CC BY
4НАНОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 621.9.047.7
Исследование особенностей роста нанокристаллов оксида цинка из водных растворов для создания тонкопленочных
солнечных элементов
С.А.Гаврилов, М.Ю.Назаркин, И.В.Сагунова
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Е.В.Артемова
Научно-производственное предприятие «НаноИнТех» (г. Москва)
Исследованы особенности химического осаждения нанокристаллов оксида цинка из водных растворов. Выявлена корреляция геометрических параметров нанокристаллов оксида цинка с технологическими режимами их химического осаждения из водных растворов. Показана эффективность использования массива нанокристаллов оксида цинка в составе тонкопленочных гетероструктурных солнечных элементов на основе SnO2:F/ZnO/In2Sз/CuSCN.
Повышение стоимости традиционных источников энергии, а также наметившийся дефицит кремниевых пластин, которые традиционно являются основой для солнечных элементов, ставят перед разработчиками фотоэлектрических преобразователей задачу поиска альтернативы кремниевой технологии производства.
В последнее время значительный интерес исследователи проявляют к созданию тонкопленочных гетероструктурных солнечных элементов со сверхтонким поглощающим слоем (СЭСПС), отличающихся низкой себестоимостью изготовления [1-4]. СЭСПС включает в себя прозрачную подложку с проводящим покрытием, базовый слой акцептора электронов, сверхтонкий поглощающий слой и акцептор дырок. Выбор материалов для такой структуры осуществляется на основании зонной энергетической диаграммы многослойной гетероструктуры, содержащей встроенное электрическое поле, которое обеспечивает разделение фотогенерированных электронов и дырок [2].
В работах [3, 4] показано, что система SnO2:F/TiO2/In2Sз/InxPbl-xS/CuSCN, в которой акцептором электронов является TiO2, роль поглощающего слоя выполняет гетеро-структура In2S3/InxPb1-xS, а акцептором дырок является CuSCN, обеспечивает высокую эффективность разделения носителей заряда. Однако созданные в настоящее время образцы СЭСПС характеризуются невысоким коэффициентом полезного действия. В [2] отмечено, что повышения коэффициента полезного действия можно достичь за счет использования в структурах СЭСПС базовых слоев с развитой рельефной поверхностью, и показана целесообразность использования оксида цинка ZnO, так как возможно осаждение его в виде нитевидных вертикально расположенных нанокристаллов. Сис-
© С.А.Гаврилов, М.Ю.Назаркин, И.В.Сагунова, Е.В.Артемова, 2009
тема СЭСПС представляет собой 8п02:Б/2п0/1п283/Си8СК. Для обеспечения, с одной стороны, максимального развития рельефа поверхности структур, с другой - воспроизведения процессов конформного осаждения сплошного сверхтонкого слоя 1п2Б3 и заполнения рельефной поверхности планаризующим слоем СиБСК необходимо выращивание массива нанокристаллов 2п0 с оптимальными геометрическими параметрами: высотой нанокристаллов и расстоянием между ними.
Основная задача настоящей работы - выявление зависимости геометрических параметров нанокристаллов оксида цинка от технологических режимов их химического осаждения из водных растворов.
Методика эксперимента. Одним из экономичных и технологичных методов осаждения 2п0 является его химическое осаждение из водных растворов. Этот процесс является низкотемпературным, что значительно расширяет номенклатуру используемых подложек при создании тонкопленочных солнечных элементов [5].
Для исследования особенностей роста нанокристаллов оксида цинка в качестве исходных были выбраны кремниевые подложки. На предварительно очищенную поверхность подложки методом магнетронного напыления наносили тонкую пленку 2п0 (п-типа) толщиной 200 нм, которую использовали в качестве затравочного слоя при последующем жидкостном осаждении нанокристаллов 2п0.
Низкотемпературный синтез кристаллов оксида цинка осуществляли при различных температурах в диапазоне от 20 до 90 °С. Для осаждения использовали водный раствор: 0,4М Ка0Н и 0,01М (2п(К03)2)-6Н20. После нагрева раствора до заданной температуры в него помещали подложки с нанесенным на них затравочным слоем 2п0. Образцы выдерживали в растворах различное время в течение 10-60 мин. После осаждения нанокристаллов 2п0 структуры промывали в деионизованной воде и сушили на воздухе.
С использованием атомной силовой и растровой электронной микроскопии проводили исследования морфологии поверхности структур, определяли геометрические параметры нанокристаллов. На основе полученных экспериментальных результатов определяли зависимости высоты кристаллов оксида цинка от времени их осаждения и расстояния меду нанокристаллами от температуры процесса.
Обсуждение результатов. Экспериментальные результаты показали, что в исследуемом температурном диапазоне осаждения наблюдается рост нанокристаллов оксида цинка. На рис.1 представлены РЭМ-микрофотография и 3-мерное АСМ-изображение массива нанокристаллов оксида цинка, выращенного при 80 °С (рН ~9).
Исследование особенностей роста нанокристаллов.
