CC BY
5СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Солнечные электростанции SOLAR ENERGY Solar thermal plants
ФОТОПРОВОДИМОСТЬ АМОРФНЫХ ПЛЕНОК a-Si080Ge0 20:H ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
0,80 0,20 x "
Б. А. Наджафов, Г. И. Исаков*
^Е Member of International Editorial Board (ISJAEE) Институт радиационных проблем HAH Азербайджана пр. Г. Джавида, 31а, Баку, AZ-1143, Азербайджан
Институт физики HAH Азербайджана пр. Г. Джавида, 33, Баку, Az-1143, Азербайджан E-mail: gudrat@physics.ab.az
In the paper, the photo-conductivities of hydrogenated amorphous films of a-Si080Ge0 20:Hx (where x = 1,7; 3,9; 7,1; 12; 1; 17; 3 at. %) solid solution fabricated by plasmo-chemical deposition method have been considered and the photo conductivity's studies measured in the diapason of 1,0-2,8 eV have been carried out. It is revealed that depending on x, v|it magnitude is varied in the range of 10"7-10"5cm2V-1 and y remains constant and it equals to 1.
Введение
В настоящее время интенсивно изучаются аморфные гидрогенизированные пленки твердых растворов а^1-;Дх:Н, а^1-хСх:Н, а^е1-хСх:Н, а^1-хОх:Н, а также а^1-хОех:Н.
В полупроводниковой электронике из перечисленных растворов наибольший интерес проявляется к а^1-хОе1-х:Н [1, 2]. Это, прежде всего, вызвано тем, что они являются материалами для солнечной энергетики.
Гидрогенизированные пленки а^1-хОех:Н по сравнению с пленками а^кН имеют меньшую ширину запрещенной зоны, следовательно, лучшие оптоэлектронные свойства в длинноволновой части видимого спектра, а также термодинамически более стабильны [3, 4]. Среди материалов а^1-хОех составы с х < 0,2 считаются наиболее стабильными для создания солнечных « элементов [2]. Поэтому исследованный в данной работе состав а-Sio,8oGeo,2o:H представляет о. интерес для использования в фотоэлементах. I Изучению фотопроводимости гидрогенизиро-I ванных аморфных пленок Si1-xGex посвящен ряд | работ [5, 6]. В настоящей работе исследуется вли-| яние концентраций водорода на фотопроводимость | и другие параметры пленок а^0,80 Ge0,20:Hx.
I
£ Экспериментальные результаты,
° обсуждение
0
Пленки а^0,8^е0,20:Нх при х = 1,7; 3,9; 7,1; 12,1; 17,3 ат. % толщиной ~1 мкм были полу-
чены методом плазмохимического осаждения при температуре подложки 150 °С, скорости осаждения материала на подложку ~3 А/с, расстоянии между мишенью и подложкой ~25 см в течение часа. Мишенью служили пластинки кристаллического сплава Si0,80Gei0,20 диаметром 60-63 мм. Осаждение проводили в атмосфере водорода при различных парциальных давлениях. Процесс распыления проводили в водородной плазменной среде, которая была получена с помощью магнетрона и высокочастотного поля. Электронографичес-кие исследования структуры пленок показали, что пленки без отжига, а также отожженные при 250 °С, являются аморфными.
Из измерения фотопроводимости определен фототок по формуле [7, 8]:
/ф =(N04% / ^ )(1 - Я )ехр ), (1)
где е — заряд электрона; N0 — число падающих фотонов во всех длинах волн; V — квантовый выход — характеристика эффективности процесса генерации, которая определяется соотношением т/гг и числом образующихся электрон-дырочных пар при поглощении фотонов (в нашем случае V ~ 1); т — рекомбинационное время жизни; гг — время пролета носителей заряда, гг = й/Ец = й 2/Кц (ц — дрейфовая подвижность или подвижность заряда под действием поля Е = 104 В/см при комнатной температуре, V — приложенное напряжение); Я — коэффициент отражения; а —коэффициент оптического поглощения; й = 1 мкм — толщина пленки.
Статья поступила в редакцию 26.11.2004 г. Article has entered in publishing office 26.11.2004
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» ISJAEE № 2(22) 2005 АЭЭ № 2(22) 2005
Солнечная энергетика Солнечные электростанции
Установлено, что с изменением концентрации водорода х параметр уцт изменяется в диапазоне 10—7—10—5см—2В—1. Перенос электронов в пленках описывается в рамках модели эффекта поля Спира [7].
В работе [2] исследована зависимость положения фотооткликов пленки при комнатной температуре как функция энергии фотона при различных концентрациях воодорода. Обнаружено, что эффективность генерации электронов с изменением концентрации водорода не изменяется и, следовательно, в пленках, полученных указанным методом, при концентрации водорода от 1,7 до 17,3 ат. % квантовый выход V остается постоянным. В зависимости от концентрации водорода граница фотопроводимости располагается в пределах 1,0-1,5 эВ, а ее смещение связано с увеличением ширины щели Е<—Еи и возбуждением уровня Ферми, который сдвигается с изменением концентрации водорода. Полученные данные позволяют создать солнечные элементы на основе аморфного состава а^0,80Ое0 20:Нх. Обнаружено, что фототок в указанном интервале линейно зависит от интенсивности освещения, а рекомбинация частиц происходит из более глубоких рекомбинационных центров и подчиняется закону ¿ф = АР', где ¿ф — фототок, у» 1. Коэффициент пропорциональности А определяется из слабо поглощаемой части спектра. Для
данного интервала считаем, что /ф /еК0 (1 — Я)~
~ а/ут/^ и М0 ~ Р. Полученные результаты доказывают, что с изменением толщины пленки и температуры подложки величины уцт и у не изменяются. Результаты настоящей работы в пределах погрешности эксперимента согласуются с данными работы [2].
Определение коэффициента оптического поглощения а проводили при комнатной температуре измерением коэффициентов пропускания Т и отражения Я по методике [8, 9] на спектрометре ИКС-29. В качестве подложки был использован кристаллический кремний. При этом принималось, что а + Я + Т = 1.
На рис. 1 представлены зависимости коэффициентов оптического поглощения в области края фундаментального поглощения, измеренные для всех образцов. В этой области при больших значениях а приближенное значение коэффициента пропускания Т выражается формулой (принимая Я3 = 0, Я2 = Я1 = Я) [8, 9]:
а, см-1
T =
(1 - R )2 e~ad 1 - R 2e~ad
(2)
где Я1, Я2 и Я3 — коэффициенты, отражающие взаимодействия воздух/пленка, пленка/подложка и подложка/воздух, соответственно.
Толщину пленок d определяли в условиях возникновения интерференционных явлений [3, 8]. Результаты воспроизводимы с погрешностью ±12 %.
105
104
103
102
1,7
\ 5'9 7,1
1,2
1,7
2,2
240 -
160 -
hv, эВ
2,7 ьу, эв
Рис. 1. Зависимость коэффициента поглощения от энергии фотона при различной концентрации водорода в пленке а^0>80Ое0>20:Нх
(ahv)1/2, эВ1/2'СМ-1/2 320
Рис. 2. Зависимость (аНу)1/2 от Ну в пленках а^0>80 Ое0 20:Нх при различной концентрации водорода
С целью определить ширину запрещенной зоны построена зависимость (аНу)1/2 от энергии фотона Ну (рис. 2). Во всех исследуемых пленках а-Б^,80Ое0 20:Н коэффициент края оптического поглощения описывается соотношением:
аЪу = В (у— Е0), (3),
где В — коэффициент пропорциональности; Е0 — оптическая ширина запрещенной зоны. Значение В, определенное экстраполяцией зависимости (аНу)1/2 от Ну для образцов с различ-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология»
АЭЭ № 2(22) 2005
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE № 2(22) 2005
Б. А. Наджафов
Фотопроводимость аморфных пленок а-S^ 80Ge0 20:Hx для солнечных элементов
ными парциальными давлениями водорода, составляет от 356 до 537 эВ-1см-1/2. С изменением парциального давления водорода край поглощения пленок увеличивается от 1,50 до 1,72 эВ (см. рис. 2). Квадратичная зависимость в формуле (3) была получена теоретически для ¡5 модели Тауца [10], описывающей плотности со* стояний в щели подвижности. При энергии фо-| тонов меньше E0 во всех исследуемых образцах -g поглощение изменяется экспоненциально с | энергией по формуле:
ё а = 4п/nc• exp[-P(£i -hv), (4)
с
S где 4n/nc = const (n = 3,5...4,3 — показатель пре-g ломления, определяется из положений интер© ференционных пиков в спектрах пропускания и отражения, с — скорость света); при комнатной температуре в зависимости от парциального давления водорода в = 31...47 эВ-1; E1« E0.
