Ефективність фотоелектричного перетворення в тонкоплівкових сонячних елементах та Х-променевих детекторах на основі CdTe

Механізми фізичних процесів, що визначають спектральний розподіл фотоелектричної квантової ефективності, напругу розімкненого кола та коефіцієнт корисної дії тонкоплівкової гетеро структури. Можливість застосування тонкоплівкового CdTe в детекторах.

Рубрика Физика и энергетика
Вид автореферат
Язык украинский
Дата добавления 25.08.2015
Размер файла 48,1 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича

УДК: 538.9; 621.383.52

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Ефективність фотоелектричного перетворення в тонкоплівкових сонячних елементах та Х-променевих детекторах на основі CdTe

01.04.10 Фізика напівпровідників і діелектриків

Грушко Євгеній Валентинович

Чернівці - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі фізики напівпровідників і наноструктур Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:доктор фізико-математичних наук, професор Савчук Андрій Йосипович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, завідувач кафедри фізики напівпровідників і наноструктур

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Скришевський Валерій Антонович, Київський Національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри напівпровідникової електроніки

доктор фізико-математичних наук, професор Ковалюк Захар Дмитрович, керівник Чернівецького відділення Інституту проблем матеріалознавства НАН України імені І.М. Францевича

Захист відбудеться 21 жовтня 2009 р. 17.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 76.051.01 при Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Університетська, 19, корпус 2, велика фізична аудиторія.

Відгуки на автореферат просимо надсилати вченому секретарю за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича (вул. Лесі Українки, 23).

Автореферат розісланий 21 вересня 2009 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Курганецький М.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми

Тонкі плівки напівпровідників служать основою багатьох електронних приладів. Особливо важлива роль тонкоплівкової технології в тих областях, де йдеться про значні робочі площі пристроїв та їх низьку вартість. У цьому плані надзвичайно перспективними є, зокрема, напівпровідникові сонячні елементи, в яких відбувається пряме перетворення оптичного випромінювання в електричну енергію, та плоскі детектори Х-променевого зображення.

На ринку наземного застосування домінують й залишаться важливими в майбутньому сонячні елементи на основі пластин монокристалічного й полікристалічного кремнію, але все ширше застосовуються сонячні елементи на основі прямозонних напівпровідників із залученням тонкоплівкової технології. Адже для практично повного поглинання сонячного випромінювання прямозонним напівпровідником достатньо шару товщиною лише кілька мікрометрів, який наноситься на дешеву основу значної площі (скляну пластину, металеву фольгу чи полімерну плівку) при відносно низьких температурах. Тонкоплівкова технологія набагато спрощує інтеграцію сонячних елементів у сонячні модулі (батареї), які навіть при відносно низькій ефективності фотоелектричного перетворення вже стали конкурентно здатними. Безперечними лідерами серед них є тонкоплівкові сонячні елементи на аморфному кремнію (а-Si), селеніді міді-індію CuInSe2 (або твердому розчині CuInxGa1-xSe2) і телуриді кадмію. Прямозонний напівпровідник а-Si має набагато вищий коефіцієнт поглинання порівняно з монокристалічним кремнієм. Проте ефективність a-Si сонячних елементів у процесі експлуатації доволі швидко знижується від початкових 12-13 % до 4 -8 %. Вища ефективність фотоелектричного перетворення досягнута в сонячних модулях на основі CuInSe2 або CuInxGa1-xSe2, рекордне значення якої у разі лабораторних зразків наблизилось до 20 %. Виробництво таких модулів є доволі складним.

Телурид-кадмієві сонячні модулі мають усі переваги над зазначеними тонкоплівковими пристроями, технологія осадження CdTe простіша й легше адаптується до масового виробництва з ефективністю 9-11% з перспективою зростання в найближчі роки. Хоч елементарний Cd токсичний важкий метал, сполука CdTe біологічно інертна й не являє жодної загрози оточуючому середовищу й здоров'ю людини. Розроблена технологія так званого рециклювання CdTe сонячних модулів, яка дозволяє практично всі їх компоненти після завершення експлуатації застосовувати у виробництві нових модулів. Упродовж останніх 3-5 років сонячні модулі на основі CdTe впевнено вийшли на стадію масового виробництва. Уже побудовані сонячні електростанції в Німеччині, Іспанії, США потужністю від декількох мегават до декількох десятків мегават.

Окрім сонячних елементів, тонкі шари CdTe мають також перспективу важливого застосування в рентгенології. Ще на початку 90-х років минулого століття були розроблені Х-променеві детектори з прямим перетворенням прихованого Х-променевого зображення в електричні сигнали. Матеріалом, який використовується в таких детекторах, є aморфний Se (a-Se). В дисертації досліджується можливість використання в таких пристроях тонкоплівкового CdTe як детектуючого матеріалу, що має ряд переваг над a-Se.

Як і в досліджуваних сонячних елементах, так і в Х-променевих детекторах активним елементом є тонкий шар CdTe з бар'єрною структурою. Незважаючи на досягнення технології, механізми фізичних процесів, що відбуваються в таких пристроях, на сьогодняшній день повною мірою не з'ясовані.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота виконана в рамках планів науково-дослідних робіт, які виконувалися або виконуються в ЧНУ в рамках Координаційних планів МОН України: «Фізичні процеси в гетероструктурних сонячних елементах на основі CdTe» (2006-2008 рр., № 0106U001454), Спільний українсько-білоруський проект «Механізми фотоелектричного перетворення сонячної енергії в електричну в напівпровідникових тонкоплівкових структурах на основі CdTe» (2007-2008 рр., № 0106U001454), а також проект СОСАЕ № 218000 Сьомої рамкової програми Європейської комісії «Транс'європейська співпраця з метою створення засобів безпеки на основі Cd(Zn)Te» (2008-2009 рр.).

