CC BY
10Создание и некотрые свойства поверхностно-барьерного перехода
Ag/Cu2ZnSnS4
А. Юсупов1, С.Р.Алиев2, Д.Д. Алижанов3, Ж.Н. Усмонов3
1 Ташкентский институт по проектированию, строительству и эксплуатации автомобильных
дорог г. Ташкент, Узбекистан, 2Андижанский государственный университет г. Андижан, Узбекистан, 3Андижанский машиностроительный институт г. Андижан, Узбекистан
Аннотация: Барьеры Шоттки были изготовлены методом термического напыления серебра на пленки р-типа проводимости. Обсуждаются вольт-амперные характеристики и механизмы прохождения тока в исследуемых структурах. Показано, что при прямом смещении присутствуют как токи, ограниченные пространственным зарядом в режиме насыщения скорости, так и рекомбинационные токи. Для обратных смещений характерны туннельный механизм токопереноса и токи ограниченные пространственным зарядом в режиме подвижности.
Ключевые слова: Барьеры Шоттки, проводимость, гетеропереход, солнечный элемент, структура, термической напыление, механизм прохождения тока
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниковое четверное соединение Си22п$п$4 (СТТБ) рассматривается как перспективный материал для создания поглощающего слоя солнечных элементов (СЭ) [1, 2]. Величина ширины эапрещенной зоны этого полупроводника подпадает в частотный интервал, соответствующий максимальной эффективности СЭ (Е ~ 1,46 эВ) [1, 2] и обладает большим коэффициентом поглощения (а > 104 см-1) [3, 4]. Его компонентами являются широко распространенные в природе, дешевые и нетоксичные элементы. Благодаря этим преимуществам, в настоящее время гетеропереходы на основе С2ТБ находят применения в СЭ, электронике, оптоэлектронике и т. п. [5].
Основой для СЭ на основе С2ТБ являеются гетеропереходы СйБ/Си^пБпБ^, но простой и дешевой альтернативой к ним могут быть структуры металл - Си22пБпБ4. Наш литературный анализ показывает отсутствие сообщений относительно исследований барьеров Шоттки (БШ) на основе С1ТБ, где в качестве барьерного материала использовалось бы серебро. В настоящей работе приводятся первые результаты исследования процесса получения и электри-
ческих свойств диодных структур на основе поверхностно-барьерного перехода А&р-
Си22п£>п$4.
1. МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ CZTS ПЛЕНОК
Для получения пленок С2ТБ применяются различные методы [6, 7]. Среди них наиболее перспективным считается формирование пленок методами сульфуризации базовых слоев и напыления компонентов на нагретую подложку [7]. При получении тонких слоев С2ТБ в большинстве случаев в качестве положки используют различных типы стекла. Учитывая ряд преимуществ мы в качестве подложки использовали натрийсодержащее стекло. Это связано с тем, что лучшие СЭ получают на подложках из натрийсодержащего стекла [8]. Установлено, что примеси натрия при содержании в определенных концентрациях даже повышают КПД СЭ [9].
Формирование тонкого С2ТБ слоя осуществлялось в два этапа. На первом этапе на подложке, методом вакуумного напыления, образовывали базовые слои металлических компонентов. Процесс проводился при вакууме (2...5)-10-5 мм. рт. ст. На втором этапе производилась сульфиризация базового слоя из неограниченного источника, в закрытом объеме. Процесс формирования СПБ слоя описан в работе [10].
Измерение электрических параметров полученных пленок показало, что все образцы, полученные без специального легирования, обладали дырочным типом проводимости. Это, по-видимому, связано с тем, что при формировании пленок С2ТБ образуются такие структурные дефекты, как вакансия атомов меди - УСи и замещения атомом меди узла цинка -Си2п [11]. Поверхностное сопротивление пленок С2ТБ составляло в пределах 20.45 Ом. кв.
Для получения поверхносьно-барьерного перехода слой серебра наносился на поверхность полупроводника методом термического испарения в вакууме. Формирование БШ
производилось путем термического отжига образцов при температуре 300°С.
