Исследование физических процессов в фоточувствительных гетероструктурах на основе тонких слоев CdTe [Rezumat]

Abstract

Цель работы: разработка методики получения и исследование тонкопленочных СЭ на основе гетероперехода (ГП) CdS/CdTe с диэлектрическим слоем CdO, нанометрической толщины. На основании исследований электрических и фотоэлектрических измерений, определить оптимальные технологические условия для изготовления тонкопленочной гетероструктуры CdS/CdO/CdTe методом квазизамкнутого объѐма. Задачи исследования: изучить особенности эпитаксии методом CSS полупроводниковых соединений группы А2В6 и разработать способы оптимизации режимов получения тонких пленок CdS, CdTe; разработать технологию создания изолирующего нанослоя CdO на границе разделаCdS/CdTe; исследовать электрическиe свойства ГП CdS/CdTe и CdS/CdO/CdTe, используя комплексный подход, включающий анализ ВФХ, ВАХ и адмиттанс-спектроскопию при различных температурах и частотах переменного сигнала; изучить влиянии изолирующего нанослоя CdO на фотоэлектрические параметры СЭ CdS/CdTe. Научная новизна и оригинальность работы состоит в систематическом исследовании влияния нанометрического слоя CdO на фотоэлектрические параметры, профили концентрации носителей заряда и энергии ионизации примесных уровней полученных гетероструктур методами ВФХ, ВАХ и адмиттансной спектроскопии. Решенная важная научная проблема заключается в том, что впервые проведен широкий комплекс электрическиx исследований ГП CdS/CdTe и продемонстрированo, что одним из методов увеличения концентрации свободных дырок для ионизации дефектов (увеличения концентрации собственных акцепторных дефектов вакансии кадмия, VCd), является внедрение изолирующего нанослоя CdO на границе раздела CdS/CdTe ГП фотопреобразователей. Внедрение изолирующего нанослоя CdO, толщиной 8-10 нм, методом магнетронного распыления между фронтальным CdS и поглощаемым CdTe слоями повышает ток короткого замыкания с 15,7 мА/см2 до 26,5 мА/см2 и напряжение холостого хода с 0,66 В до 0,77 В, увеличивая коэффициент полезного действия с 3,8 % до 8,9 %. Теоретическая значимость работы состоит в установлении механизма токопрохождения в ГП CdS/CdTe, контролируемого двумя типами примесных уровней (~ 0.45 эВ и ~ 0.27 эВ), а в ГП CdS/CdO/CdTe одним уровнем (~ 0.25 эВ). Scopul tezei: dezvoltarea tehnologiei de producție și studiul celulelor solare cu straturi subțiri bazate pe heterojoncțiunea CdS/CdTe (HJ) cu un strat dielectric CdO de grosime nanometrică. Pe baza studiilor măsurătorilor electrice și fotoelectrice, determinarea condițiilor tehnologice optime pentru producerea HJ din straturi subțiri de CdS/CdO/CdTe prin metoda CSS. Obiectivele cercetării: studierea caracteristicilor epitaxiei prin metoda CSS a compușilor semiconductori A2B6 și dezvoltarea metodelor pentru optimizarea modurilor de obținere a straturilor subțiri de CdS și CdTe; dezvoltarea unei tehnologii pentru crearea unui nanostrat izolator de CdO la interfața CdS/CdTe; studierea proprietăților electrice ale HJ CdS/CdTe și CdS/CdO/CdTe utilizând o abordare cuprinzătoare care include analiza caracteristicilor C-V, I-V și spectroscopia de admitanță la diferite temperaturi și frecvențe alternative ale semnalului; studierea efectului nanostratului izolator de CdO asupra parametrilor fotoelectrici ai celulelor solare CdS/CdTe. Noutatea și originalitatea științifică a lucrării constă în studiul sistematic al influenței stratului nanometric de CdO asupra parametrilor fotoelectrici, profilurilor de concentrație a purtătorilor de sarcină și energiei de ionizare a nivelurilor de impurități utilizând metodele C-V, I-V și spectroscopia de admitanță a HJ obținute. Problema științifică importantă rezolvată este că, pentru prima dată, a fost efectuată o gamă largă de studii electrice ale HJ CdS/CdTe și s-a demonstrat că una dintre metodele de creștere a concentrației de goluri libere pentru ionizarea defectelor (creșterea concentrației de defecte acceptoare intrinseci ale locurilor vacante de cadmiu, VCd) este introducerea unui nanostrat izolator de CdO la interfața fotoconvertoarelor CdS/CdTe HJ. Introducerea unui nanostrat izolator de CdO, cu grosimea de 8-10 nm, prin pulverizare magnetronică între straturile frontale de CdS și CdTe absorbite crește curentul de scurtcircuit de la 15,7 mA/cm2 la 26,5 mA/cm2 și tensiunea de circuit deschis de la 0,66 V la 0,77 V, crescând eficiența de la 3,8% la 8,9%. Semnificația teoretică a lucrării constă în stabilirea mecanismului de curgere a curentului în HJ CdS/CdTe controlat de două tipuri de niveluri de impuritate (~ 0,45 eV și ~ 0,27 eV), iar în HJ CdS/CdO/CdTe de un nivel (~ 0,25 eV). The goal of the thesis: development of the production technology and study of thin film solar cells based on the CdS/CdTe heterojunction (HJ) with a CdO dielectric layer of nanometric thickness. Based on the studies of electrical and photoelectric measurements, determine the optimal technological conditions for the production of a thin film CdS/CdO/CdTe HJ by the CSS method. Research objectives: to study the features of epitaxy by CSS method of A2B6 semiconductor compounds and to develop methods for optimizing the modes of obtaining CdS and CdTe thin films; to develop a technology for creating an insulating CdO nanolayer at the CdS/CdTe interface; to study the electrical properties of CdS/CdTe and CdS/CdO/CdTe heterojunctions using a comprehensive approach that includes analysis of the C-V characteristics, I-V characteristics, and admittance spectroscopy at different temperatures and alternating signal frequencies; to study the effect of the insulating CdO nanolayer on the photoelectric parameters of CdS/CdTe solar cells. The scientific novelty and originality of the work consists in the systematic study of the influence of the nanometric CdO layer on the photoelectric parameters, charge carrier concentration profiles and ionization energy of impurity levels using the methods of C-V, I-V and admittance spectroscopy of the obtained HJ. The solved important scientific problem is that for the first time a wide range of electrical studies of CdS/CdTe HJ was carried out and it was demonstrated that one of the methods for increasing the concentration of free holes for ionization of defects (increasing the concentration of intrinsic acceptor defects of cadmium vacancies, VCd) is the introduction of an insulating CdO nanolayer at the interface of CdS/CdTe HJ photoconverters. The introduction of an insulating CdO nanolayer, 8-10 nm thick, by magnetron sputtering between the front CdS and absorbed CdTe layers increases the short-circuit current from 15.7 mA/cm2 to 26.5 mA/cm2 and the open-circuit voltage from 0.66 V to 0.77 V, increasing the efficiency from 3.8% to 8.9%. The theoretical significance of the work consists in establishing the mechanism of current flow in the CdS/CdTe GP controlled by two types of impurity levels (~ 0.45 eV and ~ 0.27 eV), and in the CdS/CdO/CdTe GP by one level (~ 0.25 eV).