Роль дисертанта при виконанні зазначених тем полягала у проведені вимірів, обробці отриманих даних, комп'ютерних розрахунків, участі в інтерпретації результатів досліджень

Мета і задачі дослідження
Мета дисертаційної роботи - з`ясування механізмів фізичних процесів, що визначають спектральний розподіл фотоелектричної квантової ефективності, струм короткого замикання, напругу розімкненого кола та коефіцієнт корисної дії тонкоплівкової гетероструктури CdS/CdTe, з'ясування можливостей застосування тонкоплівкового CdTe в детекторах з прямим перетворенням Х-променевого зображення в електричні сигнали.
Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати такі задачі:
Детально дослідити спектральний розподіл фотоелектричної квантової ефективності тонкоплівкової гетероструктури CdS/CdTe залежно від параметрів поглинаючого шару й бар'єрної структури та температури. Дати математичне описання спектрального розподілу квантової ефективності сонячного елемента на основі CdS/CdTe.

Дослідити вплив параметрів поглинаючого шару гетероструктури CdS/CdTe, а саме часу життя носіїв заряду і концентрації некомпенсованих домішок в їх комбінації, на ефективність збирання фотогенерованого заряду.

Виходячи з механізму переносу заряду в гетероструктурі CdS/CdTe, дослідити залежність напруги розімкненого кола, фактора заповнення вольт-амперної характеристики та коефіцієнта корисної дії сонячного елемента від параметрів бар'єрної структури в їх сукупності.

Дослідити можливості застосування тонкоплівкового CdTe в детекторах з прямим перетворенням Х-променевого зображення в електричні сигнали, зокрема, забезпечення низьких темнових струмів і належної детектуючої здатності, які необхідні для якісного зображення.

Об'єкт дослідження - тонкоплівкові гетероструктури CdS/CdTe на скляній підкладинці з напівпрозорим провідним шаром та тонкоплівкові діоди Шотткі на основі CdTe на металевій підкладинці.

Предмет дослідження - явища переносу заряду та генераційно-рекомбінаційні процеси, що визначають ефективність фотоелектричного перетворення в досліджуваних тонкоплівкових бар'єрних структурах за умов оптичного й Х-променевого опромінення.

Методи дослідження - вимірювання електричних та оптичних властивостей тонких шарів CdS, CdTe й ІТО; експерементальне дослідження вольт-амперних і фотоелектричних характеристик гетероструктур CdS/CdTe, діодів Шотткі Au/CdTe, Ni/CdTe, Al/CdTe; аналіз, узагальнення й комп`ютерна обробка експериментальних даних, комп`ютерні розрахунки.

Наукова новизна одержаних результатів
Уперше кількісно описано спостережуваний спектральний розподіл фотоелектричної квантової ефективності тонкоплівкової гетероструктури CdS/CdTe з урахуванням дрейфової та дифузійної складової фотоструму, рекомбінаційних втрат на межах поділу та в області просторового заряду.
З'ясовано вплив параметрів поглинаючого шару (його товщини, часу життя носіїв заряду, швидкості поверхневої рекомбінації, концентрації некомпенсованих домішок) у їх комплексі на струм короткого замикання тонкоплівкової гетероструктури CdS/CdTe.
На основі генераційно-рекомбінаційного механізму переносу заряду, доповненого надбар'єрним струмом неосновних носіїв при підвищених напругах, знайдено залежності напруги розімкненого кола та коефіцієнта корисної дії сонячного елемента CdS/CdTe від параметрів діодної структури.

Уперше з'ясовано можливості застосування тонкоплівкових бар'єрних структур на основі CdTe в детекторах з прямим перетворенням Х-променевого зображення в електричні сигнали. Визначено механізми процесів, що визначають темновий струм і спектральний розподіл детектуючої ефективності в таких пристроях.

Практичне значення одержаних результатів

Результати проведених досліджень поглиблюють розуміння причинних зв`язків параметрів застосовуваних матеріалів і діодної структури з фізичними процесами в тонкоплівкових сонячних елементах на основі CdS/CdTe і детекторах з прямим перетворенням Х-променевого зображення в електричні сигнали. Результати дослідження впливу зазначених параметрів у їх комплексі на роботу пристроїв дозволили виробити конкретні рекомендації щодо цілеспрямованого керування процесами фотоелектричного перетворення з метою поліпшення їх характеристик. Одержані результати можуть бути застосовані в розробці і виробництві конкурентно здатних пристроїв такого типу.

Публікації і особистий внесок дисертанта

За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 18 наукових праць. З них: 7 статей в наукових журналах, 11 тез конференцій (перелік наведено нижче). Особистий внесок дисертанта у працях [1*, 2*, 12*, 13*] полягає у проведенні експериментальних досліджень спектральних характеристик, комп'ютерній обробці одержаних результатів, їх зіставленні з експериментальними даними. У публікаціях [3*, 5*, 8*, 9*, 11*, 15*] дисертанту належить проведення комп'ютерних розрахунків, в публікаціях [6*, 7*, 10*, 16*] - проведення експериментальних досліджень електричних характеристик зразків, комп'ютерна обробка результатів вимірювань та розрахунків фотоелектричних характеристик, в публікаціях [4*, 14*, 17*] - обробка експериментальних результатів і комп'ютерні розрахунки. Аналіз одержаних результатів, їх інтерпретація і формулювання основних висновків роботи зроблені дисертантом або самостійно, або разом із співавторами опублікованих праць.

