ТОНКИЕ ПЛЕНКИ ТОНКИЕ ПЛЕНКИ SnS SnS ДЛЯ ФОТОВОЛЬТАИКИ ДЛЯ ФОТОВОЛЬТАИКИ С.А. Башкиров С.А. Башкиров Лаборатория физики твердого тела Лаборатория физики твердого тела Государственное научно-производственное объединение Государственное научно-производственное объединение «Научно-практический центр НАН Беларуси по «Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению» материаловедению» 220072, г. Минск, ул. П. 220072, г. Минск, ул. П. Бровки, 19 Бровки, 19
ТОНКИЕ ПЛЕНКИ SnS ДЛЯ ФОТОВОЛЬТАИКИ. С.А. Башкиров Лаборатория физики твердого тела Государственное научно-производственное объединение «Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению» 220072, г. Минск, ул. П. Бровки, 19. Актуальность. 3. Недостатки традиционных материалов : - PowerPoint PPT Presentation
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
ТОНКИЕ ПЛЕНКИТОНКИЕ ПЛЕНКИ SnS SnS ДЛЯ ФОТОВОЛЬТАИКИ ДЛЯ ФОТОВОЛЬТАИКИ
С.А. БашкировС.А. Башкиров
Лаборатория физики твердого телаЛаборатория физики твердого тела
Государственное научно-производственное объединениеГосударственное научно-производственное объединение «Научно-практический центр НАН Беларуси по «Научно-практический центр НАН Беларуси по
материаловедению»материаловедению» 220072, г. Минск, ул. П.220072, г. Минск, ул. П. Бровки, 19Бровки, 19
Недостатки традиционных материаловНедостатки традиционных материалов:: --низкое содержание в природе и высокая цена низкое содержание в природе и высокая цена In In ограничивает широкое использование модулейограничивает широкое использование модулей на основе на основе CIGSCIGS --токсичностьтоксичность Cd Cd поднимает проблему утилизации поднимает проблему утилизации отработанных модулей на основе отработанных модулей на основе CdTe CdTe
SnS:SnS:- - теоретический КПД до 25%теоретический КПД до 25%-- ширина запрещенной зоны ширина запрещенной зоны 1. 1.11–1.–1.55 эВэВ - p-- p-тип проводимоститип проводимости - - коэффициент поглощения до коэффициент поглощения до 10104 4 смсм-1-1
- нетоксичный и недорогой материал- нетоксичный и недорогой материал
Содержание в природе и цены в $ в расчете на 1 кг простого вещества химических элементов, используемы в тонкопленочных СЭ
3
АктуальностьАктуальность
H.Dittrich et al. Thin Solid Films, 2007, Vol. 515, P. 5745–5750.
Кристаллические фазыКристаллические фазыв системе в системе Sn - SSn - S
3
α–SnS β–SnS Sn2S3 SnS2
Цвет Серый н/дСиневато-
черныйЗолотисто-желтый
Сингония Ромбич. Ромбич. Ромбич. Гексагон.
Параметры элементарной
ячейки:
a, Å 4.329 4.128 8.878 3.645
b, Å 11.192 11.481 3.751 –
с, Å 3.984 4.173 14.023 5.901
Число формульных единиц в ячейке
4 4 4 1
Пространственная группа
Рbnm Cmcm Pnma P3m1
Тпл, °С (605*) 881 675 870
Плотность г /см3 5.08 н/д 4.87 4.5
W. Albers, K. Schol. Philips Res. Repts., 1961, Vol. 16, P. 329-342.
4
Кристаллическая структура Кристаллическая структура SnSSnS Фазовый переход Фазовый переход α–α– SnS SnS → → β–β–SnSSnS
5
Элементарная ячейка α–α–SnS
Параметры элементарной ячейки SnS
α– SnS:орторомб. система,пр. гр. Рbnm, тип GeS
β–SnS:орторомб. система,пр. гр. Cmcm, тип TlI
T перехода = 605 °С
T. Chattopadhyay et al., J. Phys. Chem. Solids, 1986, Vol. 47, P. 879-885
Электрические и оптические Электрические и оптические свойства кристаллов свойства кристаллов SnSSnS
Основной тип дефектов вакансии Sn
Тип проводимости p-тип
Тип межзонных переходов непрямой
Подвижность носителей┴ b 90 см2/В
║ b 18 см/В
Эффективная масса ┴ b 0.2m0
║ b m0
Ширина зоны T = 300 K 1.08 эВ
T = 77 K 1.115 эВ
Показатель преломления в области прозрачности 3.6
Диэлектрическая постоянная 19.5
W. Albers et. al. J. Appl. Phys., 1961, Vol. 32, P. 2220-2225.
Зонная структура Зонная структура SnSSnS
Зонная структура SnS
Схема первой зоны Бриллюэна SnS
Плотность состояний
1. Максимум валентной зоны находится не в точке Г, а на линии U-Z.
2. Минимум зоны проводимости находится в точке Г, однако уровень зоны проводимости на линии U-Z близок к минимуму.
3. Возможны непрямые переходы с энергией 1.6 эВ и прямые переходы с энергией 1.8 эВ.
A.R.H.F. Ettema. Phys. Rev. B., 1992, Vol. 46, P. 7363-7373.
Методы получения и ширина Методы получения и ширина запрещенной зоны пленок запрещенной зоны пленок SnSSnS
Способ получения пленок Eg, эВ Ссылка
со-испарение 1.3C. Cifuentes. Brazilian Journal of Physics,
2006, Vol. 36, P.1046 1049.
