Создание и исследование однопереходных гетероструктур солнечных элементов на основе широкозонных полупроводников

Объект исследования: технологии получения тонких плёнок, подложек из пористого кремния (ПК), плёнки ZnO и гетероструктуры на их основе. Цель: поиск оптимального по фотовольтаическим характеристикам материала для гетероструктур солнечных элементов Ag/p-Si/n-широкозонный полупроводник/Ag. Приведены результаты исследования кристаллической структуры, химического состава и морфологии поверхности тонких плёнок и гетероструктур. Разработана технология получения пористого кремния и нанесения тонких плёнок методами многократного центрифугирования и ВЧ-магнетронного напыления. Проведено исследование вольтамперной характеристики полученной гетероструктуры Al/Ag/p-Si(100)/ПК/ZnO/Ag/Al. Показано, что нанесение пассивирующего слоя SiC на многослойную плёнку ZnO улучшает свойства диодной гетероструктуры. Полученная в результате гетероструктура Al/Ag/p-Si(100)/ПК/ZnO/SiC/Ag/Al обладала большим прямым максимальным током и максимальным обратным напряжением. Получены слои пористого кремния с порами заполненными вторичным кремнием. В зависимости от времени травления полученные образцы обладали различной толщиной слоя ПК. Установлено, что механизмом транспорта во вторичном кремнии на переменном токе является прыжковая проводимость с коррелированным барьером. Получены температурные зависимости основных параметров, характеризующих этот процесс: глубина залегания уровня положительно заряженных дефектов (доноров) Wm и характерное время между перескоками носителей заряда между двумя локализованными состояниями. Величина Wm демонстрирует линейную зависимость от температуры и при Т = 300 К для образца № 1 Wm = 0,265 эВ, а для образца № 2 Wm = 0,154 эВ. Рассчитаны значения дрейфовой подвижности и концентрации носителей заряда в слое вторичного/пористого кремния и его относительная диэлектрическая проницаемость. Плёнки Cu₂ZnSnS₄ (CZTS), полученные методом ВЧ-магнетронного напыления, исследованы с помощью методов сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии и рамановской спектроскопии. Установлено, что плёнки CZTS, нанесённые на холодную подложку, имели аморфный характер, в то время как плёнки, нанесенные на подложку при температуре Ts = 450°C, были нанокристаллическими и имели тетрагональную структуру с пространственной группой I4̅2m. Полученные плёнки имели небольшой дефицит серы, что может быть при необходимости устранено низкотемпературным отжигом в квазизамкнутом объёме в присутствии паров серы. Показано, что ВЧ-магнетронное нереактивное напыление из твёрдой мишени CZTS является простым и эффективным способом нанесения как аморфных, так и кристаллических плёнок. Полученные таким образом плёнки Cu₂ZnSnS₄ могут использоваться в качестве поглощающего слоя в солнечных элементах, созданных на основе экологически чистых материалов. Материалы могут быть использованы в процессе преподавания таких дисциплин, как «Физические основы электроники», «Материалы и методы нанотехнологии в физике». Практическая ценность пористого кремния, полученного в различных технологических режимах, экологически чистого и дешёвого материала Cu₂ZnSnS₄ и гетероструктур, полученных многократным центрифугированием широкозонного материала ZnO, создаёт предпосылки для использования этих материалов и гетероструктур в фотовольтаике. Область применения этих материалов – разработка и производство электронных приборов нового поколения.