Апробація результатів дисертації

Основні результати досліджень, викладені у дисертаційній роботі, доповідались і обговорювались на семінарах кафедри фізики напівпровідників і гетероструктур та кафедри оптоелектроніки ЧНУ, а також представлені на таких наукових конференціях (особисто або співавторами): ІІ Міжнародна наукова конференція молодих учених «Молодь і досягнення науки у вирішенні проблем сучасності» (Чернівці, 2005), XIV International Materials research Congress (Cancun, Mexico, 2005), XXXIV International School on the Physics of Semiconducting Compounds (Warsaw, 2005), E-MRS Spring Meeting (Nice, France, 2006), XXXV International School on the Physics of Semiconducting Compounds (Warsaw, 2006), ХІ Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок (Івано-Франківськ, 2007), III Всеукраїнська наукова конференція з фізики напівпровідників (Одеса, 2007), XVI International Materials Research Congress (Cancun, Mexico, 2007), XXXVII International School on the Semiconducting Compounds (Jaszowiec, Poland, 2008), IX международная научно-практическая конференция «Современные информационные и электронные технологии» (Одесса, 2008), The 33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference (San Diego, USA, 2008), E-MRS Spring Meeting. Symposium L: Thin film chalcogenide photovoltaic materials (Strasbourg, France, 2008).

Структура і об'єм дисертації
Дисертаційна робота складається зі вступу, аналітичного огляду з теми дослідження (розділ 1), чотирьох оригінальних розділів, висновків, списку використаних літературних джерел з 103 найменувань. Загальний обсяг дисертації становить 147 сторінок, 51 рисунків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи та її зв'язок з науковими програмами і темами 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. Висвітлено місце і роль тонкоплівкового CdTe в напівпровідниковій сонячній енергетиці та в засобах діагностики з прямим перетворенням Х-променевого зображення в електричні сигнали. Існуючі пристрої обох типів розроблені переважно на емпіричній основі, а подальший прогрес у поліпшенні їх параметрів стримується браком результатів дослідження фізичних процесів, що визначають параметри і характеристики пристроїв.

Другий розділ присвячений дослідженню спектрального розподілу фотоелектричного квантового виходу з(л), необхідного для знаходження одного з ключових параметрів сонячного елемента, яким є струм короткого замикання сонячного елемента. Наведено результати експериментального дослідження (рис. 1) та комп'ютерних розрахунків з(л) з урахуванням основних процесів, що відбуваються в тонкоплівковій CdS/CdTe гетероструктурі (рис. 2 і 3): поглинання випромінювання, участь у формуванні фотоструму дрейфової й дифузійної компонент, оптичні й рекомбінаційні втрати в області просторового заряду та на межах поділу.

Квантова ефективність та її спектральний розподіл досліджувались, виходячи з рівняння неперервності. Точний розв'язок рівняння для діода Шотткі з урахуванням рекомбінації на поверхнях поглинаючого шару призводить до доволі громіздкого виразу для внутрішнього фотоелектричного квантового виходу [1], який можна спростити, враховуючи специфіку діода, й отримати формулу (1) для дрейфової компоненти фотоелектричного квантового виходу. Для дифузійної компоненти фотоелектричного квантового виходу з урахуванням поверхневої рекомбінації на тильній поверхні шару CdTe, використовувався точний вираз (2) для сонячного елемента з p-n переходом.

Результати розрахунків повного фотоелектричного квантового виходу

= drift + dif

з використанням експериментальних кривих пропускання скла з ІТО покриттям, TITO(), і шару CdS, TCdS(), показують, що, варіюючи значеннями концентрації некомпенсованих акцепторів Na - Nd і часу життя електронів фn, можна отримати спектральні залежності різної форми, включаючи подібні до експериментально виміряних кривих (рис. 3).

Ефективність збирання заряду в збідненому шарі визначається формулою Гехта, але з урахуванням неоднорідності електричного поля в діодній структурі (рис. 4) [3]. З аналізу отриманих даних випливає важливий висновок: при часі життя носіїв заряду 10-8 с рекомбінаційними втратами в області просторового заряду можна знехтувати в широких межах зміни концентрації некомпенсованих акцепторів Na - Nd 1014 см-3 в той час, як для = 10-10-10-11 с це можливо, коли тільки Na - Nd перевищує 1016 см-3.

У третьому розділі розглядається струм короткого замикання сонячного елемента CdS/CdTe. Знаючи спектр випромінення Сонця, поданий у таблицях Міжнародної організації стандартизації ISO 9845-1, густину струму короткого замикання Jsc можна знайти за формулою.

Для знаходження дрейфової компоненти Jsc у формулі (3) використовувався вираз (1). Розрахунок проведений при швидкості поверхневої рекомбінації на фронтальній поверхні шару S = 107 см/с і S = 0 (рис. 5). Коли S = 0, струм короткого замикання неперервно зростає з розширенням W, досягаючи максимального значення Jsc = 28.7 мА/см2 при W > 10 мкм. Поверхнева рекомбінація знижує значення струму короткого замикання за умови, що електричне поле в області просторового заряду не є достатньо високим (при Na - Nd 1015 см-3).

Для мінімізації втрат, зумовлених поверхневою рекомбінацією на межі поділу CdS/CdTe, слід прийняти Na - Nd = 1017 см-3, а щоб компенсувати зменшення дрейфової компоненти, n доводиться прирівняти максимально можливому для CdTe значенню 310-6 с. При товщині шару CdTe декілька мікрон дифузійна компонента квантового виходу, розрахована за формулами (2) і (3), як функція товщини d шару CdTe, при швидкості поверхневої рекомбінації S = 107 см/с і S = 0 достатньо мала (рис. 6). У разі S = 0 повне збирання заряду в нейтральній області (Jdif = 17.8 мA/см2) досягається, коли величина d наближається до 15 мкм.

Для повного збирання заряду у разі, коли S = 107 см/с, товщина шару CdTe має бути значно більшою і становить уже 50 мкм. Товщина шару CdTe може бути меншою без значних втрат при меншому часі життя електронів n, а отже, і меншій дифузійній довжині електронів Ln = (nDn)1/2.

