ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК PbS МЕТОДОМ ХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ В СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЯХ

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Международный Научный Институт & quot-Educatio"- II (9), 2015
20
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК PbS МЕТОДОМ ХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ В СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЯХ
Ахмедов Орудж Рагим
научный работник Института Природных Ресурсов Нахчыванского Отделения НАН Азербайджана
Махмудова Назилья Веки л
научный работник Института Природных Ресурсов Нахчыванского Отделения НАН Азербайджана
RECEIVING PbS THIN FILMS BY CHEMICAL BA TH DEPOSITION AND APPLICA TION SOLAR CELLS Oruj Rahim Ahmadov, researcher at the Institute of Natural Resources of Nakhchivan Department of ANAS Makhmudova Nazila Vekil, researcher at the Institute of Natural Resources of Nakhchivan Department of ANAS
АННОТАЦИЯ
Использованием метода химического осаждения получена тонкая пленка PbS c толшиной 102,1 нм. На полученных тонких пленках были проведены рентгено — дифрактометрические анализы. В результате измерений методам эллипсометрии определены е1 и е2 — диэлектрические константы образцов PbS. Исследованы оптические свойства, определен спектр поглощения в области инфракрасного спектра тонких пленок. Из зависимости установлена ширина запрещенной зоны для тонкой пленки PbS. Рассмотрено возможности применение гетеропереходов Cd06Zn04S/PbS и CdS/PbS в солнечных фотоэлектрических установках. Определены параметры преобразования оптимизированных тонких пленок с учетом их оптических и электрических свойства, где можно получить лучшую производительность батареи.
ABSTRACT
Using the method of chemical bath deposition thin films PbS c Width 102.1 nm. On the resulting thin film were carried out X — ray diffraction carried out. As a result of measurement by ellipsometry identified el and e2 — the dielectric constant of the samples PbS. The optical properties determined by the absorption spectrum in the infrared spectrum of the thin films. The dependence is set for the bandgap of the thin film PbS. The possibility of using heterojunctions Cd06Zn04S / PbS and CdS / PbS in solar photovoltaic installations. The parameters of the optimized transformation of thin films based on their optical and electrical properties, where you can get the best performance of the battery.
Ключевые слова: галенит, сера, солнечные преобразователи, фотоэлектричества, химическое осаждение, триэтаноламин, эллипсометр.
Keywords: galena, sulfur, solar inverters, solar converters, chemical vapor deposition, triethanolamine, ellipsometer.
Широкое использование альтернативных и возобновляемых источников энергии в последнее время, требует создание новых, высококачественных полупроводниковых материалов и устройств. Для этой цели создание элементов солнечных преобразователей с использованием местных материалов считается наиболее перспективным.
Минеральные ресурсы Нахчыванской Автономной Республики разнообразно и достаточно перспективны. В этот ряд относится минералы который содержит такие элементы как Au, Cu, Zn, Mo, Sb, Sn, Pb, S и т. д.
Минерально — сырьевая база Автономной Республики включает в себя 41 разных промышленных ресурсов полезных ископаемых. В регионе особое место занимает Гюмушлунский — галенит- Несирвазский — свинец, молибден- Гёмур, Сальвартынский — сера- Агдеренский — полуметаллический месторождений. Существование природных месторождений минералов, которые являются основным сырьем полупроводникового материала сульфида свинца (Pb-свинец и S-сера) в АР, стимулирует научно-исследовательскую работу в этой области. Основное направление наших исследований разделение Pb — свинца и S -сера из минералов и получения на этих основах тонкие пленки PbS, исследования и применение. Для этой цели первоначально нами были получены тонкие пленки PbS, проведены их рентгенографические -дифрактометриче-
ские анализы, исследованы оптические свойства и возможности применение в солнечных фотоэлектрических установках.
Среди полупроводниковых соединений типа AIVBVI наиболее изученными являются халькогениды свинца. Сульфид свинца являются традиционными материалами для термоэлектричества и ИК — оптоэлектроники [1, с. 98]. Тонкие пленки сульфидов широко используются при изготовлении электронных устройств таких, как фотосопротивления, тонкопленочные транзисторы, фотодетекторы, электролюминесцентные батарейки и активные элементы преобразователей солнечной энергии [2, с. 24]. В отличие от всех других полупроводников температурный коэффициент запрещенной зоны PbS положительно [3, с. 14]. Известно, что при уменьшении размера полупроводниковых халькогенидных частиц (зерен) до нескольких десятков нанометров и менее наблюдается значительное изменение свойств халькогенидов и, в частности, сульфида свинца. Это обусловило повышенный интерес к изолированным наночастицам, нанокристаллическим порошкам и тонким пленкам (наноструктурированным) сульфиду свинца. По своей структуре и свойствам они могут заметно отличаться от крупнозернистого PbS [4, с. 279].