На рис. 3 показана зависимость v|T от содержания водорода. Обнаружено, что с повы-
v|T, см-2В-1
105 г
10-6 -
10-7
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19
х, ат. %
Рис. 3. Зависимость \'ит от концентрации водорода
шением содержания водорода, внедряемого в пленки а^08^е0 20:Нх, произведение ^т растет прямо пропорционально. Аналогичное соотношение наблюдается и для других составов
5 пленки а- Si1_xGex:H.
I Заключение
I ф
■з
Ч Показано, что внедрение водорода в пленки
| твердого раствора а-Sio,8oGeo,2o:Hx играет важную
| роль; управление количеством водорода в пленам
6 ках приводит к изменению области спектраль-| ной чувствительности. Это позволяет создать солил нечные элементы в широких областях спектра.
с
© -
С изменением толщины пленок и температуры подложек величины V|IT и у не изменяются.
Авторы выражают благодарность академику НАН Азербайджана Ф. М. Гашимзаде за поддержку настоящей работы.
Список литературы
1. Шерченков А. А. Спектральная фоточувствительность гетероструктур a-SiGe:H/c-Si // Физика и техника полупроводников. 2003. Т. 37, № 7. P. 790-792.
2. Наджафов Б. А. Исаков Г. И. Преобразователи солнечной энергии на основе аморфных пленок а-Si^^Ge^^H // Альтернативная энергетика и экология. 2004. №6. C. 26-31.
3. Najafov B. A. Absorption, photoconductivity and current-voltaic characteristics of amorphous Ge0 g0Si0 10:Hx // Solid Solution. Ukr. J. of Phys. 2000. Vol. 45, No. 10. P. 1221-1224.
3. Weisz S. Z., Gomez M., Muir Y. A., Resto O., Perez R. Reactively sputtered a-Si1-xGex:H alloys with compositional gradient in plane of film // Appl. Phys. Lett. 1984. Vol. 44(6). P. 634-636.
4. Rudder R. A., Cook J. W., Lucovsky G. High photoconductivity in dual magnetron sputtered amorphous hydrogenated silicon and germanium alloy films // Appl. Phys. Lett. 1984. No. 45(8). P.887-889.
5. Наджафов Б. А. Фотопроводимость аморфных пленок Ge0 75Si0 25:H // Мат. VIII Координационного совещания по исследованию и применению сплавов кремний-германий. Ташкент: ФАН, 1991. С. 11.
6. Loveland R. I., Spear W. E., Al-Sharbaty A. Photo-conductivity and absorption of-a Si-H // J. of Non-Crystalline Solids. 1973/74. No. 13. P. 55-68.
7. Наджафов Б. А., Мурсакулов Н. Н. Фотопроводимость аморфных пленок Ge0 85Si0 15:H // Мат. международ. конф. «Физика электронных материалов». Калуга, Россия, 2000. С. 136.
8. Najafov B. A., Bakirov M. Ya., Mame-dov V. S. Optical properties of amorphous Solid Solutions Ge0 90Si0 10:Hx films // Phys. St. Sol.
A. 1991. Vol.' 123(a), No. 1. P. 67-69.
9. Brodsky M. H., Cardona M., Cuomo J. J. Infrared and Raman spectra of the silicon prepared by glow discharge and sputtering // Phys. Rev.
B. 1977. Vol. 16, No. 8. P. 3556-3571.
10. Tauc J., Grigorovici R., Vancu.A. Optical Properties and Electronic Structure of Amorphous Germanium // J. Non-Cryst. Sol. 1966. Vol. 15, No. 1. P. 627-637.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» ISJAEE № 2(22) 2005 АЭЭ № 2(22) 2005
