Електричні та фотоелектричні процеси в сонячних елементах та детекторах оптичного випромінювання

Наукова новизна одержаних результатів

Уперше отримані спектральні залежності оптичних характеристик монокристалів CdxHg1-xTe (x > 0.6) у широкій області фундаментального поглинання (hv > Eg), необхідні для інтерпретації фотоелектричних характеристик фотодіодів і сонячних елементів.

На кількісному рівні описані електричні та спектральні характеристики чутливості фотодіодів на основі CdxHg1-xTe зі складом, оптимальним для кварцових волоконно-оптичних систем зв'язку.

Знайдені параметри фотоелектричного перетворення (струм короткого замикання, напруга розімкненого кола, коефіцієнт корисної дії) поверхнево-бар'єрних діодних структур на основі CdxHg1-xTe (x>0.6), які свідчать про їх конкурентну здатність у порівнянні з існуючими CdTe сонячними елементами.

З'ясовані особливості детектування - випромінювання в CdxHg1-xTe (x > 0.6) детекторах з бар'єрами Шотткі. Доведено, що чутливість CdxHg1-xTe детектора в області високих енергій гамма-квантів вища у порівнянні з CdTe детекторами (9-10 разів для енергії квантів 1 МеВ).

Практичне значення одержаних результатів

Результати дослідження поглиблюють розуміння фізичних механізмів, що визначають технічні характеристики діодних структур на основі CdxHg1-xTe (x > 0.6): вольт-амперні характеристики, спектральний розподіл фоточутливості та детектуючої здатності, струм короткого замикання і напругу розімкненого кола, ефективність фотоелектричного перетворення та інші. Одержані в дисертації результати можуть бути застосовані в розробці і виробництві конкурентноздатних фотодіодів для волоконно-оптичних ліній зв'язку, сонячних елементів і детекторів - випромінювання.

Публікації та особистий внесок дисертанта

За результатами дослідження опубліковано 11 праць: 5 статей в українських і зарубіжних наукових журналах і 6 тез доповідей на вітчизняних і міжнародних конференціях. У працях [1Д - 3Д] дисертанту належить, комп'ютерна обробка результатів вимірювань, розв'язок рівнянь, що описують електричні процеси, комп'ютерне моделювання розподілу нерівноважних носіїв при різних параметрах напівпровідника. У працях [4Д-11Д] особистий внесок дисертанта полягає у проведенні всіх експериментальних досліджень електричних, оптичних та фотоелектричних характеристик зразків, комп'ютерній обробці одержаних даних, комп'ютерному моделюванні спектрів фоточутливості матеріалу.

Основні результати досліджень, викладені у дисертаційній роботі, доповідались і обговорювались на семінарах кафедри оптоелектроніки ЧНУ, а також на таких наукових конференціях: Міжнародна конференція молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Еврика 2004”. 19-21 травня. 2004. Львів; ІІ Українська наукова конференція з фізики напівпровідників (за участю зарубіжних науковців) УНКФН-2. 20-24 вересня. 2004. Чернівці-Вижниця, Україна; Міжнародна конференція молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики „Еврика - 2005” , 24-26 травня 2005 р., Львів, Україна; XXXIV International school on the physics of semiconducting compounds, june 4-10, 2005, Ustron-Jaszowiec, Poland; XIX Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения, 23-26 мая 2006 г, Москва, Россия; XXXV International School on the Physics of Semiconducting Compounds, 19-23 June 2006, Jaszowiec, Poland.

Структура і об'єм дисертації

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи та її зв'язок з науковими програмами і темами досліджень Чернівецького національного університету, сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, наведено дані про апробацію роботи, список публікацій та особистий внесок дисертанта.

У першому розділі подано аналітичний огляд літератури з теми дослідження. Показано, що телурид кадмію-ртуті з малим вмістом ртуті мало досліджений на час виконання дисертації. Показана доцільність дослідження можливостей CdxHg1-xTe (x > 0.6) для застосування в сонячних елементах, детекторах оптичного г-випромінювання.

Другий розділ присвячений дослідженню фотодіодів для детектування випромінювання з довжиною хвилі 1.3 та 1.55 мкм, які відповідають “вікнам прозорості” кварцового оптичного волокна. Для досліджень відібрані зразки з вмістом телуриду кадмію 72% та 64% (ширина забороненої зони 0.89 та 0.78 еВ, відповідно). Зі спектрів відбивання поляризованого світла при різних кутах падіння [1] вперше отримані спектри коефіцієнта поглинання та показника відбивання для досліджуваних складів твердого розчину.