Существуют различные способы, такие как химическое осаждение из раствора, осаждение из паровой
Международный Научный Институт & quot-Educatio"- II (9), 2015
21
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
фазы, вакуумное термическое напыление и др. для получения тонких пленок халькогенидов свинца [5, с. 104]. По своей простоте и эффективности химическое осаждение из раствора является одним из распространенных методов.
Для получения тонких пленок PbS из химического осаждения использованный раствор был изготовлен из следующих реагентов, впервые в этой работе взятых в одинаковых количествах (13 мл по объемному размеру): ацетат свинца, Pb (CH3COO)2 — 0,07М- гидроксида натрия (NaOH) -0,3М- триэтаноламин N (CH2CH2OH)3 -0,06M- тиомочевина (NH2)2CS — 0,17 М. Процесс химического осаждения, проведен внутри 60 миллилитровом лабора-
торном стакане. В отличие от некоторых исследовательских работ в этом направлении, как указано в литературах последних лет в нашей работе осаждения проводились при более низком- 400C и стабильном температурном режиме. В раствор заранее помещали вертикальную стеклянную подложку и в течение всего процесса раствор смещался с магнитной мешалкой. Через 20 минут подложка удалялся из раствора, промывалась дистиллированной водой и сушилась. После этого процесса на стеклянной подложке была получена хорошо осажденная, однородная, темно-коричневая тонкая пленка PbS. Механизм реакции для формирования PbS с помощью триэтаноламина (ТЭА), как комплексообразователя выглядит следующим образом:
[РЬ (СНЗСОО)2 • 3H20+2Na0H]----& gt-Pb (0H)2+2Na (CH3C00)+3H20
— /~тт~ - С) ТТ~
SC (NH2)2+2H20 ----> H2S (g)+C02(g)T+2NH3(g)T '----> S2-+H20
40° «
2Pb (OH)2+2 [С6Н15N03 ] и-> 2[Pb (TEA)n]+2H20+02
40°
[Pb (TEA)n]-----> Pb2++n (TEA)
40°.
Pb2++S2-----> PbS
На полученных тонких пленках были проведены рентгено — дифрактометрический анализы.
Рис. 1. Рентгено — дифрактометрические спектры тонкой пленки PbS полученный химическим осаждением.
Из рисунка 1 видно, что на образцах тонких пленок PbS, полученный химическим осаждением, расположение и интенсивности всех дифракционных пиков полностью совпадают всеми рентгеновскими стандартами для PbS.
Для определение оптических параметров тонких пленок PbS полученным путем химического осаждения на образцах проведен эллипсометрический метод анализа.
Эллипсометрические методы исследования разрешают получить информацию тонких пленках на поверхности подложки, данные методы не влияют на поверхность пленки и очень чувствительны к слабым эффектам на границе раздела. В данном методе используется изменение поляризации, которое имеет место, когда луч поляризованного света отражается от границы раздела или поверхностного слоя исследуемых объектов [6,с. 122].
Международный Научный Институт & quot-Educatio"- II (9), 2015
22
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
Измерения проводилось на эллипсометре маркой „J. А. WOOLLAM COMPANY-M200®SPEKTROSCOPIC ELLIP SOMETER“.
Общая толщина тонких пленок было в порядке 102,1 нм (толщина пленки — 87,7 нм + шероховатость — 14, 4 нм). На рисунке 2 показан результаты измерения толщины образцов PbS.
В результате исследований определены е1 и е2 — диэлектрические константы. Ниже в таблице 1 приведена некоторые экспериментальные и палические значение диэлектрических функции е1 и е2 в интервале длина волн 0 — 0,7 еВ.
Рис. 2. Толщина образцов PbS. а) шероховатость, б) тонкий слой, в) стеклянная подложка.
