РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКООМНЫХ БАЗОВЫХ СЛОЕВ А2В6 МЕТОДОМ ТЕРМОВАКУУМНОЙ КОНДЕНСАЦИИ И ХИМИЧЕСКИМ ОСАЖДЕНИЕМ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

• 7universum.com

UNIVERSUM:

, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_март. 2022 г.

ЭЛЕКТРОНИКА

DOI - 10.32743/UniTech.2022.96.3.13280

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКООМНЫХ БАЗОВЫХ СЛОЕВ А2В6 МЕТОДОМ ТЕРМОВАКУУМНОЙ КОНДЕНСАЦИИ И ХИМИЧЕСКИМ ОСАЖДЕНИЕМ

Отажонов Салим Мадрахимович

проф.,

Ферганский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Фергана E-mail: otajonov_s@mail. ru

Мовлонов Пахлавон Ибрагимович

преподаватель, Ферганский филиал Ташкентского университета информационных технологий, Республика Узбекистан, г. Фергана

Юнусов Нурзодбек

научный сотрудник, Ферганский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Фергана

Мамажонов Улугбек Мадаминзода

студент,

Ферганский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Фергана

DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY FOR OBTAINING LOW-RESISTANCE BASE LAYERS А2В6 BY THERMOVACUUM CONDENSATION METHOD AND CHEMICAL DEPOSITION

Salim Otazhanov

Professor, Ferghana State University, Republic of Uzbekistan, Ferghana

Pakhlavon Movlonov

Lecturer, Fergana branch of Tashkent University of Information Technologies,

Republic of Uzbekistan

Nurzod Yunusov

research assistant, Ferghana State University, Republic of Uzbekistan, Ferghana

Ulugbek Mamajanov

Student, Ferghana State University, Republic of Uzbekistan, Ferghana

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрена технология получения низкоомных базовых слоев А 2В6 методом термовакуумной конденсации и химическим осаждением. Установлено, что полупроводниковые пленки в квазизамкнутом объеме являются хорошим фазовым составом со стабильными характеристиками. Найдена оптимальная технология полупроводниковых пленок для создания солнечных фотопреобразователей.

ABSTRACT

This article discusses the technology for obtaining low-resistance A2B6 base layers by the method of thermo-vacuum condensation and chemical deposition. It has been established that semiconductor films in a quasi-closed volume have a

Библиографическое описание: РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКООМНЫХ БАЗОВЫХ СЛОЁВ А2В6 МЕТОДОМ ТЕРМОВАКУУМНОЙ КОНДЕНСАЦИИ И ХИМИЧЕСКИМ ОСАЖДЕНИЕМ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Отажонов С.М. [и др.]. 2022. 3(96). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/13280

№ 3 (96)

• 7universum.com

UNIVERSUM:

, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_март. 2022 г.

good phase composition and stable characteristics. Found, the optimal technology of semiconductor films for the creation of solar photoconverters.

Ключевые слова: фотопреобразователь, солнечные элементы, теллурида меди, термовакуумная конденсация, химические осаждения.

Keywords: photoconverter, solar cells, copper telluride, thermo-vacuum condensation, chemical deposition.

№ 3 (96)

Вопрос о спектральной чувствительности гетеропереходов Cu2-хS-CdS является важным не только с точки зрения эффективности преобразования солнечного света, но и для понимания механизма фотоволь-таического эффекта в данных структурах. Без детального знания спектральной характеристики невозможно целенаправленно управлять технологическим процессом для того, чтобы получить высокоэффективные гетероструктуры Сщ-х8-Сё8 [4; 8].

Солнечные фотопреобразователи на основе соединений А2В6 (особенно CdS) представляют интерес для создания солнечных батарей для наземного применения из экономических соображений. Однако достигнутая в настоящее время эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую ограничивается 9,15% [3] на основе гетероперехода Cu2S-CdS и намного ниже, чем эффективность известных кремниевых фотопреобразователей. Хотя теоретическое значение коэффициент полезного действия данных приборов составляет 15% [5], реально достижимое значение определяется энергетическими потерями и несовершенствованием конструкции гетероперехода.

В связи с этим в данной работе уделено внимание технологии получения гетероструктуры солнечных элементов.

Существуют различные способы получения базовых слоев А2В6 для преобразователей солнечной энергии, наиболее эффективным среди которых является вакуумное испарение материалов А2В6.

В большинстве случаев процесс термического испарения производится в открытых системах, в которых тигель и подложка устанавливаются в одном объеме, ограниченном вакуумной камерой. Однако, как показывают эксперименты, процесс открытого испарения приводит к загрязнению пленок А2В6, что связано с наличием примесей в системе для испарения. Кроме того, метод открытого термического вакуумного испарения имеет ряд недостатков, наиболее существенными среди которых являются следующие:

• трудность контролирования химического и фазового состава пленки;

• пленки не могут быть конденсированы при достаточно высоких температурах подложки, что ограничивает размер кристалликов пленки, который в свою очередь снижает подвижность носителей.

