Телефон: +7 (383)-202-16-86

Статья опубликована в рамках: Научного журнала «Инновации в науке» № 10(86)

Рубрика журнала: Технические науки

Скачать книгу(-и): скачать журнал

Библиографическое описание:
Чекмарёв Е.А., Уткина Е.А. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ СЕЛЕКТИВНОГО ОСАЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ СУЛЬФИДА ОЛОВА ДЛЯ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ // Инновации в науке: научный журнал. – № 10(86). – Новосибирск., Изд. АНС «СибАК», 2018. – С. 12-14.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ СЕЛЕКТИВНОГО ОСАЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ СУЛЬФИДА ОЛОВА ДЛЯ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Чекмарёв Евгений Андреевич

аспирант, Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Беларусь, г. Минск

Уткина Елена Апполинарьевна

канд. техн. наук, доц. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Беларусь, г. Минск

DEVELOPMENT OF TECHNOLOGICAL REGIMES OF SELECTIVE DEPOSITION OF SEMICONDUCTOR FILMS ON THE BASIS OF TIN SULFIDE FOR PHOTOELTATIC ELEMENTS

 

Yauheni Chekmarev

Belarusian State University Of Informatics and Radioelectronics

Republic of Belarus, Minsk

Elena Utkina

Scientific adviser, PhD, Associate Professor

Republic of Belarus, Minsk

 

АННОТАЦИЯ

В статье предложены технологические режимы селективного осаждения полупроводниковых пленок на основе сульфида олова для фотовольтаических элементов.

ABSTRACT

The technological modes of selective deposition of semiconductor films based on tin sulphide for photovoltaic elements are proposed in the article.

 

Ключевые слова: солнечный элемент, селективное осаждение, пленки сульфида олова, фотовольтаический элемент, режимы осаждения.

Keywords: solar cell, selective precipitation, tin sulphide films, photovoltaic cell, deposition regimes.

 

Среди халькогенидов олова SnS и SnS2 представляют наибольший интерес благодаря подходящим оптоэлектронным свойствам для фотовольтаических применений. Благодаря оптимальной ширине запрещенной зоны, высокому коэффициенту поглощения и р-типу проводимости SnS является хорошим кандидатом в качестве слоя-поглотителя в тонкопленочных солнечных элементах (СЭ), тогда как SnS2 благодаря более широкой запрещенной зоне и n-типу проводимости является нетоксичной заменой для слоя окна.

Несмотря на то, что в настоящее время кпд СЭ на основе сульфидов олова достигает всего 1,3%, теоретически эта цифра может достигать 24% [1]. Низкая эффективность обусловлена дефектностью и наличием примесей в сульфидах олова. Поэтому актуальным является разработка новых методов и совершенствование уже известных методов осаждения пленок халькогенидов олова. Цель работы — предложить технологические режимы селективного осаждения полупроводниковых пленок на основе сульфида олова для фотовольтаических элементов.

Опираясь на результаты проведенного анализа существующих методов осаждения полупроводниковых слоев, были выбраны метод электрохимического осаждения тонких пленок сульфидов олова в гальваностатическом режиме, а также метод химического SILAR осаждения.

Анализ используемых режимов электрохимического осаждения пленок сульфида олова показал, что условием одновременного электрохимического осаждения Sn и S является соотношение [2]:

 

ESn = ES,                                                                    (1)

 

где ESn и ES равновесные потенциалы осаждения элементов Sn и S, соответственно. Механизм формирования SnS включает две реакции, которые имеют место одновременно на поверхности катода:

 

Sn2+ + 2e- « Sn(тв)                                                       (2)

S2O32- + 6H+ + 4e- « 2S + 3H2O.                                        (3)

Согласно уравнению Нернста, равновесный электродный потенциал приведенных реакций можно выразить следующим образом:

 

                                              (4)

                                    (5)

 

В уравнениях (4) и (5) Е0 и а обозначают стандартный равновесный электродный потенциал и активности соответствующих ионов в объеме электролита (они приблизительно соответствуют концентрации для электролита с низкой концентрацией), R – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура, F – постоянная Фарадея. Приведенные выше выражения свидетельствуют, что рН оказывает непосредственное влияние на характер осаждаемых пленок SnS, что подтверждается экспериментальными данными. (Из-за поляризующего действия потенциал осаждения элемента должен быть равен его равновесному потенциалу плюс его перенапряжение g).