Таблица 1
Некоторые значение диэлектрических функции е1 и е2 в интервале длина волн 0 — 0,7 еВ.
eV е1 е2 eV е1 е2
эксперимент палик
6. 449 373 0. 840 242 2. 642 656 6. 449 373 -1. 561 877 3. 458 247
6. 294 309 0. 786 568 2. 767 781 6. 294 309 -1. 593 251 3. 693 296
5. 914 944 0. 439 733 3. 106 167 5. 914 944 -1. 676 943 4. 320 299
4. 707 659 0. 109 358 5. 268 050 4. 707 659 -2. 608 792 6. 844 403
4. 114 073 0. 160 974 7. 466 751 4. 114 073 -4. 620 835 9. 197 939
3. 889 148 0. 565 199 8. 720 360 3. 889 148 5. 291 385 10. 975 956
3. 413 735 3. 953 218 11. 259 107 3. 413 735 2. 57 311 20. 544 603
2. 404 496 10. 118 484 7. 394 230 2. 404 496 15. 661 793 15. 306 604
1. 929 057 11. 378 533 4. 94 128 1. 929 057 17. 83 616 12. 392 474
1. 702 141 13. 144 956 1. 592 600 1. 702 141 19. 582 325 10. 352 324
0. 973 603 13. 235 331 0. 734 837 0. 973 603 18. 157 276 3. 575 744
0. 788 101 13. 45 831 0. 346 344 0. 788 101 17. 870 216 3. 58 649
0. 734 637 13. 33 941 0. 223 597 0. 734 637 17. 822 718 2. 905 088
Рис. 3. Экспериментальные и палические кривые диэлектрических функции е1 и е2 тонких пленок PbS.
Как видно из графика все кривые диэлектрических функции е1 и е2 тонких пленок PbS почти совпадают.
Для изучения оптических свойств тонкой пленки PbS на стеклянных подложках был использован инфракрасный спектрофотометр & quot-Nikolet iS -10& quot-.
На рисунке 4 показано спектр поглощения в области инфракрасного спектра тонкой пленки PbS существующий на фоне пиков функциональных групп.
После идентификации поглощение относящий только для тонкой пленки PbS, были построены зависимости а (И у) (рис. 5). Как известно для вычисления ширину запрещенной зоны полупроводника используется формула Тауца [7, с. 74]:
(аИ у)» = л (и у- Eg) (1)
где А- постоянная числа, Eg — ширина запрещенной зоны
полупроводника, И у — энергия фотона, а n- в зависимости от типа перехода может получить четыре различных значение. Так как, для разрешенного прямого перехода n= ½, для разрешенного упрямого перехода n= 2, для запретного прямого перехода n= 3/2, для запретного упрямого перехода n= 3 [8, с. 101]. Для этой соединений соотношения n= ½ выполняется, так как PbS является прямозонным полупроводником [9, с 272]. Чтобы найти значение ширину запрещенной зоны полупроводника были постро-
(аИ у)2
ены зависимости кривых
от Иу (рис. 5).
Международный Научный Институт & quot-Educatio"- II (9), 2015
23
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
Рис. 5. Зависимость
(afivУ ~ f (hv)
для тонкой пленки PbS полученный химическим осаждением.
Из этого зависимости можно установить в основании пересеканиям областа прямой линии с осью ^ тонкой пленки PbS полученного методом химического оса-
E = 0,37eV
ждения ширину запрещенной зоны: g. По-
лученный нами эти значении для тонкой пленки PbS хорошо совпадает с литературными данными [10, с. 1189].
Фотоэлектрические элементы, как известно, поглощают света (фотонов) от солнца и преобразуют их непосредственно в электричество. Излучение, попадающее на поверхность элемента, генерирует в объеме полупроводника носители заряда с разными знаками — электроны (n) и дырки (p). Во многих солнечных фотоэлектрических установках применяются тонкопленочные PbS вместе с другими подходящими полупроводниковыми веществами [11, с. 144]. На рис. 6 а) и б) иллюстрируется простейшие схемы устройства солнечного элемента на основе тонкой пленки PbS.
