Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ. Современное развитие физики и технологии материалов и приборов электронной техники сделало возможным качественный скачок данной области науки и техники от микро- к наноэлек-тронике. Уникальные приборы и техники научных исследований позволяют исследовать наноразмерные структуры, в которых размеры отдельных кристаллов влияют на их функциональные свойства. Характерные размеры таких структур не превышают 10-40 нм. Темпы развития этих направлений очень высоки. Развитие этого направления непосредственно связано с техническим уровнем применяемых технологий. Ведутся работы по исследованию возможностей молекулярно-лучевой эпитаксии, ионной бомбардировки, методов молекулярного наслаивания. Последний метод с точки зрения использования в масштабных промышленных процессах наиболее предпочтителен с точки зрения стоимости процессов изготовления. Немалую роль в тенденциях научных исследований играют и экологические проблемы, с которыми столкнулось человечество. Так законодательные акты многих государств заставляют при организации производства отдавать предпочтения технологиям и материалам, которые наносят минимальный вред окружающей среде. В последнее время в нашей стране и за рубежом интерес к наноматериалам возник со стороны разработчиков солнечных элементов, в частности активно развивается концепция фотоэлектрических преобразователей на основе гетеропереходов с ультратонким абсорбером. Актуальность этих исследований связана как с ростом стоимости традиционных источников энергии, так и с наметившимся дефицитом кремниевых пластин, которые традиционно являются основой для солнечных элементов.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Развитие физико-химических принципов технологии формирования солнечных элементов на основе гетеропереходов с контролируемыми и воспроизводимыми параметрами, основанное на установлении основных закономерностей процессов молекулярного наслаивания из водных растворов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие конкретные задачи:
Провести исследование состава, электронных и оптических свойств гетеропереходов нанометровой толщины сформированных методом молекулярного наслаивания;
Провести исследование механизма и кинетики процессов, протекающих при формировании слоев методом молекулярного наслаивания;
Изучить свойства солнечных элементов на основе гетероперехода с ультратонким слоем абсорбера;
Определить возможности и направления дальнейшего усовершенствования технологии изготовления солнечных элементов на основе гетероперехода с ультратонким абсорбером.
Предложен механизм послойного осаждения халькоге-нидов из водных растворов для формирования ультратонких слоев, основанный на учете влияния рН анионных и катионных сред на состав осаждаемых пленок.
Определено влияние состава осаждаемых пленок, а именно, содержания кислорода и водорода, на эффективность генерации неравновесных носителей заряда в поглощающем слое.
Доказана роль состава анионного раствора в достижении максимальной эффективности преобразования солнечной энергии. Установлено, что оптимальные растворы сульфида натрия должны иметь рН=7. При этом значении рН снижается концентрация кислорода в пленках и увеличивается суммарное содержание серы за счет адсорбции полисульфид-ионов.
Установлено, что основные рекомбинационные потери в разработанных солнечных элементах обусловлены состояниями на границе р-n гетероперехода. Снижение потерь в системе сульфид индия/сульфид свинца может быть достигнуто использованием в качестве слоя р-типа PbS, легированного индием.
Разработаны оптимальные режимы формирования гетеропереходов для солнечных батарей с ультра тонким абсорбером.
Разработана технология получения гетеропереходов в непрерывном цикле осаждения обеспечивающая минимальные рекомбинационные потери в структурах.
Разработаны практические рекомендации к методам повышения эффективности солнечных элементов на основе ультратонкого абсорбера основанные на оптимизации структуры пористого оксидного носителя.
Продемонстрирована возможность формирования контакта р-типа к фоточувствительному гетеропереходу на основе CuSCN.
Результаты диссертационной работы использованы в НИР, проводимых в рамках Федеральной целевой научно технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» № 2006-РИ-19.0/001/734 и по заданию министерства образования и науки РФ: № 471-ГБ-53-Б-МФХ.
Работы были поддержаны Грантами РФФИ № 06-02-16555-а, №05-08-01508-а, № 05-03-32744-а, № 02-03-32223-а.
Результаты работы использованы в учебном процессе МИЭТ в курсе лекций «Электрохимические процессы в технологии микро- и наноэлектроники», «Материалы электронной техники».
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: III российско-японский семинар «Оборудование и технологии для производства компонентов твердотельной электроники и наноматериалов», Москва, 2005; 12-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2005», Москва, 2005; XIII Международная школа-семинар «Новые информационные технологии», Судак, 2005, Международная конференция «Микро- и наноэлектроника - 2005», Звенигород, 2005.
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационной работы опубликованы 7 работ и 6 научно-технических отчетов по НИР.
1. Принципы выбора условий осаждения полупроводниковых ге-
тероструктур методом молекулярного наслаивания из водных раство
ров, которые обеспечивают прецизионный контроль толщины (на нано-
метровом уровне) и состава пленок, состоящие в том, что:
Осаждаемое соединение должно быть нерастворимо или малорастворимо в катионном и анионном растворах. Поверхность подложки должна содержать высокую концентрацию активных центров, обеспечивающих адсорбцию первого слоя ионов.
Концентрация растворов для осаждения должна обеспечивать отсутствие образования кластеров физически адсорбированных на поверхности.
Значение рН-показателя анионного раствора должно лежать в пределах 7<рН<8, обеспечивая минимальное содержание кислорода в осаждаемых пленках.
При осаждении халькогенидов, содержащих более одного атома серы на атом металла, необходимо использовать анионные растворы на основе полиионов серы Sn2~.
2. Принципы повышения эффективности солнечных элементов с
ультратонкими поглощающими слоями, которые обеспечивают дости
жение значений напряжения холостого хода элемента до 0,9 В и тока
короткого замыкания до 11 мА/см2, заключающиеся в том, что:
Главным механизмом потерь в разработанных солнечных элементах является рекомбинация на ловушках в области гетероперехода.
Формирование гетеропереходов методом молекулярного наслаивания должно осуществляться в едином цикле наслаивания, для предотвращения окисления границы раздела. Использование смешанных сульфидов позволяет существенно, на несколько порядков, снизить величину рекомбинаци-онных токов за счет уменьшения степени рассогласования кристаллических решеток на границе гетероперехода. Метод молекулярного наслаивания позволяет получать материалы с различной шириной запрещенной зоны за счет использования смешанных и легированных сульфидов.
3. Конструктивно-технологические решения по оптимизации
структуры пористого прозрачного акцептора электронов на основе ТЮг
и ZnO, которые обеспечивают многократное увеличение тока короткого
замыкания, состоящие в том что:
Пористый прозрачный электрод n-типа, должен представлять собой структуру с удельной поверхностью не менее 10 см2/см2 при толщине 1 мкм, содержать открытые поры диаметром не менее 100 нм.
В качестве такого электрода могут быть использованы пористый анодный оксид титана и массив нитевидных нанокри-сталлов ZnO, осаждаемый химическим способом при низких температурах.
Наиболее эффективным материалом, обеспечивающим качественный контакт к гетеропереходу со сложной морфологией, является p-CuSCN, который наносится пропитыванием пористой структуры насыщенным раствором тиоцианата меди.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти основных глав с выводами, общих выводов, списка использованных источников из 62 наименований и приложения. Основное содержание диссертации изложено на 104 страницах и содержит 49 рисунков и 7 таблиц.