При достатньо великих значеннях Ln має місце практично повне збирання заряду й густина повного струму короткого замикання Jsc досягає свого максимального значення 28.7 мA/см2 (рис. 7а). Якщо ж область просторового заряду є надто широкою, електричне поле стає слабким і струм короткого замикання зменшується внаслідок поверхневої рекомбінації.

При товщині плівки CdTe 5 мкм, що часто має місце в сонячних елементах на основі CdTe, і n 10-8 с густина струму короткого замикання дорівнює 26-27 мA/см2 при Na - Nd > 1016 см-3 (рис. 7б). Для коротших часів життя електронів, максимальне значення Jsc досягається, коли Na - Nd знаходиться в межах (1-3)1015 см-3.

У четвертому розділі аналізується напруга холостого ходу, фактор заповнення і коефіцієнт корисної дії CdS/CdTe гетероструктури. Експериментальні I-V характеристики структури, як і їх еволюція при зміні температури, добре описуються теорією генерації-рекомбінації Саа-Нойса-Шоклі [4]. спектральний квантовий напруга детектор

У загальному вигляді швидкість генерації-рекомбінації U(x,V) визначається концентрацією електронів n і дірок p в дозволених зонах, ефективними часами життя електронів і дірок у збідненому шарі (no і po), енергетичною віддалю Et рекомбінаційного рівня від вершини валентної зони,:

p1 = Nexp(-Et/kT) і n1 = Ncexp[- (Et- Eg)/kT]

де

Nc = 2(mnkT/2h2)3/2

N = 2(mpkT/2h2)3/2

ефективні густини станів у зоні провідності і валентній зоні, mn и mp - ефективні маси електронів і дірок.

Густина рекомбінаційного струму при прямому зміщенні і генераційного при зворотному знаходиться інтегруванням U(x,V) по всьому збідненому шарі:

При низьких і помірних прямих зміщеннях домінуючим механізмом переносу заряду є рекомбінація в збідненому шарі. Однак при наближені qV до висоти бар'єру o надбар'єрний дифузійний струм стає порівняним з рекомбінаційним і може перевищувати його завдяки різкішій залежності від напруги. Оскільки бар'єр для дірок набагато вищій, ніж для електронів, у надбар'єрному струмові переважає електрона компонента.

I-V характеристики досліджуваних CdS/CdTe сонячних елементів, суттєво залежать від питомого опору CdTe поглинаючого шару (рис. 8а).

Значення питомого опору, знайдені із залежностей диференціального опору Rdif діодних структур при прямому зміщенні (рис. 8б), знаходяться в межах від 20 до 4107 Омсм. Для зразків з низьким питомим опором при прямих напругах V < 0.7-0.8 В спостерігається протяжна ділянка, де виконується залежність I exp(qV/nkT) при n 1.9. При вищих V має місце відхилення від експоненти в бік більших напруг, яке зумовлене не спадом напруги на опорі нейтральної частини CdTe шару Rs, а особливостями механізму переносу заряду в тонкоплівковій CdS/CdTe гетероструктурі. При ще вищих напругах ( 1 В) спостерігається різкіше зростання струму, зумовлене надбар'єрною компонентою струму.

Отже, густину струму слід представити сумою генераційно-рекомбінаційної й надбар'єрної компонент:

Результати розрахунків за формулою (6) добре узгоджується з результатами вимірів як прямого, так і оберненого струмів при прийнятних значеннях ефективних часів життя no і po, енергії іонізації генераційно-рекомбінацій-ного центру Et = 0.73 еВ і концентрації некомпенсованих акцепторів (рис. 9).

Напруга холостого ходу Voc і фактор заповнення FF за умов опромінення, разом зі струмом короткого замикання Jsc визначають коефіцієнт корисної дії сонячного елемента. Вольт-амперні характеристики гетероструктури CdS/CdTe, розраховані за умов опромінення АМ1.5 і Jsc = 26 мА/см2, засвідчують залежність Voc і FF від питомого опору , no і po (рис. 10). У розповсюдженому випадку, коли =no=po=10-9 с, Voc зростає від 0.8 до 0.9 В при зменшенні від 103 до 0.1 Омсм. Залежно від фактор заповнення FF зростає при збільшені від 0.81-0.82 до 0.9.

Коефіцієнт корисної дії гетероструктури помітно зростає від 15-16 % до 21-27 % при збільшені часу життя носіїв і питомого опору шару CdTe в зазначених межах. Величина при = 10-10-10-9 с знаходиться в околі 17-18.5 %, причому зниження питомого опору шару CdTe дозволяє збільшити всього на 0.5-1.5%.

У п'ятому розділі розглядається можливості заміни шару Se, застосовуваного в детекторах з прямим перетворенням Х-променевого зображення, тонкоплівковим CdTe з діодом Шотткі. Завдяки більшому коефіцієнту поглинання Х-променів в області енергії квантів 50-80 кеВ, більшому добутку рухливості носіїв на час життя носіїв і меншій енергії утворення електронно-діркової пари при ударній іонізації, можна забезпечити вищу чутливість CdTe до рентгенівського випромінювання, а значить знизити дозу опромінення організму людини при обстеженні. Одночасно можна знизити робочу напругу детектора і зменшити витрати матеріалу.

Зіставлення експериментальних I-V характеристик зворотного струму для діодів Ni/n-CdTe та Al/p-CdTe з залежностями зворотного струму від напруги, розрахованими згідно дифузійної, надбар'єрної і генераційно-рекомбінаційної теорій свідчать про коректність останнього механізму переносу заряду в тонко-плівкових діодах Шотткі (рис. 12).