На вольт-амперній характеристиці діодної структури спостерігається протяжна ділянка, на якій струм описується залежністю I~exp(qV/2kT) 1, (I - струм, q - заряд електрона, k - постійна Больцмана, Т - температура, V - прикладена напруга), що характерне для рекомбінаційного механізму проходження прямого струму через діод. В області великих струмів I 0.1 мкА стає суттєвим спад напруги на опорі об'ємної частини кристала, знайденому із залежності диференціального опору діода від напруги при прямому включенні. В області значних прямих струмів, до того ж, проявляє себе надбар'єрне проходження носіїв, коли I ~ exp(qV/kT).

Застосування теорії Саа-Нойса-Шоклі [2] і результатів праці [3] дозволяє описати генераційно-рекомбінаційний струм у діоді, який визначається інтегруванням швидкості генерації-рекомбінації по всій області просторового заряду:

де А - площа діода, W - ширина області просторового заряду, n(x,V) і p(x,V) - концентрації вільних носіїв у зоні провідності та валентній зоні,

, ,

n1 і p1 - їх рівноважні значення за умови, що рівень Фермі співпадає з рівнем центру рекомбінації, nі - власна концентрація носіїв, no і po - ефективні часи життя електронів і дірок в області просторового заряду, - енергія рівня Фермі в об`ємній частині діодної структури, (x, V) - залежність потенціальної енергії в бар`єрній області від координати і прикладеної напруги, Nv і Nc - ефективна густина станів у валентній та зоні провідності.

Експериментальні вольт-амперні характеристики найбільше уз-годжуються з розрахованими за формулою (1) при o=0.5 еВ, n і p = 910-10 і 910-11 с для Cd0.64Hg0.36Te та Cd0.71Hg0.29Te, відповідно (рис. 2). При підвищенні напруги експериментальні значення зворотних струмів відхиляються від теорії внаслідок впливу ефектів сильного електричного поля, що підтверджується лавинним помноженням фотоструму при збільшенні зворотної напруги.

Спектральний розподіл фотоелектричного квантового виходу досліджуваних діодів описуються виразом (2), який враховує дрейфову і дифузійну складову фотоструму та поверхневу рекомбінацію [4]:

де Dp - коефіцієнт дифузії дірок, S - швидкість поверхневої рекомбінації, б - коефіцієнт оптичного поглинання, Ln - довжина дифузії електронів. Найточніший збіг результатів вимірів спектрів зовнішнього квантового виходу з розрахованими за формулою (2) спостерігається (рис. 3) при Na Nd =3Ч1015 см -3 для діода на основі Cd0.71Hg0.29Te. Для діода на основі Cd0.64Hg0.36Te - при інших значеннях Na Nd в межах 1016-1018 см -3. У третьому розділі досліджено можливості використання Cd0.8Hg0.2Te для виготовлення сонячних елементів. Враховано вплив втрат, зумовлених рекомбінацією в області просторового заряду та поверхневою рекомбінацією, на ефективність збирання заряду у фотовольтаїчній структурі. Проблема ефективності збирання заряду у збідненому шарі с ускладнюється тим, що електрон і дірка в CdxHg1-xTe мають різні часи життя і рухливості. У разі однорідного електричного поля ефективність збирання заряду описується рівнянням Гехта [5]:

,

де n= мn·Fфn і p= мp·Fфp - довжини дрейфу електронів і дірок, n і n та р і р - час життя і рухливість електронів і дірок, відповідно.

У фотовольтаїчній структурі поверхнева рекомбінація залежить від спектрального складу випромінювання, посилюючись зі збільшенням коефіцієнта поглинання та швидкості поверхневої рекомбінації S, вплив якої на квантовий фотоелектричний вихід в діоді Шотткі на основі напівпровідника р-типу провідності при великих (W >> 1) описує формула (2). електричний заряд напруга діод

Для одного зразка найліпших збіг результатів розрахунку і вимірів спостерігається при значеннях Na Nd = 1015 см -3, для другого - при Na Nd =1014 см -3

Густину струму короткого замикання досліджуваних діодів Jsc знайдено, множенням числа фотогенерованих електронно-діркових пар на заряд електрона q і сумуванням по всьому інтервалу фундаментального поглинання (i 1.18 мкм для Cd0.8Hg0.2Te):

Результати, подані на рис. 6, отримані за формулою (4) для R 0 і за умов повного сонячного випромінювання АМ1.5, тобто відповідають максимально досяжним значенням Jsc . Розрахунки проведені в широкому інтервалі зміни концентрації некомпенсованих акцепторів Na Nd (значення Na Nd менше 1014 см -3 малоймовірні, а Na Nd 1018 см -3 у матеріалі на основі CdTe або твердих розчинів важко отримати). Нижня межа часу життя електронів n = 10-10 с, а верхня межа 10-6 с близька до рекордного значення цього параметру в CdTe.