 

       (6)

 

          (7)

 

Путем подстановки формул (4) и (5) в формулу (1), можно получить следующую формулу

 

.                          (8)

Здесь hSn – перенапряжение элемента Sn, а hS – перенапряжние элемента S. Перенапряжение h задается уравнением Тафеля

 

.                                                      (9)

  

Здесь J – плотность тока, a и b – константы, которые характеризуются материалами электродов и электролитом. Чтобы осадить Sn и S в соотношении 1/1 на катоде, каждый параметр следует подгонять так, чтобы он удовлетворял формуле (1).

Особенностью гальваностатического режима осаждения [3] является возможность использования двухэлектродных ячеек, что делает процесс более простым и эффективным с точки зрения стоимости. Как известно [4,5], общей практикой является использования в качестве анода платиновой пластины. Кроме высокой стоимости платинового электрода, он имеет тенденцию корродировать в серосодержащей среде в процессе непрерывного использования. Поэтому в работе [3] для гальваностатического ЭХ осаждения использовали сравнительно дешевый высокочистый графитовый стержень. Еще одним преимуществом графитового электрода является осаждение на поверхности большой площади. В данной работе предпринята попытка ЭХ осаждения пленок SnS на стеклянную подложку, покрытую ITO и CdS. Длительность осаждения составляла примерно 2 часа при плотности тока 1 мА/см2 с использованием графитового анода. Скорость роста SnS была невысокой в сравнении со скоростью осаждения на подложку, непокрытую ITO, очевидно из-за высокого слоевого сопротивления CdS. Толщина слоя SnS составляла 400 нм.

Установлено [4], что примерно стехиометрическая по составу пленка с однородно расположенными по поверхности зернами формировалась при рН = 3,00. Варьируемое значение рН электролита и его состав оказывают непосредственное влияние на стехиометрию и скорость роста ЭХ осаждаемых пленок.

В таблице 1 [6] представлена сравнительная оценка состава осажденных пленок в зависимости от рН электролита, а в таблице 2 [6] установлено влияние плотности тока осаждения на состав получаемых пленок.

Таблица 1.

Состав пленок SnS, в зависимости от рН электролита [6]

Условия осаждения

Sn2+/S2O32- = 1/5, J = 3 мА/см2, t = 1,5 час

рН

1,5

2,0

2,5

3,0

4,0

Состав

Sn0,82/S1,18

Sn0,89/S1,11

Sn0,98/S1,02

Sn1,09/S0,91

Sn1,15/S0,85

 

Таблица 2.

Состав пленок SnS, осажденных при плотности тока от 1 до 5 мА/см2 [6]

Условия осаждения

Sn2+/S2O32- = 1/5, рН = 2,5, t = 1,5 час

J, мА/см2

1

2

3

4

5

Состав

Sn0,88/S1,12

Sn0,93/S1,07

Sn0,98/S1,02

Sn1,08/S0,92

Sn1,13/S0,87

 

Таким образом, наиболее оптимальными условиями для получения пленок стехиометрического состава в гальваностатическом режиме является использование электролита с рН не более 2,0-2,5 при плотности тока не выше 3 мА/см2 .