Залежності ефективності збирання заряду c від координати, розраховані при Nd - Na = 1014 см-3 і різних значеннях n = p = для Al/p-CdTe діода, показують, що через меншу рухливість дірок порівняно з електронами в найменш сприятливих умовах збирання заряду виявляються електронно-діркові пари, що виникають біля фронтального електрода (рис. 13). Для Ni/n-CdTe діода в найменш сприятливих умовах збирання заряду виявляються електронно-діркові пари, що виникають на границі області просторового заряду з нейтральною областю діодної структури. Величина c істотно залежить від часу життя носіїв заряду. Для практичних застосувань важливим є те, що при часі життя меншому 107 с ефективність збирання заряду значно нижча одиниці. Однак при збільшенні концентрації некомпенсованих донорів ефективність збирання заряду істотно поліпшується, завдяки звуженню області просторового заряду.

Розрахунок спектрального розподілу ефективності детектування в Ni/n-CdTe й Al/p-CdTe діодних структурах при реальному для CdTe, часу життя носіїв = 310-6 с, показують, що ефективність детектування Al/p-CdTe структури істотно вища, ніж Ni/n-CdTe оскільки електрони мають більшу рухливість, ніж дірки (рис. 14). Для рентгеноскопії м'яких тканин ефективність = 0.5-0.7 більш ніж достатня, однак і для рентгеноскопії кісток з урахуванням переваг фотопровідника з бар'єром Шотткі ефективність = 0.2-0.4 є цілком прийнятною.

У разі Al/p-CdTe діода варіювання прикладеної напруги, як і зміна концентрації некомпенсованих акцеп-торів при Na - Nd 1015 см-3, практично не впливає на ефективність детектування, що є ще однією перевагою Al/p-CdTe детектора.

Основні результати та висновки

Проведені дослідження фізичних процесів у тонкоплівкових бар'єрних структурах на основі CdTe залежно від параметрів діодних структур і застосовуваних матеріалів дозволили виявити суттєві закономірності та сформулювати важливі для практики висновки.

1. Експериментально досліджено спектри фотоелектричного квантового виходу тонкоплівкових сонячних елементів CdS/CdTe в інтервалі 246-356 К. Для пояснення експериментальних даних запропоновано теоретичну модель, яка враховує дифузійну і дрейфову компоненти фотоструму, рекомбінаційні втрати в області просторового заряду, на межі поділу CdS-CdTe і на тильній поверхні шару CdTe, а також оптичні втрати. Отримано кількісне узгодження результатів розрахунку з виміряними спектрами фоточутливості сонячного елемента.

2. Доведено, що втрати, зумовлені рекомбінацією на межі поділу CdTe з CdS, можуть помітно знижувати густину струму короткого замикання, але є несуттєвими, якщо концентрація некомпенсованих акцепторів Na - Nd в CdTe шарі перевищує 1016 см-3, а часи життя носіїв заряду більші або рівні 10-10 с. Для повного збирання заряду, фотогенерованого в області просторового заряду, час життя носіїв має бути не меншим 10-8 с.

3. Показано, що повне збирання заряду, фотогенерованого у нейтральній частині шару CdTe, можна здійснити, якщо час життя електронів n становить хоча б кілька мікросекунд, а товщина шару CdTe - 20-30 мкм, тобто більша порівняно з типовими модулями (3-5 мкм). При типовому значенні n = 10-9-10-10 с розрахована густина струму короткого замикання Jsc збігається з його значеннями для кращих із отриманих зразків сонячних елементів CdTe/CdS.

4. Втрати, зумовлені відбиванням випромінювання від меж поділу повітря-скло, скло -ІТО, ІТО-CdS, CdS-CdTe, призводять до зменшення густини струму короткого замикання на ~ 10 %, а абсорбційні втрати, зумовлені поглинанням у CdS шарі при його товщині (50-80 нм), - на 13-18 %.

5. При типових значеннях ефективного часу життя носіїв в області просторового заряду = 10-10-10-9 с і питомого опору поглинаючого шару = 10-1-103 Омсм розраховані значення коефіцієнта корисної дії CdS/CdTe сонячного елемента = 17-19 %, що відповідає ефективності кращих зразків, описаних у літературі. Поліпшуючи кристалічну структуру шару CdTe і, тим самим, збільшуючи , можна помітно підвищити напругу розімкненого кола Voc, а отже, величину. Наближення до теоретичної межі (25-27%) можливе лише при збільшенні n до 10-7-10-6 с і зменшенні питомого опору CdTe до 0.1-1 Омсм.

6. Коефіцієнт корисної дії з гетероструктури CdS/CdTe значно зменшується з підвищенням температури, причому ці зміни зростають зі збільшення питомого опору с шару CdTe від 20-30 % для с = 1 Ом·см до 40-50 % для с = 106 Ом·см в температурному інтервалі від - 40 С до 100 С (температурні коефіцієнти 6.3 % і 8.1 % на 1 С, відповідно). Температурний коефіцієнт струму короткого замикання завдяки зміні спектрального розподілу чутливості не перевищує 0.02 % на 1С.

7. З'ясовано можливості практичного застосування тонкоплівкового CdTe з діодом Шотткі в детекторах з прямим перетворенням Х-променевого зображення в електричні сигнали. Наявність бар'єрної структури Ni/n-CdTe або Al/p-CdTe забезпечує малі значення темнового струму, порівняні зі струмами в існуючих a-Se детекторах, а концентрація електричного поля в області просторового заряду знімає проблему збирання фотогенерованого заряду, якщо час життя неосновних носіїв 10-7 с, а концентрація некомпенсованих домішок вища 1014 см-3.

8. Результати дослідження детектуючої ефективності зdet діодної структури Al/p-CdTe показують, що при часі життя електронів кілька мікросекунд зdet становить 50-70% і 20-40% в області енергії квантів 20-30 кеВ та 50-80 кеВ, відповідно. Такі показники цілком прийнятні для застосування тонкоплівкового CdTe в детекторах Х-променевого зображення для клінічного обстеження організму людини при низьких дозах опромінення.