На рис. 6 а) показано полная структура солнечной батарейной установки на основе гетероперехода Cd06Zn04S/PbS, его поперечный разрез и схема распределения тонкопленочный р- тип слой PbS и n- тип слоя с Cd06Zn04S. На подложке обе стороны контактировали чистым металлом Ag. С учетом оптимальных условий, тонкая пленка Cd06Zn04S была выбрана в качестве оконного слоя. Cd06Zn04S как фотоэлектрический элемент имеет
большую ширину запрещенной зоны 2,72 эВ, высокий коэффициент пропускания выше 79%, низкие коэффициенты преломления, оптическую абсорбцию и коэффициент экстинкции, а также довольно низкое удельное сопротивление слоя и диэлектрическую проницаемость. Оптимальный поглощающий слой был выбран в качестве 0,3 М PbS и обусловлен тем, что он имеет низкий показатель преломления, низкий коэффициент пропускания ниже 55%, и довольно высокий коэффициент поглощения и экс-тинкции [12, с. 349]. Ниже в таблице 1 показано параметры преобразования гетероструктура Cd06Zn04S/ PbS.
Лучший производительность рассмотренного фотовольтаического элемента при толщине 100нм Cd06Zn04S и 100−200нм PbS, ток короткого замыкания, 1кз = 0,031, напряжение разомкнутой цепи, Vрц = 0. 37V, коэффициент заполнения FF = 0. 66, а эффективность, п = 0,9, как показано в таблице 1.
На рис. 6. б) показан схем солнечной фотоэлектрической установки, и диаграмма энергетических зон солнечного элемента. оптимизированный гетероперехода CdS/PbS. Тонкая пленка CdS выбран для оконного слоя (п-типа полупроводник) толщиной 70нм и поглошающая покрытия (р-типа полупроводник) тонкая пленка? Ъ8 100 200нм. Контакты наносили с лицевой и с тыльной стороны соответственно: металл 150нм- ITO 150нм. Исследована вольтамперная характеристика гетероперехода CdS/PbS. На рис. 7 показан результаты измерений вольтамперной характеристики.
лицевой контакт (Ag)
а)
Международный Научный Институт & quot-Educatio"- II (9), 2015
24
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
б)
Рис. 6. Схемы солнечной фотоэлектрической установки на основе гетеропереходов Cd06Zn04S/ PbS и CdS /PbS.
Таблица 2
Параметры преобразования гетероструктура Cd06Zn04S/ PbS
Параметры преобразования Значение параметров
1кз 0. 031 A
Vрц 0. 37 V
Vмакс. 0. 29 V
1макс. 0. 026 A
Pма x 0. 754 W
FF 0. 66
п 0. 9
Рис. 7. вольтамперная характеристика гетероперехода CdS/PbS.
Проведенные исследовании этой устройства показали лучшие результаты при напряжение разомкнутой цепи Vрц =638 мВ, тока короткого замыкания J^= 12 мА см-2, и в целом эффективности фото-преобразования (п) на 3,3% при освещении 100 мВт. см-2 [13, с. 1012].
Использованием метода химического осаждения получена тонкая пленка PbS с толшиной 102,1 нм, что считается самым подходяшим для солнечных фотоэлектрических установок. Результаты рентгено — дифрактометриче-ского анализа полностью подтвердили совпадение расположений и интенсивностей всех дифракционных пиков рентгеновскими стандартами. Определены е1 и е2 — ди-
электрические константы образцов PbS. Исследованы оптические свойства, определен спектр поглощения в инфракрасной области тонких пленок PbS. Из зависимости (ohv)-(fhv) установлена ширина запрещенной зоны для тонкой пленки PbS, полученного химическим осаждением соответствующее Eg=0,37eV. Определены параметры преобразования гетероструктур Cd06Zn04S/PbS и CdS/PbS, где лучший производительность устанвки с учетом их оптических и электрических свойств с самым высоким коэффициентом преобразования. Построен график вольтамперной характеристик гетероперехода CdS/PbS. Получен-
Международный Научный Институт & quot-Educatio"- II (9), 2015
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
25
ные результаты дают основание для эффективного применения тонкой пленки PbS в солнечных фотоэлектрических установках.
Список литературы
1. Буткевич В. Г., Бочков В. Д., Глобус Е. Р. Фотоприемники и фотоприемные устройства на основе поликристаллических и эпитаксиальных слоев халь-когенидов свинца // Прикладная физика. 2001. № 6. с. 66−112.
2. Zhang H., Yang D. and Niu J., J. Cryst. Growth, 246 (2002) 108.
3. Мараева Е. В. Получение и исследование наноструктурированных поликристаллических слоев и систем с квантовыми точками на основе халькоге-нидов свинца: дис. … канд. физ. -мат. наук / С. -Петербург 2014, 156 с.