Одними из способов устранения этих недостатков является получение пленок А2В6 методом термического вакуумного испарения в квазизамкнутом объеме [7; 9]. При получении пленок полупроводников в квазизамкнутом объеме возможно уменьшить перепад температур между подложкой и испарителем до минимума.

а б

Рисунок 1. Технологическая камера для получения полупроводниковых пленок в квазизамкнутом объеме (а)

и градиент температуры по высоте стенки (б)

Достоинством метода получения полупроводниковых пленок в квазизамкнутом объеме является

возможность создавать высокие давления паров вблизи подложек, получать толстые пленки, строгое

№ 3 (96)

A UNI

/Ш. ТЕ)

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

март, 2022 г.

контролирование фазового состава пленок, работать при достаточно высоких температурах подложки и малых Дt

На рис. 1а. показана технологическая камера для получения полупроводниковых пленок А2В6 в квазизамкнутом объеме. В качестве испарителя используется танталовый испаритель (1). Во избежание прямого попадания крупных частиц А2В6 в подложку испаритель снабжен молибденовым (танталовым) фильтром. Кроме того, фильтр служит и для напыления легирующей примеси, например индия. Испаритель закреплен в кварцевую камеру (3). Для повышения давления паров производится нагрев кварцевой стенки вольфрамовой проволокой (4). Причем густота проволоки по высоте стенки расположена таким образом, что дает градиент температуры по

высоте стенки (рис. 1б). Камера сверху замкнута подложкой-держателем (5) с подложкой (6). Нагрев подложки осуществляется как за счет нагревателя (8), так и за счет нагревателя (4). Для уменьшения тепловых потерь за счет излучения камера для испарения снабжена радиационным экраном (9) из танталовой фольги.

По вышеописанной технологии получались пленки А2В6 (в частности, CdS) в вакууме 10-4—5х10-5 Тор. Температура испарителя составляла 525-600 °С, время напыления - 30-60 мин. Температура подложки варьировала от 325 до 450 °С.

В таблице 1 приведены некоторые параметры пленок CdS, полученных методом термовакуумной конденсации в квазизамкнутом объеме.

Таблица 1.

Параметры пленок CdS, полученных методом термовакуумной конденсации в квазизамкнутом объеме

№ Температура подложки, D Р

п/п °С (мкм) Ом-1 см-1 Ом см

1 320 9,6 8,5 1,478 1,57 6 10-1

2 320 7 6,0 1,516 1,68 6 10-1

3 320 7,4 6,5 1,978 2,05 5 10-1

1 350 13,3 12,0 5,638 6,74 1 10-1

2 350 8 9,8 3,615 4,18 2 10-1

3 350 10,8 11,5 5,531 6,25 1 10-1

1 370 5,1 5,3 11,632 12,85 8 10-2

2 370 5,6 5,8 15,052 17,63 6 10-2

3 370 5,1 5,3 15,722 18,05 6 10-2

1 400 11,8 12,0 3,142 4,15 3 10-1

2 400 7,6 7,6 5,455 6,85 1 10-1

3 400 11 11,6 5,858 7,28 1 10-1

1 430 12,4 12,4 10,032 11,2 9 10-2

2 430 10,3 11,2 9,133 10,86 1 10-1

3 430 14,6 14,8 9,358 10,92 1 10-1

Наиболее простым и технологичным является химический способ создания солнечных фотопреобразователей на основе соединений А2В6. Впервые солнечные элементы (СЭ) на основе соединений А2В6 (CdTe) химическим способом получил в работе [1]. Он показал, что при погружении тонких слоев п-CdTe в подогретый водный раствор СиС1 на поверхности CdTe благодаря ионообменной реакции образуется тонкий слой теллурида меди - полупроводник р-типа проводимости. С тех пор этот метод успешно применяется и для других представителей соединений А2В6. Суть метода такова, что при взаимодействии веществ группы А2В6 с водными растворами солей различных металлов могут образоваться на их поверхности новые фазы. Общую формулу реакции замещения можно записать в следующем виде:

2 СиС1 + А2В6 = Cu2B6 + A2 а2.

Например, при создании гетероперехода Си2 Te-CdTe происходит следующая реакция:

2 СиС1 + CdTe = Си Те + Cda2.

Следует отметить, что исключительное большинство СЭ, полученных химическом способом на основе тонких пленок соединений А2В6, были изготовлены на базовых слоях, полученных химической пульверизацией, газотранспортным методом или вакуумным испарением в открытом объеме. Тогда работы по созданию СЭ химическим способом на базе соединений А2В6, полученных в результате вакуумного испарения в квазизамкнутом объеме, практически отсутствуют.

Поэтому огромный научный и практический интерес представляет получение СЭ химическим способом на основе соединений А2В6, конденсированных в квазизамкнутом объеме, и исследование их свойств. С этой целью мы получили СЭ Си2-х Te-CdTe, базовый материал для которых был получен в квазизамкнутом объеме. Кратко опишем технологию получения СЭ химическим способом.