Были измерены стационарные вольт-амперные характеристики (ВАХ) созданных поверхностно-барьерных переходов Ag/p-Cu2ZnSnS4 при комнатной температуре. Прямая и обратная ветви ВАХ I(U) одного из БШ приведены на Рис. 1. Из рисунка видно, что БШ обладают ярко выраженные диодные характеристики. Причем, пропускное направление во всех БШ соответствует подаче положительной полярности внешнего смещения на пленку CZTS, что согласуется с предполагаемой зонной моделью исследуемого перехода. Величина барьера полученных БШ составляла 0,35...0,42 эВ. При напряжении |U| = 1,3 В прямой ток превышал обратный в 100... 150 раз.
Рис. 1. Стационарная ВАХ БШ Ag/p-Cu2ZnSnS4 при Т = 300 К
В диапазоне напряжений 0 < и < 0,15 В (Рис. 3, кривая 1) наблюдается наклон кривой равным приблизительно единице, что предполагает наличие токов ограниченный пространственным зарядом в режиме насыщения скорости [12, 13]
J = ЩаА и L
(1)
где е - диэлектрическая проницаемость, е0 -
электрическая постоянная,
v„
- скорость
насыщения, А - площадь перехода, Ь - толщина полупроводника.
Участок ВАХ в интервале напряжений 0,15 < и < 0,35 В (Рис. 2, кривая 1) носит экспоненциальный характер и описывается известным выражением:
I = Is exp
eU nkT
(2)
где I, - ток насыщения, п - диодный показатель. Оценка их величин дала следующие результаты: I, = (4...6)-10-8 A, п = 2...3, при Т = 300 К. Это указывает на над барьерный механизм токопереноса.
Рис. 2. ВАХ БШ Ag/p-Cu2ZnSnS4 в полулогарифмическом масштабе: 1 - прямая ветвь, 2 - обратная, при Т = 300 К
Рис. 3. Прямая (1) и обратная (2) ветви ВАХ БШ Ag/p-Cu2ZnSnS4 в двойном логарифмическом масштабе, при Т = 300 К
При дальнейшем увеличении прямого напряжения, как видно из Рис. 1. ВАХ подчиняется линейному закону
и = U 0 + IRE.
(3)
где и0 - напряжения отсечки, ЯБ - сопротивление базы. Для БШ Ag/p-Cu2ZnSnS4 их величины составляли 0,4 В и 5.17 Ом, соответственно. Изменение сопротивление базы в достаточно широких пределах, по-видимому, связано с изменениями условий кристаллизации CZTS пленок.
При обратном смещении БШ Ag/p-Cu2ZnSnS4 в интервале напряжений 0 < |и| < 0,3 В (Рис. 3, кривая 2) зависимость тока от напряжения носит степенной характер 1~ит (т = 1). При этих смещениях, по-видимому, доминирует туннельный механизм токопереноса [14]. С дальнейшим ростом
обратного напряжения в диапазоне 0,3 < U < 2,5 В происходит возрастания показателя степени до m = 2, что предполагает наличия токов ограниченных
пространственным зарядом в режиме подвижности [13]. При более высоких обратных смещениях начинается мягкий пробой.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, впервые получены поверхностно-барьерные переходы Ag/p-Cu2ZnSnS4 и проведены исследования доминирующих механизмов протекания тока. Из анализа ВАХ определены основные параметры БШ. В диапазоне напряжений 0 < U < 0,15 В доминируют токи, ограниченные пространственным зарядом в режиме насыщения скорости. Участок ВАХ в интервале напряжений 0,15 < U < 0,35 В носит экспоненциальный характер, характерной для рекомбинационных токов, а при дальнейшем увеличении прямого напряжения ВАХ подчиняется линейному закону.
При обратном смещении, в интервале напряжений 0 < | U| < 0,3 В токоперенос связан с туннельным механизмом, в интервале 0,15 < U < 0,35 В доминируют токи ограниченные пространственным зарядом в режиме подвижности. При больших обратных смещениях начинается мягкий пробой.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Seol, J.S. Electrical and optical properties of Cu2ZnSnS4 thin film prepared by RF magnetron sputtering process [Text] / J.S. Seol, S.J. Lee, J.C. Lee, H.D. Nam, K.H. Kim // Solar Energy Materials and Solar Cells. - 2003. - V. 75 (1-2). - P. 155-162.