4. Садовников С. И., Гусев А. И., Ремпель А. А. Новая кристаллическая фаза в тоньких пленках сульфида свинца. Письма в ЖЭТФ, 2009, том 89, вып. 5, с. 279−284.
5. Марков В. Ф., Маскаева Л. Н., Иванов П. Н. Гидрохимическое осаждение пленок сульфидов металлов: моделирование и эксперимент. Екатеринбург.: УрО РАН. 2006. 218 с.
6. Власенко А. И., Левицкий С. Н., Генцарь П. А., Крыськов Ц. А. «Оптическая свойства халькогени-
дов свинца». Актуальные проблемы физики твердого тела: сб. докл. Межд. науч. конф., Минск. В 3 т. Т. 2, центр БГУ, 2009. — 344 с.
7. J. Tauc (Ed.), Amorphous and Liquid Semiconductors, Plenum Press, New York, 159 (1974).
8. J.I. Pankove, Optical Process in Semiconductors, New Jersey, USA 34 (1971).
9. J.J. Valenzuela-Jauregui, R. Ramrez-Bon, A. Mendoza-Galvan, and M. Sotelo- Lerma. Thin Solid Films, 441, 2003.
10. Popescu. V, H.I. Na§ cu, and E. Darvasi, Optical properties of PbS- CdS
11. multilayers and mixed (CdS+PbS) thin films deposited on glass substrate by spray pyrolysis. J of Optoelectronics Advanced Materials, 2006. 8(3): p. 1187−1193.
12. Mosiori C. O. [B. Ed (Sc)], Elearrical and Optical Characterization of CdxZn1-xS and pbs Thin Films for Photovoltaic Applications. Thin Film Solids. 370: 144 148.
13. Guoshi, J., Wang, N., Gong, L. and Xuening, F. Optical properties and forming mechanisms of CdZnS thin film grown by chemical bath deposition, Chalcogenide Letters, 7: (2004), 349 — 355.
14. Harumi, O., Gomez-Daza, J., Campos, M., Nair, M. and Nair, P. Revisiting CdS-PbS solar cell structure. Materials Research Society proceedings, 12: (1995) 1012- 1019.
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИОТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ В КОМПОЗИЦИЯХ
ПЭНП + X o6. %TlInSe2^>-f ПЭНП + x об%1п2& amp-3 ^
Годжаев Эльдар Мехрали
Зав каф. Физики и НИЛ «Физика и техника наноструктур» Азербайджанского технического университета,
д. фм. н,. проф,. Заслуженный деятель науки Азербайджанской Республики
Ахмедова Хадиджа Рамиз докторант кафедры физики Азербайджанского технического университета
Байрамов Руслан Акиф
докторант кафедры физики Гянджинского государственного университета
Мирзоева Ирада Сардар
Ассистент Азербайджанского государственного аграрного университета
STUDY RADIOTHERMOLUMINESCENCE IN THE COMPOSITION LDPE + Xv%TlInSe2 & lt-Al>-, LDPE + xv%oIn2 Se3
Gojaev Eldar, Head of Department. Physics and laboratory & quot-Physics and technology of nanostructures& quot- AzTU, d. ph.s. prof. Honored Scientist of Azerbaijan Republic Khadija Ramiz Ahmadova, doctorant in Physics department at AzTU Bayramov Ruslan akif oqli, doctoral student in physics Ganja State University Mirzoeva Irada Sardar kyzy, Assistant of Azerbaijan State Agrarian University АННОТАЦИЯ
В работе излагаются результаты исследования спектров радиотермолюминесценции композиционных матери-
ПЭНП + x об. %TlInSe,
(0& lt-x<-40),
ПЭНП + x об%TlInSe2 + y об^/^Г
(0& lt-x<-10, 1& lt-у<-10) и
'-° 2 3 (0& lt-x<-10) в температурном интервале 77−250К. Облучение образцов проводились при тем-
пературе 77К в темноте, источники у лучей дозой 1Мрад. Кривые записывались при плавном разогреве образца со скоростью 10−12 град/мин.
ABSTRACT
The paper presents the results of investigations spectra of the radiothermoluminescence of composite materials
LDPE + xv. /TlInSe
2 (0 & lt-x & lt-40),
ПЭНП+x об. %TlInSe2 + y об%Al
(0 & lt-x & lt-10, 1 & lt-y & lt-10) and
алов

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой