ИССЛЕДОВАНИЕ  ПРОЦЕССА  ТРАНСФОРМАЦИИ  ТОНКИХ  ПЛЕНОК  CDS  К  CDTE

Мамед  Гусейналиев

канд. физ.-мат.  наук, 
Нахчыванское  отделение  НАН

Республика  Азербайджана,  г.  Нахчывань,

E-mail: 

INVESTIGATION  OF  TRANSFORMATION  PROCESSES  OF  CDS  THIN  FILMS  TO  CDTE

Mammad  Huseynaliyev

candidate  of  Science, 
Nakhchivan  Branch  of  Azerbaijan  National  Academy  of  Sciences, 
Republic  of  Azerbaijan,  Nakhchivan

АННОТАЦИЯ

В  настоящей  работе  были  изучены  трансформационные  процессы  тонких  пленок  сульфида  кадмия  к  теллуриду  кадмия  с  помощью  ионного  обмена  из  растворов  электролитов.  Показано,  что  обменные  процессы  охватывают  очень  небольшую  толщину  тонких  пленок  CdS.  Это  объясняется  тем,  что,  тонкая  пленка  CdS  покрывается  тонким  слоем  теллура,  чем  затрудняется  ионообменный  процесс.

ABSTRACT

At  present  work  was  learned  transformation  processes  of  cadmium  sulfide  thin  films  to  cadmium  telluride  by  ion-exchange  of  electrolytes  solutions.  It  was  showed,  that  exchange  processes  covers  a  very  small  thickness  of  CdS  thin  films.  It  was  supposed  that,  thin  film  covered  with  thin  layer  of  tellurium  make  difficulties  for  ion-exchange  processes. 

Ключевые  слова:  химическое  осаждение;  тонкие  пленки;  CdS;  CdTe;  трансформация;  ионообменные  процессы;  оптический  спектр  поглощения;  ширина  запрещенной  зоны.

Keywords:  chemical  deposition;  thin  films;  CdS;  CdTe;  transformation;  ion-exchange  processes;  optical  absorbtion  spectrum,  band  gap.

Введение

Полупроводниковые  соединения  II—VI  группы,  такие  как  CdS  и  CdTe  являются  перспективными  материалами  для  создания  на  их  основе  гетероперехода  CdS/CdTe  с  целью  использования  их  в  солнечных  элементах.  В  последнее  время  было  предпринято  много  усилий,  чтобы  произвести  наноразмерные  материалы,  потому  что  электрические  и  оптические  свойства  могут  быть  изменены  с  помощью  химического  контроля  над  размером,  стехиометрией  и  расстоянием  между  частицами.

Эти  материалы  были  синтезированы  с  помощью  различных  методов,  включая  пиролиза  металлоорганических  соединений,  золь-гель  синтеза  и  т.  д.  В  последние  годы  наблюдается  значительный  интерес  к  использованию  тонких  пленок  в  солнечных  элементах  [3].

Теллурид  кадмия  р-типа  проводимости  является  оптимальным  материалом  для  создания  высокоэффективных  пленочных  солнечных  элементов  наземного  применения.  Его  ширина  запрещенной  зоны,  составляющая  ~1,5  эВ,  хорошо  соответствует  максимуму  спектра  солнечного  излучения.  Это  соединение  характеризуется  также  высоким  коэффициентом  поглощения.  Максимальная  экспериментальная  эффективность  более  15,8  %  [1]  зарегистрирована  для  малой  площади  солнечного  элемента  на  основе  гетеросистем  CdS/CdTe  а  эффективность  в  промышленных  масштабах  составляла  КПД>10  %  [5]. 

В  тонких  пленках  CdS,  полученных  химическим  осаждением  наблюдается  высокая  фотопроводимость  [6].  Тем  не  менее,  производительность  и  воспроизводимость  солнечного  элемента  на  основе  CdTe  были  ограничены  обычной  конструкцией  устройства  SnO₂/CdS/CdTe,  которая  используется  более  чем  30  лет.

Получение  тонких  пленок  CdTe  методом  химического  осаждения  остается  проблемной  задачей  до  сих  пор.  Можно  встретить  статьи  некоторых  исследователей  о  выращивании  тонких  пленок  CdTe  методом  химического  осаждения.  Но,  во  всех  этих  работах  технология  получения  тонкой  пленки  не  полностью  описывается  или  в  этих  объяснениях  большое  количество  непонятных  моментов  [2].

Но  можно  подойти  к  проблеме  производства  тонкой  пленки  CdTe  с  другой  стороны.  Прежде  всего,  как  было  сказано  выше,  CdTe  является  материалом  солнечного  элемента  и  наиболее  подходящий  вариант  для  этого  соединения  является  использование  его  в  гетероструктуре  с  CdS.  Известно  также,  что  решающим  шагом  в  подготовке  солнечной  ячейки  на  основе  CdS/CdTe  является  осаждение  слоя  CdTe  толщиной  1,5—6  мкм.

В  предлагаемом  нами  методе  процесс  непосредственного  выращивания  слоя  CdTe  исключается,  а  получение  этого  слоя  над  тонкой  пленкой  CdS  осуществляется  с  помощью  преобразования  определенной  толщины  открытой  поверхности  тонкой  пленки  CdS  к  CdTe.  Трансформация  CdS  в  CdTe  может  открыть  большие  перспективы  в  направлении  производства  солнечных  батарей  на  основе  CdS  /CdTe.

Каждая  технологическая  инновация  позволяет  выявить  новые  качества  соединений.  Производство  тонкой  пленки,  мелкого  порошка  CdTe,  и  гетероперехода  CdS/CdTe  этим  методом  обуславливает  открытие  новых  уникальных  особенностей  этого  соединения  и  солнечных  элементов,  полученных  впоследствии.

В  этой  работе  изучается  процессы  трансформации  тонких  пленок  CdS,  полученных  методом  химического  осаждения  к  CdTe  путем  ионного  обмена  из  растворов  электролитов,  состоящих  из  ионов  двухвалентного  теллура.

Материалы  и  методы

Для  проведения  процесса  ионного  обмена  приготавливается  водный  электролитический  раствор,  состоящий  из  ионов  двухвалентного  теллура.  После  растворения  боргидрида  натрия  (NaBH₄)  в  дистиллированной  воде  мелкий  порошок  металлического  теллура  посыпают  в  дополнение  к  полученному  раствору.  В  результате  идет  следующая  реакция:

4NaBH₄+2Te+7H₂O2NaHTe+Na₂B₄O₇+14H₂  (1)

В  результате  диссоциации  NaHTe  в  растворе  генерируются  ионы  двухвалентного  теллура:

NaHTeNa⁺+H⁺+Te^2-  (2)

Ионный  обмен  происходит  после  погружения  тонкой  пленки  CdS  к  полученному  электролитическому  раствору,  ионы  теллура  замещают  ионы  серы  с  открытой  поверхности  тонкой  пленки  CdS:

CdS+Te^2-CdTe+S^2-  (3)

В  результате  этой  реакции  ионы  серы  переходят  в  раствор.  В  открытой  поверхности  тонкой  пленки  CdS  очень  малая  толщина  слоя  трансформируется  к  CdTe.  Со  стороны  открытой  поверхности  желтый  цвет  тонкой  пленки  CdS  получает  коричневую  окраску.

Проведенные  исследования  показали,  что  реализация  процесса  трансформации  возможна  только  для  очень  небольшого  слоя  с  определенной  толщиной  тонкой  пленки  CdS.  Если  тонкая  пленка  CdS  подверглась  преобразованию  один  раз,  то  следующим  погружением  ее  в  рабочий  электролитический  раствор  никаких  изменений  не  происходит.

Результаты  и  обсуждение

На  рисунке  1.  показан  оптический  спектр  поглощения  тонкой  пленки  CdS  до  и  после  трансформационного  процесса.

Рисунок  1.  Оптический  спектр  поглощения  тонкой  пленки  CdS  до  (1)  и  после  (2)  трансформационного  процесса

Как  показано  на  рисунке  1,  значения  оптического  поглощения  тонкой  пленки  CdS  после  трансформационного  процесса  (2)  при  любом  значении  энергии  больше  чем  до  преобразования  (1).