[2] Persson, C. Electronic and optical properties of Cu2ZnSnS4 and Cu2ZnSnSe4 [Text] / C. Persson // Journal of Applied Physics. - 2010. - V. 107. - P. 053710(1-8).
[3] Wang, K. Thermally evaporated Cu2ZnSnS4 Solar cells / K. Wang, O. Gunawang, T. Todorov, B. Shin, S.J. Chey, N.A. Bojarczuk, D. Mitzi, S. Guha // Applied Physics Letters. - 2010. - V. 97. - P. 144-150.
[4] Jiang, M. Cu2ZnSnS4 Thin Film Solar Cells: Present status and Future Prospects / M. Jiang, X. Yang // Solar Cells. Research and Appl. Persp. - 2012. - P. 107-143.
[5] Алфёров Ж.И. ФТП 1998 г. в. 32. № 3.
[6] Schubert, B.-A., Cu2ZnSnS thin film solar cells by fast coevaporation / B.-A. Schubert, D. Marsen, S. Cinque, T. Unold, R. Klenk, S. Schorr, H.-W. Schock // Prog. Photovolt: Res. Appl. - 2011. - V. 19 - P. 9396.
[7] Shin, B., Gunawan, O., Zhu, Y., Boyarczuk, N.A., Chey, S.J., Guha, S. Prog. Photovolt. Res. Appl. -2011. - DOI: 10. 1002 / pip. 1174.
[8] Гременок, В.Ф. Солнечные элементы на основе полупроводниковых материалов: монография. / В.Ф. Гременок, М.С. Тиванов, В.Б. Залесский. -Минск: Изд.- ЦентрБГУ, 2007, - 224 с.
[9] Rau U., Schock H.W. Cu(InGa)Se2 solar cells. Series on photoconversion on solar energy -2001. - V. 1. - P. 277-345.
[10] Юсупов А., Адамбаев К., Джумабаев Д. Получение пленок Cu2ZnSnS4 / Юсупов А., Адамбаев К., Джумабаев Д. Материалы международной конференции «Актуальные проблемы теоретической и прикладной физики», Ташкент, - 2013, - С. 64-67.
[11] Гук, М.С. Спектры комбинационного рассеяния, электрические и фотолюминесцентные свойства полупроводниковых материалов Cu2Zn(Sn,Ge,Si)(S,Se)4 и (Fe,Mn)In2S4: автореф. док. дис. / М.С.Гук. - Кишинев: 2014. - 25 с.
[12] Hernandez E. Space-Charge-Limited Current Effects in p- Type CuIn0.8Ga0.2Se2/In Schottky Diodes, J. Cryst. Res. Technol., 33, 285 (1998)
[13] Ламперт, Г. Инжекционные токи в твердых телах: монография. / Г. Ламперт, П. Марк. - М.: Мир, - 1973, - 414 с.
[14] Шарма, Б.Л. Полупроводниковые гетеропереходы: монография. / Б.Л. Шарма, Р.К. Пурохит // - М.: Советское радио, - 1979, - 227 c.
Creation and Some Properties of the
Surface-Barrier Transition Ag / Cu2ZnSnS4
A. YUSUPOV, S. R. ALIEV, D.D. ALIZHANOV, ZH.N. USMONOV
Tashkent Institute for Design, Construction and Operation of Highways in Tashkent, Uzbekistan,
Andizhan State University, Andijan, Uzbekistan,
Andizhan Machine-Building Institute, Andijan, Uzbekistan
Abstract'. Schottky barriers were fabricated by the method of thermal deposition of silver onto Cu-ZnSnS4 films of p-type conductivity. Volt-ampere characteristics and mechanisms of current flow in the structures under study are discussed. It is shown that with forward bias there are both currents limited by the space charge in the saturation regime of velocity, and recombination currents. For reverse biases, the tunneling mechanism of current transfer and currents limited by space charge in the mobility mode are characteristic.
Key words: Schottky barriers, conductivity, heterojunction, solar cell, structure, thermal spraying, current flow mechanism.