Як видно з рис. 6 (а) і (б), при концентрації некомпенсованих акцепторів Na Nd 1016 см -3 і часі життя неосновних носіїв (електронів) n = 10-8 с густина струму короткого замикання складає приблизно 90%, а при n 10-7 с - асимптотично наближається до максимально можливого значення (штрихова горизонтальна пряма). Оцінка фотоелектричної ефективності діодів проводилася за умови повного збирання носіїв, тобто при Na Nd = 1017-1018см -3 та n = 10-7-10-6 с, коли густину струму короткого замикання Jsc можна прийняти за 43.7 мА/ см2.

Напруга розімкненого кола Voc знайдена з рівняння (1), при умові рівності його правої частини струмові короткого замикання. Знайдено також напругу в зовнішньому колі та густину струму короткого замикання, за умови, коли їх добуток має максимум, тобто максимальну питому електричну потужність у зовнішньому колі діода. Коефіцієнт корисної дії фотовольтаїчної структури знайдено діленням цієї потужності на питому потужність сонячного опромінення АМ1.5 (96 мВт/см2). Внутрішній коефіцієнт корисної дії, до якого може наблизитися зовнішній коефіцієнт корисної дії, можна знайти, якщо виключити відбивання від фронтальної поверхні діода шляхом нанесення на неї антивідбиваючих покриттів.

На наведені результати розрахунку напруги холостого ходу Voc і внутрішнього коефіцієнта корисної дії при зроблених допущеннях (Na Nd = 1017см -3 і = 10-7-10-6 с), тобто за умов, коли значення Voc та гранично можливі. При 10-7 с результати розрахунку показані штриховими лініями, оскільки умови повного збирання фотоносіїв при цьому можуть не виконуватися. При оптимальних значеннях концентрації некомпенсованих акцепторів Na Nd та часу життя носіїв у області просторового заряду напруга холостого ходу досягає 0.7-0.8 В, для чого необхідно забезпечити достатньо високу контактну різницю потенціалів. При знаходженні максимальної питомої електричної потужності приймалося, що послідовний опір у зовнішньому колі діода відсутній, для чого питомий опір використовуваного матеріалу повинен бути меншим 3 Омсм, що реально.

Четвертий розділ присвячений дослідженню детекторів Х- і - випромінювання з контактами Шотткі на основі CdxHg1-xTe (x > 0.6). Проведено розрахунок ефективності детектування - випромінювання, виходячи з моделі, що враховує дрейфову та дифузійну складові струму (рівняння Гехта).

,

де L - товщина зразка. На відміну від діода Шотткі, в монокристалі електричне поле однорідне і тому довжини дрейфу електронів і дірок визначаються n = nVn/L, , p = pVp/L, де V - прикладена до зразка напруга.

Час життя носіїв сильно впливає на ефективність збирання заряду (рис. 8). При = 10-7 - 10-8 с ефективність збирання заряду неприпустимо низька, але при більших наближається до одиниці і тільки при V = 400 В і = 3·10-6 с величина m перевищує 90%. Такий час життя - рекордне значення для монокристалів CdTe, і досягнення такого його значення для CdxHg1-xTe проблематичне.

Коефіцієнт поглинання Х- і - випромінювання в CdxHg1-xTe знаходився за формулою

,

Ефективність детектування з діодом Шотткі на основі досліджуваних матеріалів переважає ефективність детектування діода Шотткі на основі телуриду кадмію (рис. 10(а)). Ця перевага найбільш помітна в спектральному діапазоні високоенергетичних квантів hv ? 0.1-1 МеВ: ефективність детектування CdTe приблизно на порядок менша від ефективності Cd0.64Hg0.36Te при енергії падаючого кванта 1 МеВ.