Основні результати дисертаційної роботи викладені в таких публікаціях

Recombination losses in thin-film CdS/CdTe photovoltaic devices / Kosyachenko L.A., Grushko E.V., Motushchuk V.V. // Solar Energy Materials and Solar Cells. - 2006. - V. 90, №15. - P. 2201-2212.

Spectral distribution of photoelectric quantum yield of thin-film Au-CdTe diode structure / Kosyachenko L.A., Mathew X., Grushko E.V., [et al.] // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2007. - V. 10. - P. 15-20.

Dependence of charge collection in thin-film CdTe solar cells on the absorber layer parameters / Kosyachenko L.A., Grushko E.V., Savchuk A.I. // Semicond. Sci. Technol. -2008. - V. 23. - P. 025011 (7pp).

CdTe-based Schottky diode X-ray detectors for medical imaging / Gnatyuk V.A., Kosyachenko L.A., Grushko E.V., [et al.] // Proc. SPIE. -2008. - V. 7008. - P. 70081Z-70081Z-10.

Effect of absorber layer parameters on charge collection in thin-film CdS/CdTe solar cells: Proc. of the 33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference (San Diego, CA May 11-16. 2008). - 157 p.

Dependence of efficiency of thin-film CdS/CdTe solar cell on parameters of absorber layer and barrier structure / Kosyachenko L.A., Savchuk A.I., Grushko E.V. // Thin Solid Film. - 2009. - V. 517. - P. 2386-2391.

Влияние толщины поглощающего слоя на эффективность CdS/CdTe солнечного элемента / Косяченко Л.А., Савчук А.И., Грушко Е.В. // ФТП. - 2009. - T. 43, №8. - C. 1060.

Analytical Description of I-V Characteristics and Spectral Response of Thin-Film Au-CdTe Photovoltaic Devices: Abstracts of EMRS Spring Meeting (France, Nice, May 29-June 2, 2006 ). - O PIII 16 p.

Особливості механізму переносу заряду в тонкоплівкових CdS/CdTe сонячних елементах: Матеріали ХІ Міжнародної конференції “Фізика і технологія тонких плівок та наносистем” (Україна, Івано-Франківськ, 7-12 травня 2007). - 179 c.

Електричні й рекомбінаційні втрати в тонкоплівкових CdS/CdTe сонячних елементах: Тези доповідей ІІІ Українській конференції з фізики напівпровідників (Україна, Одеса, 17-22 червня 2007). - 309 c.

Spectral distribution of photoelectric quantum yield of thin-film Au-CdTe diode structure: Abstracts of 8-th International Young Scientists ConferenceOptics & High Technology material science SPO 2007” (Ukraine, Kyev, 25-28 Octobers. 2007). - 124 p.

Spectral response of thin film CdS/CdTe photovoltaic devices: Abstracts XVI Intern. Materials Research Congress. Symposium 4: Photovoltaics, Solar Energy Materials and Thin Films (Mexico, Cancun, 19-23 August 2007). - 32 p.

Матричные детекторы рентгеновского изображения на основе тонкопленочного CdTe: Материалы IX международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии» (Украина, Одесса, 19-23 мая 2008). - 236 с.

Effect of absorber layer parameters on charge collection in thin-film CdTe solar cells: Abstracts The 33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference. (USA, San Diego, May 11-16 2008). - Abstract No. 207.

Dependence of Efficiency of Thin-Film CdS/CdTe Solar Cell on Parameters of Absorber Layer and Barrier Structure: Abstracts E-MRS 2008 Spring Meeting. Symposium L: Thin film chalcogenide photovoltaic materials (France, Strasbourg May 26-30. 2008). - 45 p.

Детектори рентгенівського й гамма випромінювання на основі телуриду кадмію: Тези доповідей на 3-ій Міжнародні науково-технічній конференції “Сенсорна електроніка та мікросистемні технології” (Україна, Одеса 2-6 червня 2008). - 26 c.

Effect of Absorber Layer Parameters on Charge Collection Efficiency in Thin-Film CdS/CdTe Solar Cells: Abstracts XXXVII International School-Conference on the Semiconducting Compounds (Poland, Jaszowiec June 17-23, 2007). - 152 p.

Анотація

Євгеній Грушко. Ефективність фотоелектричного перетворення в тонкоплівкових сонячних елементах та Х-променевих детекторах на основі CdTe. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - Фізика напівпровідників і діелектриків. - Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2009.

У дисертації наведено результати дослідження фізичних процесів, що визначають електричні, оптичні та фотоелектричні характеристики тонкоплівкових CdS/CdTe сонячних елементів і детекторів з прямим перетворенням Х-променевого зображення в електричні сигнали.

Виходячи з рівняння неперервності, дано математичне описання спектрального розподілу фотоелектричного квантового виходу n-CdS/p-CdTe гетероструктури. З'ясовано вплив параметрів діодної структури (товщини поглинаючого шару CdTe, питомого опору, часу життя носіїв заряду й концентрації некомпенсованих акцепторів) на струм короткого замикання за стандартних умов опромінення. Знайдено оптимальні значення параметрів у їх комбінації для досягнення максимально можливого струму короткого замикання.

Виходячи з того, що механізмом переносу заряду в n-CdS/p-CdTe гетероструктурі є генерація-рекомбінація Саа-Нойса-Шоклі, яка доповнена надбар'єрним проходженням електронів при високих напругах, досліджено залежність напруги розімкненого кола, фактора заповнення вольт-амперної характеристики й коефіцієнта корисної дії сонячного елемента від зазначених вище параметрів, знайдено їх значення для досягнення максимально можливої ефективності тонкоплівкового CdS/CdTe сонячного елемента.