Как следует из полученных результатов, расстояние между нанокристаллами с ростом температуры уменьшается (рис.2), что обусловлено увеличением количества центров зарождения кристаллов. Зависимость высоты нанокристаллов оксида цинка от времени их выращивания в исследованном временном промежутке имеет два характерных участка (рис.3): медленный рост в вертикальном направлении на первом из них и быстрый рост на втором. При данных технологических условиях выращивания во временном промежутке до 30 мин происходит зарождение кристаллов, их латеральное разрастание до характерного поперечного размера. При большем времени выдержки в растворе происходит преимущественный их вертикальный рост. Данные результаты согласуются с изложенными в [5], где отмечено, что благодаря анизотропии кристаллической структуры оксида цинка преимущественное направление роста кристаллов ZnO в виде гексагональных призм происходит в направлении кристаллографической с-оси.
Ь, нм 7006005004003002001000-
И, нм 12001000800600400200 0
0
—I—
20
40
60
~80~
100 Т, 0С
0
—I—
10
-1—
20
30
-1—
40
-1—
50
60 t, мин
Рис.2. Зависимость расстояния между нанокристаллами оксида цинка от температуры процесса
Рис.3. Зависимость высоты нанокристаллов оксида цинка от времени их выращивания при 80 °С
С применением выявленных режимов выращивания нанокристаллов ZnO и технологии формирования СЭСПС, изложенной в [2], изготовлены образцы солнечных элементов на основе SnO2:F/ZnO/In2S3/CuSCN. Полученные оценки показали, что для создаваемых структур солнечных элементов оптимальными геометрическими параметрами нанокристаллов цинка являются высота кристаллов Ь = 1-1,5 мкм и расстояние между ними И = 50-150 нм. Поэтому базовый слой ZnO представлял собой пленку ZnO (и-типа) толщиной 200 нм с выращенным на ней массивом вертикально расположенных кристаллов ZnO высотой ~ 1 мкм и расстоянием между соседними кристаллами ~ 100 нм. В [6] описаны аналогичные структуры тонкопленочных солнечных элементов, в которых нанокристаллы оксида цинка выращивали иным способом - пиролитическим осаждением. Изготовленные авторами настоящей статьи солнечные элементы имеют фотоэлектрические характеристики, приближающиеся к достигнутым в зарубежном аналоге: напряжение холостого хода - 570 мВ; плотность тока короткого замыкания -8 мА/см ; фактор заполнения - 50%; коэффициент полезного действия - 2,3%.
В результате проведенной работы выявлена корреляция геометрических параметров нанокристаллов оксида цинка с технологическими режимами их химического осаждения из водных растворов и показана эффективность использования массива нанок-ристаллов оксида цинка в составе тонкопленочных гетероструктурных солнечных элементов.
Литература
1. The eta-solar cell with CuInS2: A photovoltaic cell concept using an extremely thin absorber (eta) / I.Kaiser, KErnst, Ch.H.Fischer et al. // Solar Energy Materials & Solar Cells. - 2001. - Vol. 67. - P. 89-96.
2. Гаврилов С.А., Железнякова А.В., Вишникин Е.Н., Тузовский В.К. Пути повышения эффективности фотоэлектрического преобразования солнечной энергии солнечными элементами с экстремально тонкими поглощающими слоями // Нанотехнологии в электронике: Сб. науч. тр. - М.: МИЭТ. - 2007. -С. 58-68.
3. Charge selective contact on ultra-thin In(OH)xSr/Pb(OH)xS>, heterostructure prepared by SILAR / S.Gavrilov, I.Oja, B.Lim et al. // Phys. Stat. Sol. (a). - 2006. - Vol. 203. - P. 1024-1029.
4. Ultra-thin charge selective systems based on MeSxHy (Me = In, Cu, Pb) / S.Gavrilov, Th.Dittrich, B.Lim et al. // Thin Solid Films. - 2008. - Vol. 516, N 20. - P. 7051-7054.
5. Yamabi S., Imai H. Growth conditions for wurtzite zinc oxide films in aqueous solutions // J. Mater. Chem. - 2002. - Vol. 12. - P. 3773-3778.
6. Current-voltage characteristics and transport mechanism of solar cells based on ZnO nanorods/In2S3 / CuSCN / Th.Dittrich, D.Kieven, А.М-Rusu et al. // Appl. Phys. Lett. - 2008. - Vol. 93. - P. 053113-1 - 053113-3.
Статья поступила 11 ноября 2008 г.
Гаврилов Сергей Александрович - доктор технических наук, заведующий кафедрой материаловедения и физической химии, проректор по научной работе МИЭТ. Область научных интересов: технология формирования твердотельных наноструктур, электрохимическая и химическая обработка поверхности материалов микро-, опто- и наноэлектроники, технология получения и исследование свойств нанопори-стых полупроводников и диэлектриков.
Назаркин Михаил Юрьевич - аспирант кафедры материаловедения и физической химии МИЭТ. Область научных интересов: химические методы формирования на-нокристаллических материалов.
Сагунова Ирина Владимировна - аспирант кафедры интегральной электроники и микросистем МИЭТ. Область научных интересов: нанотехнология и сканирующая зондовая микроскопия.
Артемова Елена Владимировна - исполнительный директор ООО «НПП «НаноИнТех». Область научных интересов: технология микро- и наноэлектроники.
Вниманию читателей журнала «Известия вузов. Электроника»
Оформить годовую подписку на электронную версию журнала можно на сайте Научной Электронной Библиотеки:
www.elibrary.ru
