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

1ОГЛАВЛЕНИЕПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ ...................................................... 4ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................. 51 АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ .....................................................

101.1 Фоточувствительные слои на основе PbS............................................ 161.2 Роль кислорода .......................................................................................... 331.3 Основные параметры ФЧС .................................................................... 35Постановка задачи .............................................................................................. 412.МЕТОДЫИЗМЕРЕНИЙПАРАМЕТРОВ,ОБРАБОТКИИИССЛЕДОВАНИЙ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СЛОЕВ ..........................

422.1. Измерение фотоэлектрических параметров и характеристик ....... 422.1.1.Автоматическая система электрофизических измеренийASEC-03 422.1.2.Установка для измерения фотоэлектрических параметров 452.1.3. Установка для снятия спектра плотности мощности шума ..... 472.1.4. Установка для исследования спектральных характеристик ... 482.2. Термообработка исследуемых фоточувствительных слоев ............

492.3. Исследование морфологии и структуры ФЧС................................... 502.3.1.Электронная и ионная микроскопия ........................................ 502.3.2. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопии .... 522.3.3 .Электронно-ионный микроскоп Helios NanoLab 600 .............. 552.3.4. Растровый электронный микроскоп VEGA II SBU ....................

572.3.5. Просвечивающие электронные микроскопы Tecnai G2 20TWIN и S/TEM Titan 80-300 (FEI, США).................................................... 583. ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ ...................................................................... 6724.РЕЗУЛЬТАТЫИССЛЕДОВАНИЯФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХСЛОЕВ (ФЧС) ........................................................................................................

704.1Исследование электрофизических свойств ФЧС ........................... 704.1.1 Исследование температурной зависимости сопротивленияФЧС.............................................................................................................. 704.1.2 Результаты DLTS ............................................................................. 734.1.3.Результаты исследования СПМШ ФЧС .................................. 804.1.4.Результаты исследования спектральной характеристикиФЧС...........................................................................................................

824.2 Исследование морфологии поверхности фоточувствительныхслоев ................................................................................................................... 854.2.1. Применение сканирующей зондовой микроскопии.................... 864.2.2. Применение растровой электронной и ионной микроскопиидля исследования свойств ФЧС ................................................................... 974.3 Исследование состава ФЧС ..................................................................

1054.3.1 Исследование состава ФЧС с помощью энергодисперсионногоанализа ............................................................................................................ 1054.3.2 Исследование состава ФЧС с помощью рентгеновскойфотоэлектронной спектроскопии и оже-электронной спектроскопии........................................................................................................................... 1094.4.

Исследование фоточувствительных слоев с помощьюпросвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения 1134.5. Обсуждение результатов....................................................................... 116ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................. 122ЛИТЕРАТУРА ................................................................................................... 1243ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВk – постоянная Больцмана (8,617∙10–5эВ/К); СБ – постоянная Стефана-Больцмана (5,667∙10-12Вт∙см-2∙К-4); Т – темновая проводимость структуры;АСМ – атомно-силовая микроскопия;АЧТ – абсолютно черное тело;ВАХ – вольт-амперная характеристика;ГУ – глубокие уровни;ЛАХ – люкс-амперная характеристика;ГРШ – генерационно-рекомбинационный шум;ИК – инфракрасный;КПД – коэффициент полезного действия;КСП – кислородосодержащие примеси;СПМШ – спектральная плотность мощности шума;СТМ – сканирующая туннельная микроскопия;СЭ – солнечный элемент;ФП – фотоприемник;ФЧC – фоточувствительный слой.4ВВЕДЕНИЕАктуальность темыРазвитиецивилизациисопровождаетсяпостояннымувеличениемэнергопотребления.

Вопросы, связанные с обеспечением электроэнергиейотдаленных областей, весьма актуальны для Египта. Одним из решенийявляется преобразование в электричество энергии солнечного излучения.Действительно, за один час на Землю падает примерно 4,3 × 1020 Джсолнечной энергии, что примерно соответствует всей потребляемой напланете энергии в течение одного года.