З'ясовано можливості застосування тонкоплівкової структури CdTe з діодом Шотткі в детекторах з прямим перетворенням Х-променевого зображення в електричні сигнали. Показано, що наявність бар'єрної структури Ni/n-CdTe або Al/p-CdTe забезпечує малі значення темнового струму, а концентрація електричного поля в області просторового заряду знімає проблему збирання заряду при поглинанні фотона при певних значеннях часу життя неосновних носіїв і концентрації некомпенсованих домішок.

Ключові слова: тонкоплівкові сонячні елементи, детектори Х-променевого зображення, CdTe, напівпровідникова гетероструктура, діод Шотткі, фотоелектрична квантова ефективність.

Annotation

Eugene Grushko. Efficiency of photoelectrical conversion in CdTe-based thin-film solar cells and X-ray detectors. - Manuscript.

Thesis for a Candidate's Sciences degree by speciality 01.04.10 - Physics of Semiconductors and Dielectrics. - Yuri Fed'kovych Chernivtsi National University, 2007.

The results of investigation of the physical processes determined the electrical, optical and photoelectric characteristics of thin-film CdS/CdTe solar cells and direct conversion X-ray imaging detectors are presented.

From the continuity equation, the mathematical description of spectral distribution of photoelectric quantum yield of n-CdS/p-CdTe heterostructure is given. The effect of parameters of diode structure (thickness of the CdTe absorber layer, resistivity, charge-carrier lifetime, concentration of uncompensated acceptors) on short-circuit current under the standard conditions of solar illumination is elucidated. The parameter values in their combination for achieving the maximal possible short-circuit current have been found.

Based on the charge transport Sah-Noyce-Shockley generation-recombination mechanism supplemented by the over-barrier flow of electrons at higher voltage, the dependence of open-circuit voltage, fill factor of I-V characteristic and efficiency of n-CdS/p-CdTe heterostructure on the above-mentioned parameters has been considered.

The potentials for implementation of thin-film CdTe structure with Schottky diode in direct conversion X-ray imaging detectors are elucidated. It is shown that the Ni/n-CdTe or Al/p-CdTe barrier structure provides low dark currents whereas concentration of electric field in the space-charge region removes the problem of charge collection at appropriate lifetime of minority carriers and concentration of uncompensated impurities.

Key words: thin-film solar cells, X-ray imaging detectors, CdTe, semiconductor heterostructure, Schottky diode, photoelectric quantum efficiency

Аннотация

Евгений Грушко. Эффективность фотоэлектрического преобразования в тонкопленочных солнечных элементах и рентгеновских детекторах на основе CdTe. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков. - Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2007.

В диссертации приведены результаты исследования физических процессов, определяющих электрические, оптические и фотоэлектрические характеристики тонкопленочных CdS/CdTe солнечных элементов и детекторов с прямым преобразованием рентгеновского изображения в электрические сигналы.

Исходя из уравнения непрерывности, дано математическое описание спектрального распределения фотоэлектрического квантового выхода n-CdS/p-CdTe гетероструктуры с учетом дрейфовой и диффузионной компонент фототока, оптических и рекомбинационных потерь на границах раздела. Выяснено влияние параметров диодной структуры (толщины поглощающего слоя CdTe, его удельного сопротивления, времени жизни носителей заряда и концентрации некомпенсированных акцепторов) на ток короткого замыкания при стандартных условиях солнечного облучения АМ1.5. Найдены оптимальные значения параметров в их комбинации для достижения максимально возможной плотности тока короткого замыкания.

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что механизмом переноса заряда в исследуемой n-CdS/p-CdTe гетероструктуре является генерация-рекомбинация в области пространственного заряда Саа-Нойса-Шокли, дополненная надбарьерным прохождением электронов при высоких напряжениях. Исходя из этого, а не основываясь на обычно используемых полуэмпирических формулах, исследована зависимость напряжения холостого хода, фактора заполнения вольт-амперной характеристики и коэффициента полезного действия солнечного элемента от параметров гетероструктуры. Найдены значения параметров, обеспечивающие максимально возможную эффективность тонкопленочного солнечного элемента CdS/CdTe, составляющую в условиях массового производства около 10 %, что значительно ниже теоретического предела 28-30 % . Используемая модель происходящих процессов позволяет объяснить также температурные зависимости тока короткого замыкания, напряжения холостого хода, фактора заполнения и коэффициента полезного действия исследуемых солнечных элементов.

Выяснены возможности применения тонкопленочного CdTe с диодом Шоттки в детекторах с прямым преобразованием рентгеновского изображения в электрические сигналы. Показано, что наличие барьерной структуры Ni/n-CdTe или Al/p-CdTe обеспечивает необходимые малые значения темнового тока, а концентрация электрического поля в области пространственного заряда снимает проблему собирания заряда при определенных значениях времени жизни неосновных носителей и концентрации некомпенсированных примесей. Результаты расчета эффективности детектирования в области энергии фотонов, используемой в рентгенологии, свидетельствуют о возможности практического применения тонкопленочного CdTe с диодом Шоттки в детекторах рентгеновского изображения для клинического обследования организма человека при меньшей дозе облучения по сравнению с дозами, при использовании существующих радиологических установок.

Ключевые слова: тонкопленочные солнечные элементы, детекторы рентгеновского изображения, CdTe, полупроводниковая гетероструктура, диод Шоттки, фотоэлектрическая квантовая эффективность.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Розрахункова схема електричного кола. Умовно позитивний напрям струму. Застосування законів Кірхгофа для розрахунку розгалужених кіл. Еквівалентні перетворення схем з'єднань опорів. Формула провідності елемента кола. Коефіцієнт корисної дії генератора.

    лекция [98,4 K], добавлен 25.02.2011

  • Природа і спектральний склад сонячного світла, характер його прямого та непрямого енергетичного перетворення. Типи сонячних елементів на основі напівпровідникових матеріалів. Моделювання електричних характеристик сонячного елемента на основі кремнію.

