CC BY
7ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ГЕТЕРОПЕРЕХОДАХ
n-GaP/p-Cu!nS2
Г. С. Сеидли, М. Г. Гусейналиев*, Г. И. Исаков*
Deputy Editor-in-Chief Азербайджанский институт преподавателей
* Нахичеванское отделение НАН Азербайджана Институт природных ресурсов
** Институт физики НАН Азербайджана E-mail: gudrat@physics.ab.az
To produce a n-GaP/p-CuInS2 heterojunction, CuInS2 (monocrystalline p-CuInS2 powder obtained by Bridgman horizontal technique) layers were deposited on (111) n-GaP surface by a blast evaporation method. For a GaP sample at room temperature the concentration of electrons is n = 1017cm-3, and carriers' mobility is | = 10 cm2-V_1-s_1. In the course of evaporation, the GaP support temperature was maintained at 480 °C.
Dark and light volt-ampere characteristics (VAC) and photosensitivity spectra for n-GaP/p-CuInS2 heterostructure have been studied. The obtained heterostructure was found to have a diode structure. The peculiarities of passing the current in by-pass direction have been analysed. A photovoltaic effect was first observed in n-GaP/p-CuInS2 structures. Quantum efficiency of transforming the resultant structure is 3.2 % .
Проблема фотовольтаического преобразования солнечного излучения в электрическую энергию носит комплексный характер, но в первую очередь — это выбор и получение подходящих полупроводниковых материалов, создание таких структур как метал-полупроводник, полупроводник-полупроводник (р—п-переходы, гетеропереходы) и т. д.
Одним из перспективных материалов для создания высокоэффективных фотовольтаических преобразователей солнечного излучения является тройное соединение Си1пЯ2. Это соединение кристаллизуется в структуре халькопирита, запрещенная зона которого является оптимальной для преобразования солнечной энергии в электрическую (Е^ = 1,55 эВ).
Теоретически показано, что в р—п-гомоперехо-дах на основе Си1пЯ2 можно достичь 27-32 % эффективности преобразования солнечного излучения [1], но в настоящее время самое высокое экспериментально полученное значение — 12,5 % [2].
В работе [3] удалось получить ~3,55 % эффективности в гетеропереходах CdS/CuInS2. Но из-за большой разницы между постоянными решеток CdS и Си1пЯ2 (5,7%) на переходе создаются дефекты, которые ограничивают фотоэлектрическую эффективность перехода.
Использование ОаР для получения гетероперехода на основе Си1пЯ2 имеет ряд преимуществ:
- ОаР — непрямозонный полупроводник, запрещенная зона которого Е^ = 2,25 эВ, что позволяет использовать его в переходе в качестве окна; ческих свойств системы использовали омичес-
- разница между постоянными решеток GaP и CuInS2 очень мала (~1,31 %);
-ориентация (111) GaP со сфалеритной структурой идентична ориентации (112) CuInS2, имеющего халькопиритную структуру.
Учитывая это, многие исследователи попытались получить из пары GaP и CuInS2 солнечные преобразователи. Авторы работ [4, 5] для получения гетероструктуры использовали газотранспортный метод. В работе [4] слои CuInS2
выращивали в подложках (111) и (111) GaP посредством реакции диспропорционирования в замкнутой системе CuInS2(тв.)-J2(газ.). В работе [5] методом химической газотранспортной реакции выращивались слои GaP на монокристаллических подложках CuInS2. Однако в работе [5] в полученных гетероструктурах фотовольта-ический эффект не обнаружен.
В данной работе мы исследуем фотовольта-ические свойства гетероперехода n-GaP/p-CuInS2, полученного в результате осаждения слоя p-CuInS2 на поверхность (111) n-GaP методом взрывного испарения. При комнатной температуре для образца GaP концентрация электронов n = 1017см-3, а подвижность носителей заряда ц = 10 см2 В-1с-1. В процессе испарения температура подложки GaP поддерживалась при 480 °С. Был использован порошок монокристаллического p-CuInS2, полученного горизонтальным методом Бриджмена [6]. Для исследования фотоэлектри-
Статья поступила в редакцию 23.08.2005. The article has entered in publishing office 23.08.2005.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE № 11(31) (2005) Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ №11(31) (2005)
Г. С. Сеидли, М. Г. Гусейналиев, Г. И. Исаков Фотовольтаический эффект в гетеропереходах rc-GaP/p-CuInS,
кие контакты из 1п и 1п-Оа-эвтетики для п-ОаР и р-0и1пЯ2, соответственно.
