Обнаружено , что при увеличении доли оксида цинка в образцах n-ZnO/p-Si шероховатость поверхности пленки снижается. Определены возможности применения гетероструктуры n-ZnOp-Si в преобразователях солнечной энергии в электрическую. Эти материалы обладают экологической чистотой, доступностью и невысокой ценой.
Ключевые слова: металлооксид, кремний, спрей-пиролиз, фотолюминесценция, деформация, преобразователь, солнечная энергия.
В настоящее время основным материалом для солнечных батарей является кремний с шириной запрещенной зоны около 1 эВ. Эффективность кремниевых батарей ограничена, так как они преобразуют в электричество только часть видимого и инфракрасного диапазона широкого спектра излучения солнца. Свет синий и фиолетовой, части солнечного спектра, кремниевыми элементами не преобразуется в электричество. Мсталлооксиды ZnO и SnО 2 обладают шириной запрещенной зоны более 3 эВ и хорошо поглощают свет фиолетовой и ультрафиолетовой части солнечного спектра.
Повысить эффективность преобразования солнечной энергии фотовольтаическим элементом на основе p-n -перехода в кремнии можно путем нанесения тонкой пленки ZnO и SnO 2 n -типа на поверхность кремниевого солнечного элемента. В результате образуется «оптическое окно» (изотипный гетеропереход), расширяющее диапазон преобразования солнечной энергии в ультрафиолетовую и фиолетовую область спектра и повышающее эффективность преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. В связи с этим в настоящей работе приводятся результаты проводимых в последние годы исследований, некоторые морфологические и фотоэлектрические свойства тонкопленочного гетеропереходного диода n-ZnO/p-Si, полученного золь-гель методом.
Для получения тонких металлооксидных слоев ZnO на кремнии нами использован метод спрей-пиролиза по технологии, описанной в работе [1]. Нанесение производилось на подложке кремния р -типа проводимости с кристаллографической ориентацией (100). Подложки нагревались керамическим тепловым элементом размером 245х60 мм. Температура поверхности контролировалась пирометром HoldPeak hp-1500. Были опробованы разные температуры от 300 до 500 °С и выбрана оптимальная температура 420 °С для ZnO. Для нанесения раствора создавалась аэрозоль при помощи аэрографа OPHIR AC004A, имеющего сопло диаметром 0,3 мм, давление воздуха для аэрографа создавалось безмасляным поршневым компрессором AS186.
Напыление пленок ZnO осуществлялось на поверхность предварительно разогретого кремния со скоростью 8 мл/мин. Расстояние от распыляющей головки до предварительно разогретого кремния составляло 85 см. Многослойное напыление пленки ZnO происходило по 1 мин с последующим перерывом в 30 секунд для восстановления температуры подложки. Таким образом, было получено 20 слоев.
Исследования поверхности проводились с использованием промышленного атомно-силового микроскопа (АСМ) Solver-NEXT, позволяющего измерять рельеф поверхности, распределение потенциала по поверхности. Шаг сканирования определялся выбором линейных размеров области сканирования и составлял (256 x 256).
Спектры фотолюминесценции были получены на спектрометре LabRam HR800 в геометрии обратного рассеяния при комнатной температуре. Возбуждение производилось при помощи Ar+ лазера с удвоением частоты (линия возбуждения 244 нм, плотность возбуждения 10 21 фотон/c·см 2 , мощность излучения, падающего на образец ~ 2.5 мВт). Для фокусировки лазерного излучения использовался объектив c 40-кратным увеличением, диаметр лазерного пятна на образце составлял 3–4 мкм.
На рис. 1 приведены изображения микрорельефа и профиля распределения неоднородностей поверхности. На исследованной площади перепад высот рельефа составил порядка 14 нм. По профилю распределения высот неоднородностей можно визуально оценить размер поверхностных агломератов, находящихся на поверхности образца, который оставляет от 10 до 18 нм. При анализе образцов n -ZnO/ p -Si, было выяснено, что при увеличении доли оксида цинка в образцах шероховатость поверхности пленки снижается.
На рис. 2 показано фотолюминесцентная-спектроскопия гетероструктуры ZnO/Si при комнатной температуре. В спектрах фотолюминесценции наблюдается только сильный ближний краевой пик излучения при 377 нм, обусловленный переходами пары донор-акцептор. Однако отсутствие каких-либо других эмиссионных пиков различных типов дефектов (например, эмиссия зеленой полосы из-за кислородной вакансии в пленке ZnO при ~550 нм) в характеристике фотолюминесцентных гетероструктур указывает на то, что выращенная пленка ZnO практически свободна от дефектов и является гетероструктурой с повышенным свойством УФ-детекции при ~377 нм.
Рис. 1. АСМ изображение тонкопленочного гетероперехода n-ZnO/p-Si
Рис.2. Спектра фотолюминесценции пленки ZnO
Таким образом, спектры фотолюминесценции показывают, что приведенные условия являются оптимальными для выращивания высококачественного слоя ZnO на Si практически без дефектов в видимой области. Такие параметры предлагаемых гетераструктур представляются перспективными для высокопроизводительных и недорогих коммерческих применений УФ-детектирования.
Литература:
- Ш. Х. Йулчиев и др. Использование пиролитических металлооксидных пленок для изготовления фотоэлектрических преобразователей энергии. Вестник Воронежского государственного технического университета. 2019. Т. 15. № 5. Ст. 72–77.
