Автореферат (Морфология и электрофизические свойства фоточувствительных слоев на основе PbS), страница 2

Особое внимание было уделено сведениям о роликислорода в очувствлении ФЧС и кислородосодержащих прослоек (КСП) междукристаллитами. По литературным данным было установлено, что можно ожидать вКСП химически и физически связанный кислород.Выбраны параметры и характеристики ФЧС, позволяющие определитьпригодность слоев для использования в СЭ: фоточувствительность, спектральнаяплотность мощности шума, спектральная и шумовая характеристики.На основе анализа литературы была сформулирована цель работы,заключающаяся в том, чтобы 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 указанной цели было необходимо провести исследованиеморфологии и состава ФЧС на основе PbS, определить взаимосвязи параметров ихарактеристик ФЧС и их морфологии и на этой основе сформулировать требованияк технологическому процессу для формирования ФЧС тандемных СЭ имногоэлементных матриц «смотрящего» типа.Вторая глава посвящена разработке методов измерения, обработки иисследований ФЧС; приведены характеристики используемой аппаратуры.Для измерения фотоэлектрических параметров и характеристик ФЧСиспользовалась автоматическая система электрофизических измерений ASEC-03,позволяющая, кроме исследования вольт-амперных и люкс-амперныххарактеристик, осуществлять зарядовую релаксационную спектроскопию глубокихуровней (Q-DLTS), емкостную спектроскопию глубоких уровней (С-DLTS).

Крометого для измерения фотоэлектрических параметров использовалась широкоизвестная установка К54.410, позволяющая исследовать сигнал от абсолютночерного тела (АЧТ), моделирующего солнечное излучение, и шум ФЧС на частоте400, 800 и 1200 Гц. Для исследования спектральной плотности мощности шумаФЧС (с математической обработкой по алгоритму быстрого преобразованияФурье) и спектральных характеристик использовалось оборудование на базестандартных приборов (нановольтметров, усилителей и монохроматора ИКС-21).7Исследование морфологии и структуры ФЧС осуществлялось настандартном оборудовании: туннельная и атомно-силовая микроскопия – назондовых нанолабораториях ИНТЕГРА Прима и Solver PRO-M производствакомпании NT – MDT (Зеленоград), кроме того использовался растровыйэлектронно-ионный микроскоп Helios NanoLab 600 с системой энергетическогодисперсионного рентгеновского микроанализа, растровый электронный микроскопVEGA II SBU фирмы Tescan и просвечивающие электронные микроскопы TecnaiG2 20 TWIN и S/TEM Titan 80-300 (FEI, США).Дляисследованияхимическогосоставапленокиспользоваласьрентгенофотоэлектронная и Оже-спектроскопия ФЧС на установке LHS-10(Германия).Третья глава посвящена описанию технологии исследуемых образцов ФЧС,полученных химическим и физическим осаждением с последующим прогревом до800 К (очувствлением).Четвертая глава посвящена результатам исследования ФЧС.На первом этапе было проведено исследование несколько десятков ФЧС,изготовленных как физическим напылением, так и химическим осаждением.Типичные значения темновых сопротивлений ФЧС варьировались для физическихФЧС от 0,1 до 1,5 МОм при среднем значении 0,5 МОм, для химических - от 0,2 до10 МОм при среднем значении 0,7 МОм.

Были проведены исследования вольтамперных (ВАХ) и люкс-амперных (ЛАХ) характеристик ФЧС на установке ASEC03E, описанной в разделе 2. ВАХ всех ФЧС была омической, что осложнилоисследование релаксации глубоких уровней (ГУ). На рисунке 1 представленытипичные сигналы Q-DLTS при различных температурах образца и различныхнапряжениях, подаваемых на ФЧС.600dQ (pC)500dV=1vdV=3vdV=5vdV=6vdV=7vdV=10vdV=12v400300200100034567lg(tm) (lg(us))Рисунок 1 – Сигналы Q-DLTS при различных температурах образца инапряжении смещенияПри этом на спектре присутствует только один пик A, максимум которогорасположен при значении lg m , мкс  5,5 . Так как положение пика при нагреве неменялось, было сделано предположение, что имеет место наложение сигналов от8нескольких ГУ с близкими значениями энергии активации.

Наиболее вероятно, чтоданный пик вызван поверхностными состояниями, обусловленными связанным илинесвязанным кислородом. Для проверки степени связанности кислорода вблизи сФЧС была нанесена капля этанола. Результаты реакции ФЧС на этанолпредставлены на рисунке 2, на котором черная линия и вставка (величинамаксимума порядка 0,15 нКл) соответствуют положению максимума довоздействия этанола.Рисунок 2 – Q-DLTS спектр с этанолом на поверхности ФЧС. На вставке – спектрбез этанолаПосле воздействия этанола на поверхность образца сигнал резко увеличилсяна более чем 2 порядка величины.Как известно, уже при температурах ~ 300°С и выше молекулярный кислородхемосорбируется на поверхности в заряженной форме O2 . При внесении визмерительную камеру этанола он и отрицательно заряженный кислород вступаютв реакцииСН3СН2OH → С2Н4(адс) + H2OС2Н4(адс) + 3O2–(адс) = 2СO2 + 2H2O +3e–.В результате образуются свободные электроны, увеличивающие сигнал в QDLTS спектре.Таким образом, подтверждается тот факт, что обнаруженный пик в спектре QDLTS связан с физически адсорбированным (слабосвязанным) кислородом в КСП.Одновременно было показано, что ФЧС можно использовать в качестве сенсоровна этанол.9Одновременно с исследованием ВАХ исследовалось поведение темновогосопротивления ФЧС при нагреве до 100 и 500 оС с целью выявления в КСПхимически и физически связанного кислорода и его влияние на параметры ихарактеристики ФЧС.

Оказалось, что у химически осажденных и высокоомныхфизически напыленных ФЧС характер изменения сопротивления одинаков: принагреве сопротивление монотонно падало, при охлаждении росло. По линейнымучасткам кривых была определена энергия активации проводимости Еакт=0,1…0,16 эВ. У низкоомных «физических» слоев в температурных зависимостяхнаблюдается воспроизводимый минимум при температуре 60…70 оС, после этогосопротивление начинает расти с наклоном Еакт =0,1…0,4 эВ.После исследования темнового сопротивления типичные высокоомные (>700 кОм) и низкоомные (< 700 кОм) ФЧС монтировались во временные корпуса, иу них на установке, описанной во второй главе, исследовалась спектральнаяплотность мощности шума (СПМШ) при различных смещениях и спектральнаяхарактеристика чувствительности.Исследования СПМШ показали, что только у ФЧС, полученных физическимметодом в диапазоне измерения (от 1 Гц до 100 кГц) наблюдается шум обратнопропорциональный частоте измерения (шум типа 1/ f  ).

У ФЧС, полученныххимическим методом, наблюдается участок с преобладанием постоянногогенерационно-рекомбинационного шума (ГРШ). Необходимо отметить, что прионагреве до 500-600 С СПМШ химически осажденных структур приобретает вид,характерный для физически напыленных структур, т.е. с шумом типа 1/ f  во всемчастотном диапазоне.Спектральные характеристики ФЧС можно разделить на типичные (рисунки3,а и 3,б) и нетипичные (рисунки 3,в и 3,г).Для ФЧС, полученных физическим напылением с последующим прогревомдо 800 К, типичные спектральные характеристики (рисунок 3,а) имеют одинмаксимум вблизи 2,5 мкм и «красную границу» (λ″) вблизи 3,1 мкм,соответствующей ширине запрещенной зоны PbS. Для типичных химическиосажденных слоев спектральные характеристики имеют несколько максимумов иположение λ″ около 2,7 мкм.Нетипичные спектральные характеристики у химически осажденных ФЧСимели заниженное значение чувствительности либо вблизи 2,5 мкм(длинноволновый), либо в области 1,3-1,5 мкм (коротковолновый).10100%10080806060%4040202003фамкм2.12в1000,911,11,21,31,41,51,61,71,81,922,12,22,32,42,52,72,92фб00,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 3,1 3,31фб19.12мкм100б808060%4060%40г2019.120мкм0,911,11,21,31,41,51,61,71,81,922,12,22,32,42,52,72,90мкмв0,911,11,21,31,41,51,61,71,81,922,12,22,32,42,52,72,920Рисунок 3 – Спектральные характеристики физически напыленных (а)и химически осажденных (б, в, г) ФЧС«Голубой» сдвиг (сдвиг в коротковолновую область) λ″ у химическиосажденных слоев можно объяснить несколькими причинами.

Так еще СоминскийМ.С. в [1] объяснял его неоптимальностью толщины ФЧС. Спектральныехарактеристики химических ФЧС имеют снижение чувствительности в области 0,91,3 мкм и несколько максимумов, которые можно связать со встраиваниемкислорода в сульфид свинца (при этом ширина запрещенной зоны, естественно,увеличивается). Можно также предположить влияние эффекта Мосса-Бурштейна,проявляющийся в некоторых кристаллитах, о чем будет сказано ниже.После исследования СПМШ и спектральных характеристик ФЧСизвлекались из временных корпусов, и исследовалась их морфология с помощьюсканирующих зондовых микроскопов NteGRA Prima и Solver PRO-M.На рисунке 4 приведены сканы фоточувствительного слоя, полученногометодомфизическогонапылениядоегоочувствления(т.е.довысокотемпературной термообработки), а на рисунке 5 – после термообработки.Как видно из рисунков, поверхность пленок очень развитая, поэтому именнозондовые исследования оптимальны с точки зрения исследования морфологииповерхности, так как они позволяют не только качественно, но и количественнооценить размеры различных деталей структуры.

Высота деталей структурыдостигает 40 – 60 нм.11Рисунок 4 – Изображение поверхности Рисунок 5 – Поверхность ФЧС послеФЧС (до термообработки)термообработкиПоверхность пленки представляет из себя систему оптических ловушек дляпадающего излучения (уменьшает коэффициент отражения поверхности ФЧС),однако слишком развитая поверхность приводит к преобладающей ролиповерхности (особенно для однослойных структур, полученных химическимметодом).