REFERENCES
[1] Seol, J.S. Electrical and optical properties of Cu2ZnSnS4 thin film prepared by RF magnetron sputtering process [Text] / J.S. Seol, S.J. Lee, J.C. Lee, H.D. Nam, K.H. Kim // Solar Energy Materials and Solar Cells. - 2003. - V. 75 (1-2). - P. 155-162.
[2] Persson, C. Electronic and optical properties of Cu2ZnSnS4 and Cu2ZnSnSe4 / C. Persson // Journal of Applied Physics. - 2010. - V. 107. - P. 053710(1-8).
[3] Wang, K. Thermally evaporated Cu2ZnSnS4 Solar cells / K. Wang, O. Gunawang, T. Todorov, B. Shin, S.J. Chey, N.A. Bojarczuk, D. Mitzi, S. Guha // Applied Physics Letters. - 2010. - V. 97. - P. 144-150.
[4] Jiang, M. Cu2ZnSnS4 Thin Film Solar Cells: Present status and Future Prospects / M. Jiang, X. Yang //
Solar Cells. Research and Appl. Persp. - 2012. - P. 107-143.
[5] Alfjorov Zh.I. FTP 1998 g. v. 32. № 3.
[6] Schubert, B.-A., Cu2ZnSnS thin film solar cells by fast coevaporation / B.-A. Schubert, D. Marsen, S. Cinque, T. Unold, R. Klenk, S. Schorr, H.-W. Schock // Prog. Photovolt: Res. Appl. - 2011. - V. 19 - P. 9396.
[7] Shin, B., Gunawan, O., Zhu, Y., Boyarczuk, N.A., Chey, S.J., Guha, S. Prog. Photovolt. Res. Appl. -2011. - DOI: 10. 1002 / pip. 1174.
[8] Gremenok, V.F. Solnechnye jelementy na osnove poluprovodnikovyh materialov: monografija. / V.F. Gremenok, M.S. Tivanov, V.B. Zalesskij. - Minsk: Izd.- CentrBGU, 2007, - 224 s.
[9] Rau U., Schock H.W. Cu(InGa)Se2 solar cells. Series on photoconversion on solar energy -2001. - V. 1. - P. 277-345.
[10] Jusupov A., Adambaev K., Dzhumabaev D. Poluchenie plenok Cu2ZnSnS4 / Jusupov A., Adambaev K., Dzhumabaev D. Materialy mezhdunarodnoj konferencii «Aktual'nye problemy teoreticheskoj i prikladnoj fiziki », Tashkent, - 2013, -S. 64-67.
[11] Guk, M.S. Spektry kombinacionnogo rassejanija, elektricheskie i fotoljuminescentnye svojstva poluprovodnikovyh materialov Cu2Zn(Sn,Ge,Si)(S,Se)4 i (Fe,Mn)In2S4: avtoref. dok. dis. / M.S.Guk. - Kishinev: 2014. - 25 s.
[12] Hernandez E. Space-Charge-Limited Current Effects in p- Type CuIn0.8Ga0.2Se2/In Schottky Diodes, J. Cryst. Res. Technol., 33, 285 (1998)
[13] Lampert, G. Inzhekcionnye toki v tverdyh telah: monografija. / G. Lampert, P. Mark. - M.: Mir, - 1973, - 414 s.
[14] Sharma, B.L. Poluprovodnikovye geteroperehody: monografija. / B.L. Sharma, R.K. Purohit // - M.: Sovetskoe radio, - 1979, - 227 c.
Юсупов Ахмед - д. ф-м. н. профессор кафедры физики Ташкентского института по проектированию, строительству и эксплуатации автомобильных дороги E-mail: avus@mail.ru
Алиев Сухроб
Райимжонович - старший научный сотрудник -исследователь
Андижанского государственного университета E-mail: suhrob asr89@mail.ru
Алижанов Донёрбек
Дилшодович - старший научный сотрудник-
исследователь Андижанского машиностроительного института
E-mail: doni.al@mail.ru
Усмонов Жохонгир
Нишонбоевич - преподаватель кафедры «Физики и химии» Андижанского
машиностроительного института E-mail:
usmonov.ioxongir@mail.ru
