Фотоелектричні властивості двошарових структур In(In-Ga)/CuInS2-ZnIn2S4

Abstract

У випускній кваліфікайній роботі одержано фоточутливі поверхневобар’єрні структури In/CuInS2-ZnIn2S4 та In-Ga/CuInS2-ZnIn2S4 та досліджено спектральний розподіл фотонапруги цих структур при Т=300 К. На основі проведених досліджень проаналізовані особливості спектрів фотонапруги. Сонячна енергетика сьогодні належить до найдинамічніших та найперспективніших галузей серед відновлюваних джерел енергії. Пошук матеріалів, здатних забезпечити високу ефективність перетворення світлової енергії на електричну, залишається ключовим завданням сучасної фотоенергетики. Серед таких матеріалів особливу увагу привертають напівпровідникові сполуки CuInS₂ та ZnIn₂S₄, які вирізняються значним коефіцієнтом оптичного поглинання та шириною забороненої зони, близькою до оптимальної для сонячних елементів. Останнім часом у наукових публікаціях дедалі частіше розглядається можливість використання кристалічних твердих розчинів на основі CuInS₂–ZnIn₂S₄ як потенційної бази для створення нових поколінь фотоелектроперетворювачів. Такі матеріали поєднують структурні та електрофізичні особливості обох компонентів, що відкриває можливість цілеспрямованого керування їхніми властивостями. Зростаючий інтерес до сполук CuInS₂ та ZnIn₂S₄ стимулює розробку сучасних технологій синтезу, модифікації поверхні та аналізу параметрів різноманітних поверхнево-бар’єрних структур на їх основі. Сукупність цих чинників формує наукову та практичну актуальність проведеного дослідження. У першому розділі кваліфікаційної роботи розглянуті та проаналізовані основні контактні явища, які виникають на межі двох твердих тіл (напівпровідники, метали) і які знайшли використання в прикладній фізиці, техніці та електроніці. Другий розділ кваліфікаційної роботи присвячений дослідженню методики одержання та дослідженню фотовольтаїчних властивостей поверхнево-бар’єрних структур In/CuInS2-ZnIn2S4 та In-Ga/CuInS2- 3 ZnIn2S4. У третьому розділі представлені результати експериментальних досліджень поверхнево-бар’єрних структур In/CuInS2-ZnIn2S4 та In-Ga/CuInS2- ZnIn2S4, їх аналіз та обґрунтування. Наукова новизна досліджень, проведених у роботі, полягає в тому, що під час освітлення структур In/CuInS2-ZnIn2S4 із вмістом 8 мол.% ZnIn2S4 з боку шару CuInS2-ZnIn2S4 у спектрі фотонапруги спостерігався один виразний максимум. Його енергетичне положення відповідало квантам світла з енергією приблизно hν≈1,53 еВ. Коли ж зразки освітлювали зі сторони напівпрозорого індієвого шару, у спектрі виникали вже два максимуми, поблизу hν≈1,44 еВ та hν≈1,60 еВ. Подібна ситуація фіксувалася й для діодних структур із вищим вмістом ZnIn2S4 (12 мол.%). Для цих зразків при освітленні через монокристалічну підкладку спостерігалося зміщення основного максимуму фотонапруги до області hν≈1,56 еВ, що узгоджується зі збільшенням ширини забороненої зони CuInS2-ZnIn2S4 у разі зростання концентрації ZnIn2S4. Найвищі значення фотонапруги серед структур In–Ga/CuInS2-ZnIn2S4 були притаманні зразкам саме з 12 мол.% ZnIn2S4. При освітленні зі сторони напівпровідникової підкладки у спектрі проявлявся вузький максимум, розташований біля hν≈1,44 еВ. Якщо ж світло падало на поверхню евтектики In– Ga, то, окрім виразного максимуму, пов’язаного з власними оптичними переходами (hν≈1,68 еВ), у довгохвильовій ділянці виникала слабша сходинка. Вона зумовлена домішковими центрами поглинання, що асоціюються з вакансіями міді VCu, характерними для подібних сполук. Практичне значення результатів полягає в тому, що завдяки наявності чітких та вузьких піків у спектрах фотонапруги, структури типу In(In–Ga)/ CuInS2-ZnIn2S4 можуть бути перспективними як базовий матеріал для розробки вузькосмугових приймачів оптичного випромінювання. Розташування цих максимумів визначається складом вихідних монокристалів, особливостями формування двошарової системи та тим, з якого боку здійснювалося освітлення, що відкриває можливості для цілеспрямованої оптимізації спектральної чутливості.