Как  известно  [6],  кристаллы  тонкой  пленки  CdS  имеют  прямые,  разрешенные  оптические  переходы  вблизи  края  фундаментального  поглощения.  В  этом  случае  для  спектральной  зависимости  коэффициента  поглощения  используется  формула:

  (4)

где  A  постоянная,  а  E_g  ширина  запрещенной  зоны  полупроводника.  Построение  кривой  от    в  соответствии  с  формулой,  дается  на  рисунке  2.  Экстраполяция  линейного  участка  функции    к  оси  энергии  позволяет  найти  значение  оптической  ширины  запрещенной  зоны  E_g,  которая  в  этом  случае  определяется  длиной  отрезка  отсекаемого  на  оси  энергии  .  Полученные  таким  образом  значения  E_g  для  тонких  пленок  CdS  до  и  после  трансформационного  процесса  соответственно  были  равны  2,42  эВ  и  2,26  эВ.

Рисунок  2.  Зависимости    от    тонких  пленок  CdS  до  (1)  и  после  (2)  трансформационного  процесса

Такое  изменение  ширины  запрещенной  зоны    соответствует  направлению  преобразования  от  CdS  (  эВ)  до  CdTe  (  эВ).

Для  тщательного  изучения  процесса  трансформации  мелкий  порошок  CdS,  который  осаждается  из  раствора  в  процессе  химического  осаждения,  был  погружен  в  рабочий  электролитический  раствор,  состоящий  из  ионов  двухвалентного  теллура.  Вскоре  темно-желтый  порошок  CdS  обратился  в  металлический  черный  цвет.

Можно  предположить,  что  размеры  тонкого  порошка  CdS  позволили  бы  полностью  осуществить  процесс  трансформации.  Но  рентгено-дифракционный  анализ  порошка  черного  цвета,  заведомо  полностью  считаемый  как  CdTe,  после  трансформации  CdS  к  CdTe  показал,  что  дифракционная  картина  в  основном  соответствует  кристаллам  CdS.  Полученные  результаты  могут  быть  объяснены  следующим  образом:  NaHTe  —  слабая  соль  и  поэтому  очень  быстро  подвергается  гидролизу.  В  результате  гидролиза  свободный  теллур  разлагается  и  выпадает  в  виде  осадка  на  тонкую  пленку  CdS  или  на  частицы  тонкого  порошка  CdS.  Это  покрытие  затрудняет  ионообменный  процесс.  В  результате  процесс  трансформации  осуществляется  только  в  очень  тонком  слое.

Заключение

Тонкие  пленки  CdTe  были  получены  с  использованием  тонких  пленок  CdS  в  качестве  первоначального  материала  методом  трансформации.

Из  спектра  оптического  поглощения  определена  ширина  запрещенной  зоны  тонкой  пленки  CdS,  равная  E_g=2,42  эВ,  которая  уменьшается  до  E_g=2,26  эВ  после  процесса  трансформации. 

Показано,  что  тонкая  пленка  CdS  покрываемая  тонким  слоем  теллура  затрудняет  ионообменный  процесс  и  трансформация  охватывает  очень  небольшую  толщину  тонких  пленок  CdS.

Список  литературы:

1. Britt  J.,  C.  Ferekides,  “Thin-film  CdS/CdTe  solar  cell  with  15,8  %  efficiency”,  Applied  Physics  Letters,  —  vol.  62,  —  pp.  2851—2852,  —  1993.
2. Deivanayaki  S.,  et.al.  “Optical  and  structural  characterization  of  CdTe  thin  films  by  chemical  bath  deposition  technique”,  Chalcogenide  Letters,  —  vol.  7,  —  pp.  159—163,  —  2010.
3. Lin  H.,  W.  Xia,  H.N.  Wu,  C.W.  Tang,  “CdS/CdTe  Solar  Cells  with  MoOx  as  Back  Contact  Buffers”,  Appl.Phys.  Lett.  97,  123504,  2010,  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://dx.doi.org/10.1063/1.3489414  .
4. Pelant  I.,  J.  Valenta“Luminescence  Spectroscopy  of  semiconductors”  Oxford  University  Press,  Inc.,  New  York,  2012.
5. Ullal  H.S.  et.al.,  Proc.  28-th  IEEE.  PVSC,  pp.  418—423,  2000.
6. Valiyev  Z.A.,  M.H.  Huseynaliyev,  “High  photoconductivity  in  CdS  thin  films  deposited  by  chemical  bath  deposition”,Journal  of  Physics  (Fizika),  Vol.  IX,  №  2,  pp.  58—59,  Institute  of  Physics,  Azerbaijan  National  Academy  of  Sciences,  Baku,  Azerbaijan,  2003.