Осаждение производилось в двухэлектродной ячейке при температуре 60 - 80°С. Электролит электроосаждения на основе деионизованной воды включал 10 мМ/л SnSO4 и 50 мМ/л Na2S2O3 с контролируемым pH ~ 2,0 – 3,0 путём добавления H2SO4. Учитывая особенности электроосаждения в пористую матрицу, для предотвращения образования коллоидной серы, процесс проводился при пониженной плотности тока ~ 0,1 - 0,3 мА/см2 в течение 100 - 180 минут.

На рисунке 1 представлено СЭМ изображение поперечного скола наноструктурированной композитной металл-диэлектрической подложки с осажденным в поры сульфидом олова SnS. Метод рентгеноструктурного анализа подтвердил наличие фазы SnS.

SILAR (successive ionic layer adsorption and reaction) метод осаждения позволяет получать чистые поликристаллические пленки с размерами кристаллитов 8-11 нм. Они полностью окисляются до SnO2 при термообработке при температуре 400°С на воздухе в течение 1 часа. Получаемые пленки слегка обогащены ионами олова и содержат некоторую концентрацию кислорода. Других примесей в пленках не наблюдается [7,8].

Для осаждения пленок сульфида олова использовали наноструктурированные металл-диэлектрические и металлические подложки. В качестве исходных растворов использовали: 0,05M Na2S и SnCl2. Для получения растворов такой концентрации первоначально готовили более концентрированные растворы (0,1M) с последующим их разбавлением. В раствор добавляли 5 мл 0,05M NaCl+ ~1мл триэтанол-амина.

 

Рисунок 1. СЭМ изображение поперечного скола матрицы ПОА с осажденным слоем SnS

 

Последовательность процесса осаждения:

  • Окунание в раствор олова – 8 с вертикально (комнатная температура);
  • Окунание в воду 8 с (именно окунание, а не тщательная промывка);
  • Окунание в раствор Na2S - 8 с;
  • Окунание в воду – 8 с.

Вода для окунания должна быть одна и та же. Для получения слоя SnS2, предварительно сформированная пленка SnS подвергалась термическому отжигу на воздухе при температуре 300°С. Для получения гетероперехода на сформированную пленку SnS2 наносили следующий слой SnS.

По результатам проведенной работы разработаны технологические режимы селективного осаждения полупроводниковых пленок на основе сульфида олова для фотовольтаических элементов.

 

Список литературы:

  1. Hill, J. J. Direct Fabrication of High-Aspect Ratio Anodic Aluminum Oxide with Continuous Pores on Conductive Glass / J. J. Hill, K. Haller, K. J. Ziegler // J. Electrochem. Soc. – 2011. V. 158 . - P.E1-E7
  2. Subramanian, B. Photoelectrochemical characteristics of brush plated tin sulfide thin films / B. Subramanian, C. Sanjeeviraja, M. Jayachandran // Solar Energ. Mater. and Solar Cells. - 2003. – V. 79, N 1. – P. 57-65
  3. Photovoltaic effect of tin disulfide with nanocrystalline/amorphous blended phases / F.Tan [et al.] // Solid Stat. Commun. - 2010. V.150. – P.58-61
  4. Tin Sulfide Thin Films by Pulse Electrodeposition: Structural, Morphological, and Optical Properties / N. R. Mathews [et al.] // J. Electrochem. Soc. - 2010. – V. 157, N3. - PP. H337-H341
  5.  Characterization and Optical Properties of the Single Crystalline SnS Nanowire Arrays / G. H. Yue [et al.] // Nanoscale Res. Lett. - 2009. – V. 4. – P.359–363
  6.  Cheng, S. Characterization of SnS films prepared by constant-current electrodeposition / S. Cheng, Y. Chen, C. Huang, G. // Thin Solid Films. - 2006. – V. 500. – PP. 96 – 100
  7. Preparation of SnS films with zinc blende structure by successive ionic layer adsorption and reaction method / C. Gao [et al.] // Mater. Lett. – 2010. - V.64. – PP. 2177–2179.

Оставить комментарий

Форма обратной связи о взаимодействии с сайтом