    курсовая работа [2,3 M], добавлен 17.06.2014

  • Золоте правило механіки, плоскість похилої, важіль і їх використання в машинах. Застосування клина для з'єднання окремих деталей і частин механізму в єдине ціле. Коефіцієнт корисної дії. Опір жорсткості канатів і ланцюгів в передачах з гнучкими ланками.

    реферат [4,0 M], добавлен 29.03.2011

  • Дослідження засобами комп’ютерного моделювання процесів в лінійних інерційних електричних колах. Залежність характеру і тривалості перехідних процесів від параметрів електричного кола. Методики вимірювання параметрів електричного кола за осцилограмами.

    лабораторная работа [1,0 M], добавлен 10.05.2013

  • Визначення початкових умов та значені перехідного процесу. Розв’язання диференційного рівняння. Перехідні та імпульсні характеристики відносно струму кола та напруг на його елементах, графіки. Вираз для прямокутного відео імпульсу, реакція кола на дію.

    курсовая работа [768,7 K], добавлен 14.12.2012

  • Розрахунок символічним методом напруги і струму електричного кола в режимі синусоїдального струму, а також повну потужність електричного кола та коефіцієнт потужності. Використання методу комплексних амплітуд для розрахунку електричного кола (ЕК).

    контрольная работа [275,3 K], добавлен 23.06.2010

  • Переваги та недоліки сонячних електростанцій різних типів, перспективні технології для покращення роботи як сонячних елементів, так і сонячних електростанцій. Аналіз розвитку малої енергетики у світі та в Україні на основі відновлюваних джерел енергії.

    статья [635,5 K], добавлен 22.02.2018

  • Поняття про електричні сигнали та їх спектри. Розрахунок і побудова спектральних діаграм, амплітуд та фаз періодичного сигналу. Операторний метод розрахунку електричних кіл. Порядок розрахунку пасивних фільтрів високої частоти. Проектування ARC фільтра.

    курсовая работа [1,2 M], добавлен 10.09.2012

  • Прилад для перетворення напруги і сили змінного струму (трансформатор), його застосування в електромережах. Поняття коефіцієнту трансформації. Класичний резонансний трансформатор, що виробляє високу напругу при високій частоті (трансформатор Тесли).

    презентация [1,7 M], добавлен 13.12.2012

  • Передумови створення квантової електроніки. Основні поняття квантової електроніки. Методи створення інверсного заселення рівнів. Характеристика типів квантових генераторів. Параметричні підсилювачі. Основні області застосування квантових генераторів.

    курсовая работа [938,5 K], добавлен 24.06.2008

  • Реостат — електричний прилад, яким змінюють опір електричного кола, регулюють струм або напругу. Опис будови реостату, його види та позначення на електричній схемі. Принцип роботи приладу, його призначення в побуті, застосування у науці та техніці.

    презентация [1,1 M], добавлен 13.02.2012

  • Суть методів аналізу перехідних процесів шляхом розв‘язку задач по визначенню реакції лінійного електричного кола при навантаженні. Поведінка кола при дії на вході періодичного прямокутного сигналу, його амплітудно-частотна і фазочастотна характеристика.

    курсовая работа [461,9 K], добавлен 30.03.2011

  • Експериментальні й теоретичні дослідження, винаходи, найвидатніші досягнення українських фізиків в галузі квантової механіки та інших напрямів. Застосування понять цієї науки для з’ясування природи різних фізичних механізмів. Основні наукові праці вчених.

    презентация [173,7 K], добавлен 20.03.2014

  • Ознайомлення з пакетом схемотехнічного моделювання Simulink. Особливості складання схем, використання основних вимірювальних приладів. Складання однофазного простого електричного кола. Вимірювання миттєвого, діючого значеня струмів та напруг на елементах.

    лабораторная работа [1,8 M], добавлен 29.03.2015

  • Теплові процеси в елементах енергетичного обладнання. Задача моделювання теплових процесів в елементах енергетичного обладнання в спряженій постановці. Математична модель для розв’язання задач теплообміну стосовно елементів енергетичного обладнання.

    автореферат [60,0 K], добавлен 13.04.2009

  • Основні параметри сонячних перетворювачів. Сучасний стан нормативного забезпечення випробувань сонячних елементів та колекторів. Комбіновані теплофотоелектричні модулі, відображення сигналу на екрані осцилографа. Відображення форм хвилі постійного струму.

    курсовая работа [11,0 M], добавлен 26.06.2019

  • Схема паралельного резонансного контуру. Частотні характеристики повного опору складних контурів. Індуктивно-зв'язані електричні кола: загальні відомості; однойменні затискачі; зустрічне й узгоджене ввімкнення котушок; коефіцієнт зв'язку; синусоїдна ЕРС.

    реферат [252,4 K], добавлен 26.01.2011

  • Функціонал електронної густини Кона-Шема. Локальне та градієнтне наближення для обмінно-кореляційної взаємодії. Одержання та застосування квантово-розмірних структур. Модель квантової ями на основі GaAs/AlAs. Розрахунки енергетичних станів фулерену С60.

    магистерская работа [4,6 M], добавлен 01.10.2011

  • Перетворення у схемі; заміна джерела струму на еквівалентне; система рівнянь за законами Кірхгофа. Розрахунок струмів холостого ходу методами двох вузлів, вузлових потенціалів і еквівалентного генератора; їх порівняння. Визначення показань вольтметрів.

    курсовая работа [85,3 K], добавлен 30.08.2012

  • Роль і місце сонячної енергетики сьогодення та перспективи її розвитку в світі та в Україні. Будова та принцип дії сонячних елементів, їх можливе застосування у сучасному побуті і промисловості. Фотоелементи та практичне застосування фотоефекту.

    курсовая работа [157,9 K], добавлен 05.11.2010

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.