Отримані результати засвідчують, що тверді розчини з великим вмістом ртуті більш ефективні для створення на їх основі детекторів -випромінювання, особливо при поглинанні високоенергетичних (~1 МеВ) квантів. Ефективність детектування діодів Шотткі на основі CdxHg1-xTe при незначному збільшенні вмісту ртуті в його складі (тобто порівняно з CdTe) доволі швидко збільшується, але при подальшому збільшенні вмісту ртуті таке зростання сповільнюється (рис. 11). Така залежність ефективності детектування від складу твердого розчину CdxHg1-xTe зумовлена тим, що при збільшенні вмісту ртуті зменшується ширина забороненої зони матеріалу, що призводить до збільшення “темнового” струму та зменшення висоти потенціального бар'єра на межі поділу “метал-напівпровідник”.

Результатами комп'ютерних розрахунків доведено, що оптимальним з точки зору ефективності детектування є вміст телуриду кадмію 75-80%, що відповідає ширині забороненої зони 1 - 1.1 еВ (рис. 11).

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

Проведені в дисертаційній роботі дослідження фотодіодів для спектральних областей 1.3 і 1.55 мкм, сонячних елементів і детекторів -випромінювання на основі твердих розчинів CdxHg1-xTe зводяться до таких найважливіших результатів і висновків:

На основі монокристалів Cd0.64Hg0.36Te і Cd0.71Hg0.29Te (Eg = 0.78 і 0.88 еВ) створені діодні структури зі спектрами фоточутливості, оптимальними для роботи на довжинах хвиль 1.3 і 1.55 мкм (найважливіших для волоконно-оптичних систем зв`язку), а також діодні структури на основі Cd0.8Hg0.2Te (Eg = 1.05 еВ) для дослідження процесів фотоелектричного перетворення енергії сонячного випромінювання в електричну.

З результатів електричних та оптичних досліджень монокристалів CdxHg1-xTe (x = 0.64, 0.71, 0.8) знайдені необхідні для визначення фотоелектричних характеристик діодів параметри - час життя носіїв заряду, ширина і висота бар`єра на контакті металу з напівпровідником, положення рівня Фермі в забороненій зоні напівпровідника, а також спектральні криві поглинання та відбивання в широкій області фундаментального поглинання (0.35-1.8 мкм).

Доведено, що домінуючим механізмом переносу заряду в досліджуваних поверхнево-бар'єрних діодних структурах є генерація-рекомбінація в області просторового заряду за теорією Саа-Нойса-Шоклі, яка кількісно описує їх вольт-амперні характеристики. Тільки при підвищених зворотних напругах спостерігається додаткове зростання струму, що пов'язано з ударною іонізацією носіїв заряду, прямим свідченням чого є помноження фотоструму.

Спектральний розподіл фотоелектричного квантового виходу фотодіодів і сонячних елементів на основі CdxHg1-xTe (x = 0.8) пояснюються в рамках теорії фотоелектричних процесів, розробленої для діода Шотткі на основі рівняння неперервності з урахуванням дрейфової та дифузійної складових фотоструму, а також поверхневої рекомбінації.

Густина струму короткого замикання Cd0.8Hg0.2Te діода при повному сонячному опроміненні АМ1.5 наближається до гранично можливого значення 43.7 мА/см2 при концентрації некомпенсованих акцепторів Na Nd=1017-1018 см -3 і часі життя неосновних носіїв n = 10-7-10-6 с. Теоретично можливий коефіцієнт корисної дії Cd0.8Hg0.2Te фотовольтаїчної структури сягає 25-28%, тобто перевищує експериментально досягнуті показники сонячних елементів на основі CdTe, що свідчить про конкурентоздатність досліджуваних структур.

Зіставлення результатів експерименту з розрахунками спектрального розподілу ефективності детектування г-квантів у діоді Шотткі за умови відсутності помітних рекомбінаційних втрат (можливість чого випливає з аналізу рівняння Гехта) вказує на переважання дрейфової складової процесу детектування, що пов'язано з малим часом життя носіїв заряду ф 109 с, тобто малою дифузійною довжиною електронів.

Показано, що, завдяки звуженню забороненої зони та збільшенню ефективного атомного номера ефективність детектування діода Шотткі на основі CdxHg1-xTe значно вища в порівнянні з діодом Шотткі на основі CdTe в найактуальнішому діапазоні високоенергетичних квантів hv ? 0.1-1 МеВ (при енергії падаючого кванта 1 МеВ - на порядок). Найоптимальнішим для детектора X- і -випромінювання є твердий розчин CdxHg1-xTe з вмістом кадмію 75-80%, що відповідає ширині забороненої зони 1-1.1 еВ.