценить возможностьиспользования этих слоев в тандемных солнечных элементах и в других областях.Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решеныследующие задачи:1.

исследование морфологии и состава ФЧС на основе PbS;2. определение связи параметров и характеристик ФЧС и их морфологии;33. на основе проведенного анализа решение вопроса об оптимизациитехнологического процесса, пригодного для формирования ФЧС тандемных СЭ имногоэлементных матриц «смотрящего» типа.Объекты и методы исследований.Объектами исследования являются ФЧС на основе тонких пленок PbS,относящихся к халькогенидам свинца (полупроводники группы A4B6), полученныефизическим напылением и химическим осаждением. Основными методамиисследования являются сканирующая зондовая микроскопия (туннельная и атомносиловая), растровая электронная микроскопия, просвечивающая электроннаямикроскопия высокого разрешения, энергодисперсионный микроанализ, измеренияэлектрических и фотоэлектрических характеристик, построение соответствующихмоделей.

Основным методом оценки достоверности результатов является ихсравнение с известными из литературы данными.Научная новизна работы1. Для фоточувствительных слоев (ФЧС) на основе сульфида свинца,изготовленных методом химического осаждения, впервые экспериментальноподтверждено образование второй фазы на основе соединений свинца и углерода,возможность существования которой предсказано в работах Г.А. Китаева.Показано, что образование этой фазы приводит к снижению чувствительности вкоротковолновой области спектра.2. Обнаружена чувствительность слоев сульфида свинца к парам этанола,выражающаяся в зависимости величины максимума на спектрах зарядовойрелаксационной спектроскопии центров захвата (Q-DLTS) от концентрации паров.3.

Впервые экспериментально доказана связь существования участкапреобладания генерационно-рекомбинационного шума (ГРШ) над шумом типа1/ f  с наличием кислородосодержащей примеси (КСП) по всей глубине пленкиФЧС.4. Исследования поверхности методом зондовой микроскопии показали, чтоснижение коэффициента отражения до 20% (вместо 37%, вытекающих изфундаментальных свойств материала) обусловлено наличием шероховатостиповерхности в масштабах до 1,5 мкм.5. Показано, что увеличение концентрации химически связанного кислорода вслоях, полученных химическим осаждением, приводит с одной стороны, кувеличению сопротивления ФЧС, а с другой стороны к сдвигу длинноволновойграницы чувствительности в коротковолновую область благодаря эффекту МоссаБурштейна.4Практическая значимость работы заключается в следующем:1.Выработаны рекомендации по технологическим требованиям ксозданию ФЧС на основе PbS для фоторезисторов (ФР) различного назначения.

Такдля высокочастотных ФР предпочтительнее использование слоев PbS сминимальным содержанием кислорода. Для ФР с высокими требованиями кобнаружительной способности необходимо наличие кислорода, распределенногопо всей толщине слоя. Для ФР, чувствительных в диапазоне 1,0-1,7 мкм, недопускается выпадение в слое второй фазы на основе соединений углерода.2.Показано, что оптимальным методом формирования нижнегофоточувствительного слоя PbS в тандемных фотоэлектрических преобразователяхявляется химическое осаждение.3.Продемонстрирована возможность использования ФЧС на основе PbSв качестве сенсоров на этанол.Основные положения, выносимые на защиту:1.

Снижение фоточувствительности в коротковолновой области спектра вслоях сульфида свинца, изготовленных методом химического осаждения,обусловлено образованием второй фазы на основе соединений свинца и углерода.2. Чувствительность слоев сульфида свинца к парам этанола вызвана центрамизахвата, созданными физически адсорбированным кислородом.3. Участок преобладания генерационно-рекомбинационного шума над шумомтипа 1/ f  на спектральных зависимостях плотности мощности шума связан сналичием кислородосодержащей примеси (КСП).4. Наличие шероховатости поверхности слоев сульфида свинца в масштабе до1,5 мкм приводит к существенному снижению величины коэффициента отражения.Обоснованность научных положений основывается на их практическойреализации и проведенном комплексном анализе полученных результатов.Достоверность полученных результатов основана на использованиисовременного научного оборудования, и подтверждается их внутреннейнепротиворечивостью и непротиворечивостью публикациям других авторов.Реализация результатовПолученные в рамках диссертационной работы результаты были использованы вкурсах “Приемники оптического излучения и фотоприемные устройства”,“Полупроводниковые приемники оптического излучения” и “Оптоэлектроника”читаемых в НИУ «МЭИ» студентам Института радиотехники и электроники МЭИ,обучающимся в магистратуре по направлению 210100 (Электроника инаноэлектроника).

Результаты работы легли в основу поданной заявки навыполнение совместного российско-египетского проекта РФФИ – STDF5«Материалы для гибридных (органические и неорганические полупроводники)тандемных солнечных элементов с широкой областью поглощения в видимой иинфракрасной частях солнечного спектра» (заявка № 15-57-6101).Апробация работыОсновные результаты работы докладывались на XXIII Международнойнаучно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночноговидения (Москва, 2014 г.), на 41-43 Международных научно-методическихсеминарах «Шумовые (флуктуационные) и деградационные процессы вполупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология, учебныйпроцесс) (Москва, 2010 - 2013 гг.); на Международной научно-техническаяконференция «Инновационные технологии в науке, технике и образовании» г.Пицунда, Абхазия в 2010 г., на 18 и 19 Международных научно-техническихконференциях студентов и аспирантов МЭИ (ТУ) «Радиоэлектроника,электротехника и энергетика» (2012 и 2013 гг.).ПубликацииОсновное содержание диссертации отражено в 9 статьях и материалахконференций (из них 3 в журналах, включенных в перечень ВАК и одна взарубежном журнале, включенном в базы данных Web of Science и Scopus) и 2тезисах конференций.Личный вклад автора состоял в проведении экспериментальныхисследований, участии в обсуждении и анализе полученных результатов и внаписании научных публикаций по результатам работы.Объем и структура диссертации.Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, материал изложен на136 страницах, иллюстрирован 77 рисунками, 1 таблицей, список цитируемыхисточников насчитывает 108 наименований.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введение обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель изадачи, научные положения, новизна, практическая значимость.В первой главе представлен аналитический обзор публикаций,охватывающий различные аспекты исследования.Проведен анализ перспективности разработки солнечных элементов (СЭ), втом числе тандемных, для Египта.Проанализированы основные методы получения фоточувствительных слоевPbS как узкозонного полупроводникового слоя в тандемных фоточувствительныхслоях (ФЧС) СЭ.6Критически рассмотрены варианты формирования СЭ на базегетеропереходов и нанокристаллических структур для получения широкозонныхслоев тандемных СЭ.Проведен анализ доступных литературных данных по свойствамполикристаллических пленок на основе PbS, изготовленных химическим ифизическим осаждением.