Исследованы темновые и световые вольт-амперные характеристики (ВАХ) полученной ге-тероструктуры п-ОаР/р-Ои1пВ2. Измерениями стационарной ВАХ установлено, что полученная гетероструктура имеет выпрямляющее свойство, характерное для диодной структуры. При температуре 300 К и напряжении и = 2 В коэффициент выпрямления оказался равным 4104.
Для определения закона изменения тока в прямом направлении были сняты зависимости (и). В этой зависимости легко можно обнаружить два прямозонных участка I и II (рис. 1, кривая 1): первый простирается до 0,7 В, второй — от 0,7 до 1,3 В. На данных участках зависимость тока от напряжения является экспоненциальной и может быть описана выражением: 1Пр = /0ехр(и/вкТ). Значение предэкспонен-циального множителя 10 для первого участка составляет 1,310-8 А, а для второго — 1,810-11 А.
I, А 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9
2,0 U, В
I, мкА
100
75
50
25
0
1,0 U, В
Рис. 2. Зависимость фототок-фотонапряжение для гетероперехода га-ОаР/р-Ои1п82 с активной площадью 6x6 мм2
4 /N
отн. ед.
102
101
100
Eg(CuInS2)
^(GaP)
1,5
2,0
2,5 hv, эВ
0,5 1,0
Рис. 1. ВАХ гетероперехода га-ОаР/р-Ои1п82 при Т = 300 К: 1 — в пропускном направлении; 2 — в обратном направлении
Первый участок, по-видимому, обусловлен токами утечки по поверхности. Этот компонент тока сильнее проявляется при комнатной температуре и уменьшается с ее ростом. Второй участок обусловлен рекомбинационно-генерационны-ми процессами в области пространственного заряда [7]. Начиная с и = 1,3 В, ВАХ в пропускном направлении определяется законом I ~и'(п = 7,8), что объясняется инжекцией носителей заряда.
Фотовольтаические свойства гетероперехода п-ОаР/р-Ои1пВ2 были исследованы на свете лампы накаливания мощностью 100 Вт на расстоянии ~20 см (рис. 2).
Для гетероперехода с активной площадью 6x6 мм2 ток короткого замыкания равен 90 мкА, напряжение открытой цепи 1 В и фактор заполнения 81 % . Проведенными вычислениями установлено, что квантовая эффективность преобразования составляет 3,2 %.
Исследована спектральная фоточувствительность полученной гетероструктуры. На рис. 3 показана спектральная зависимость фототока короткого замыкания при комнатной температуре.
Рис. 3. Спектральная зависимость тока короткого замыкания в гетеропереходах ra-GaP/p-CuInS2
Результаты исследования показывают, что применяя различные технологии в получении ге-тероструктуры n-GaP/p-CuInS2, можно повысить квантовую эффективность фотопреобразования.
Список литературы
1. Meese J. M., Manthuruthil J. K., Locker D. R. // Bull. Amer. Phys. Soc. 1975. Vol. 20. P. 696.
2. Klaer J., Bruns J., Henninger R. // Semicond. Sci. Technol. 1988. Vol. 13. P. 1456-1458.
3. Kazmerski L. L., White F. R., Ayyaqari М. С. Growth and characterization of thin film compound semiconductor photovoltaic heterojunctions // J. Vac. Sci. Technol. 1977. Vol.14, No. 1. P. 65-68.
4. Hwanq H. L., Tsenq B. H., Sun C. Y. Growth and properties of CuInS2 epitaxial layers obtained by chemical vapour transport / / Solar Energy Materials. 1980. Vol. 4. P. 67-79.
5. Hwanq H. L., Lin J. Y., Yanq M. N. Hete-roepitaxial growth of GaP layers on CuInS2 and their characterization // Thin Solid Films. 1981. Vol. 81. P. 145-153.
6. Kobayashi S., Ota S., Saito N. Growth of CuInS2 crystals by Horizontal Bridjman method // Jap. J. Appl. Phys. 1981. Vol. 21, No. 10. P. 19731974.
7. Цуркан A. E., Шемякова E. Д. Многослойные тонкопленочные гетероструктуры на основе теллурида цинка / / Материалы для полупроводниковой электроники. Кишинев: Штиница, 1984. С. 37-46.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE №11(31) (2005) Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ № 11(31) (2005)