Основная часть этой энергиииспускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2-3 мкм,причем на инфракрасную (ИК) область 1-3 мкм приходится 27% наповерхности Земли и 36% на высоте стационарной орбиты спутника. Вместес тем, доля электроэнергии получаемой преобразованием солнечногоизлучения в настоящее время не превышает 1% от электроэнергии,потребляемойвпреобразователеймире.Основнаясолнечнойпричинаэнергиииих–высокаястоимостьсравнительнонизкаяэффективность. Наиболее перспективными являются так называемыетандемные и триплетные (многопереходные) солнечные элементы (СЭ), КПДкоторых существенно выше, чем однопереходных солнечных элементов.Работ, относящихся к широкозонным полупроводникам для тандемных СЭ,достаточно много, значительно меньше работ, относящихся к ИК области.

Вкачествефоточувствительногослоя(ФЧС),обеспечивающегопреобразование излучения ИК области спектра в настоящей работепредлагается использовать пленки на основе узкозонного полупроводникаPbS. Этот материал используется в фоторезисторах, начиная с 30-х годов 20века, также как в газовых датчиках, различных анализаторах.

Несмотря надолгий срок использования материала и в связи с широким егоиспользованием в объектах обнаружения, многие вопросы, связанные с5физикой работы ФЧС остались неизвестными широкой публике. С другойстороны, современное оборудование позволяет ответить на вопросы, которыеранее не имели экспериментальных подтверждений.Цель диссертации – на основе изучения морфологии и состава ФЧС спомощью современного оборудования объяснить основные закономерностиизменения параметров и характеристики фоточувствительных слоев наоснове PbS, полученных различными технологическими методами и оценитьвозможность использования этих слоев в тандемных солнечных элементах ив других областях.Основные задачи исследований:Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы ирешены следующие задачи:1.

исследование морфологии и состава ФЧС на основе PbS;2. определение связи параметров и характеристик ФЧС и их морфологии;3. на основе проведенного анализа решение вопроса об оптимизациитехнологическогопроцесса,пригодногодляформированияФЧСтандемных СЭ и многоэлементных матриц «смотрящего» типа.Объекты и методы исследованийОбъектами исследования являются ФЧС на основе тонких пленок PbS,относящихся к халькогенидам свинца (полупроводники группы A4B6),полученные физическим напылением и химическим осаждением. Основнымиметодами исследования являются сканирующая зондовая микроскопия(туннельнаяипросвечивающаяатомно-силовая), растроваяэлектроннаяэнергодисперсионныймикроскопиямикроанализ,электроннаямикроскопия,высокогоразрешения,измеренияэлектрическихифотоэлектрических характеристик, построение соответствующих моделей.Основным методом оценки достоверности результатов является их сравнениес известными из литературы данными.6Научная новизна работы:1.

Для фоточувствительных слоев (ФЧС) на основе сульфида свинца,изготовленныхметодомхимическогоосаждения,впервыеэкспериментально подтверждено образование второй фазы на основесоединений свинца и углерода, возможность существования которойпредсказано в работах Г.А. Китаева. Показано, что образование этойфазы приводит к снижению чувствительности в коротковолновойобласти спектра.2. Обнаружена чувствительность слоев сульфида свинца к парам этанола,выражающаяся в зависимости величины максимума на спектрахзарядовой релаксационной спектроскопии центров захвата (Q-DLTS), отконцентрации паров.3. Впервые экспериментально доказана связь существования участкапреобладаниягенерационно-рекомбинационногошума(ГРШ)надшумом типа 1/ f  с наличием кислородосодержащей примеси (КСП) повсей глубине пленки ФЧС.4.

Исследования поверхности методом зондовой микроскопии показали,чтоснижениекоэффициента отражениядо20%(вместо37%,вытекающих из фундаментальных свойств материала) обусловленоналичием шероховатости поверхности в масштабах до 1,5 мкм.5. Показано, что увеличение концентрации химически связанногокислорода в слоях, полученных химическим осаждением, приводит с однойстороны, к увеличению сопротивления ФЧС, а с другой стороны к сдвигудлинноволновой границы чувствительности в коротковолновую областьблагодаря эффекту Мосса-Бурштейна.Практическаязначимостьрезультатовдиссертационногоисследования заключается в следующем:1.Выработаны рекомендации по технологическим требованиям ксозданию ФЧС на основе PbS для фоторезисторов (ФР) различного7назначения. Так для высокочастотных ФР предпочтительнее использованиеслоев PbS с минимальным содержанием кислорода.