Насыщенный медью водный раствор хлорида меди изготовлялся следующим образом: в 200 мл дистиллированной воды перемешали 5-6 г порошка СиС1. Для достижении нужной концентрации ионов

№ 3 (96)

A UNI

/Ш. ТЕ)

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

март, 2022 г.

меди в раствор добавлялась концентрированная соляная кислота. Для разработки оптимальной технологии химического осаждения гетеропереходов на СёТе варьировались такие технологические факторы, как кислотность раствора (рН), его температура и время обработки.

На рис. 2 показаны зависимость основных параметров (Ихх, 1кз) Си2-х Те-СёТе солнечных элементов от кислотности раствора (а) и его температуры (б). Время обработки в обоих случаях составляет 5 с,

которое также установлено экспериментальным путем. Из рисунка видно, что как напряжение холостого хода, так и ток короткого замыкания достигают своих максимальных значений при кислотности раствора рН 6 и его температуре ~80 °С. Таким образом, оптимальным технологическим режимом для получения солнечных фотопреобразователей типа Си2-х Те-СёТе является:

рН - 6, г = 5 с, 1° = 80 °С.

Рисунок 2. Зависимость ихх, 1кз Си2-х Тг-СйТг СЭ от кислотности (рН) раствора СиС1 (а)

и его температуры (б)

На качество р-п-перехода, а также на выходные параметры солнечных фотопреобразователей сильно влияет последовательное и шунтирующее сопротивление р-п-перехода. Поэтому для целенаправленного управления технологическим процессом с целью получения эффективных преобразователей солнечной энергии необходимо определить Яп и Яш р-п-перехода и установить их связь с технологическими параметрами. Существуют различные методы по их определению. В работе дана методика определения вышеуказанных параметров по нескольким нагрузочным характеристикам, снятым в разных интенсивностях освещенности. В работах [2; 6] для определения Яп и Яш, п, 1о используется одна экспериментальная нагрузочная характеристика. Для расчета параметров используются следующие аналитические выражения:

n=£(tga -Rn) = %(3Uxx + kstga);

Яш Uxx

41_kS.

Uxx'

I0=Iksexp

nkT

где Ро - площадь под кривой в зависимости 1~/(и); Р1 - площадь под кривой в зависимости Ш~/(1); tg а - наклон кривой 1~/(и). Вблизи напряжения холостого хода.

1кз

1кз

Ikz

1

№ 3 (96)

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

март, 2022 г.

Заключение

ния Р0 и Р1 с достаточной точностью, которое занимает у экспериментатора намного больше времени, чем сам эксперимент. Поэтому при получения солнечных элементов лучше использовать термовакуумную конденсацию, так как в них получаются гетеропереходы с более стабильными характеристиками.

Преимуществом данной методики является то, что для определения основных параметров фотоэлемента используется одна нагрузочная ВАХ. Недостатком методик является трудоемкость определе-

Список литературы:

1. Наноструктурированные материалы на основе оксида цинка для гетероструктурных солнечных элементов / А.А. Бобков, А.И. Максимов, В.А. Мошников, П.А. Сомов [и др.] // ФТП. - 2015. - Т. 49, № 10. - С. 1402-1406.

2. Отажонов С.М., Рахмонкулов М.Х., Мовлонов П.И. Влияние термообработки на фотоэлектрические свойства гетероструктуры Cu2-xTe-CdTe // Наука и мир. - 2021. - № 1 (89). - С. 22-27.

3. Effect of Na doping on the performance and the band alignment of CZTS/CdS / B. Liu, J. Guo, R. Hao, L. Wang [et al.] // Thin film solar cell, Sol. Energy. - 2020. - № 201. - P. 219-226.

4. Kumar Kapil, Kumar Vijay and Singh Sham. Cu2-xS-CdS Heterojunctions for Solar Cell Applications // Research Journal of Chemistry and Environment. - 2020. - Vol. 24 (7).

5. Lu M.Y., Hong M.H., Ruan Y.M. Probing the photovoltaic properties of Ga-doped Cd-Cu2S core-shell heterostruc-tured nanowire devices // Chem. Commun. - 2019. - № 55. - P. 5351-5354.

6. Optical properties of polycrystalline films of lead telluride with distributed stoichiometry / T. Axmedov, Ya. Usmonov, M. Xalilov, N. Yunusov // Journal of physics Conference Series. - 2021. - № 1889.

7. Single sub-microwire solar cells based on the CdS-Cu2S and CdS-ZnS core-shell heterostructures / Y. Zhao, K. Chen, Q. Zhong, S. Yang [et al.] // Prog. Nat.Sci. Mater. Int. - 2017. - № 27. - P. 182-185.

8. Solar Energy a Path to India's Prosperity / Y.P. Chandra, A. Singh, V. Kannojiya, J.P. Kesari // Research Journal of Chemistry and Environment. - 2019. - № 100. - P. 539-546.

9. Study of polycrystalline CdTe films by contact and contactless pulsed photo-ionization spectroscopy / E. Gaubas, D. Dobrovolskas, J. Vaitkus, N. Alimov [et al.] // Journal Thin Solid Films. - 2018. - № 660. - P. 231-235.