сульфиризация 1.3M. Sugiyama et. al. Japanese Journal of
Applied Physics, 2008, Vol. 47, P. 4494–4495.
хим. осаждение 0.98 (непрям.), 1.38 (прям.) A Tanuševski. Semiconductor Science and Technology, 2003, Vol. 18, P. 501–505.
электрохим. осаждение 1.2Z. Zainal et. al. Journal of Materials Science:
Materials in Electronics, 2005, Vol. 16, P. 281–285.
испарение электронным пучком
1.23 (непрям), 1.38 (прям.)A. Tanuševski, D. Poelman. Solar Energy
Materials & Solar Cells, 2003, Vol. 80, P. 297–303.
спрей-пиролиз 1.7 M. Calixto-Rodriguez, et. al. Thin Solid Films, 2009, Vol. 517, P. 2497–2499
термическое испарение 1.47 M. Devika, Journal of Applied Physics, 2006, Vol. 100, P. 023518.
Получение пленок Получение пленок SnSSnS
Получение поликристаллического SnS путем сплавления Sn и S
Получение пленок SnS термическим вакуумным методом «горячей стенки»
4
Получение поликристаллического Получение поликристаллического материала материала SnSSnS
1. Нагрев со скоростью ~ 50 К/ч.2. Включение вибрации и остановка нагрева при Т ~ 970 К (4 ч).3. Нагрев со скоростью ~ 50 К/ч.4. При Т=1120 остановка нагрева (~ 2 ч).5. Выключение вибрации.6. Охлаждение со скоростью 2 - 3 К/ч до 970 К7. Отжиг при Т~ 970 К в течении 500 ч.8. Охлаждение до комнатной температуры со скоростью 20 °C/ч.
5
Рентгенограмма порошка SnS
Получение пленок Получение пленок SnSSnS
Преимущества метода:1 – формирование пленок в условиях
близких к равновесным2 – минимальные потери вещества
материал подложки: стекло
Условия роста пленок:температура стенок: 600 °C;температура подложки: 220-350 °C;давление: 10-5 мбарвремя напыления: 10-50 минут
6
С.А. Башкиров и др. ФТП, 2011, т.45, с. 765-769.
Методика исследования пленокМетодика исследования пленок
Предмет исследования Метод Оборудование
Элементный составРентгеноспектральный микроанализ с дисперсией по энергии (EDAX)
Пропускное направление Пропускное направление соответствует отрицательной соответствует отрицательной полярности внешнего источника тока полярности внешнего источника тока на барьерном контактена барьерном контакте
Вольтовая фоточувствительностьВольтовая фоточувствительность::от от 45 до 200 В/Вт 45 до 200 В/Вт
Максимальная фоточувствительностьМаксимальная фоточувствительностьв диапазоне энергии 1.3–3.0 эВв диапазоне энергии 1.3–3.0 эВ
1–2 мкм слой 1–2 мкм слой In In наносился методом наносился методом термического вакуумного испарения.термического вакуумного испарения.
Исследования проводились в сотрудничестве со следующими организациями:
- Институт минералогии, кристаллографии и материаловедения Университета Лейпцига, Германия;
- Белорусский государственный педагогический университет им. М. Танка;
- Белорусский государственный университет;- НПО «Интеграл»;- Институт физики им. Степанова НАН Беларуси;- Санкт-Петербургский государственный политехнический
университет, Россия;- Физико-технический институт им. Иоффе РАН, Санкт-Петербург,
Россия.
ЗАКЛЮЧЕНИЕЗАКЛЮЧЕНИЕВ настоящем докладе проведен обзор результатов исследования В настоящем докладе проведен обзор результатов исследования кристаллов и тонких пленок кристаллов и тонких пленок SnSSnS, полученных различными , полученных различными методами, а также приборов на их основе. Наибольшее методами, а также приборов на их основе. Наибольшее внимание уделено оригинальным результатам исследования внимание уделено оригинальным результатам исследования пленок пленок SnSSnS, полученных термическим вакуумным методом , полученных термическим вакуумным методом «горячей стенки». «горячей стенки».
Показано, что метод позволяет получать на стеклянных Показано, что метод позволяет получать на стеклянных подложках пленки подложках пленки SnSSnS с различной ориентацией. Приведены с различной ориентацией. Приведены результаты исследования электрических и оптических свойств результаты исследования электрических и оптических свойств пленок пленок SnSSnS в зависимости от условий получения. в зависимости от условий получения.
Представлено получение фоточувствительных барьеров Шоттки Представлено получение фоточувствительных барьеров Шоттки In/SnSIn/SnS и солнечных элементов и солнечных элементов n-ZnOn-ZnO((Al)/i-ZnO/n-CdS/p-SnS/MoAl)/i-ZnO/n-CdS/p-SnS/Mo. . Приведены характеристики приборов.Приведены характеристики приборов.
Результаты работы демонстрируют перспективы использования Результаты работы демонстрируют перспективы использования пленок пленок SnSSnS, полученных методом «горячей стенки», в , полученных методом «горячей стенки», в приложениях фотовольтаики.приложениях фотовольтаики.
научный руководитель В.Ф. Гременокнаучный руководитель В.Ф. Гременок
Лаборатория физики твердого телаЛаборатория физики твердого тела
Государственное научно-производственное объединениеГосударственное научно-производственное объединение «Научно-практический центр НАН Беларуси по «Научно-практический центр НАН Беларуси по
материаловедению»материаловедению» 220072, г. Минск, ул. П.Бровки, 19220072, г. Минск, ул. П.Бровки, 19