ТОНКИЕ ПЛЕНКИ SnS ДЛЯ ФОТОВОЛЬТАИКИ

1. ТОНКИЕ ПЛЕНКИSnS 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

2. Актуальность 3 Недостатки традиционных материалов: -низкое содержание в природе и высокая цена In ограничивает широкое использование модулейна основе CIGS -токсичность Cd поднимает проблему утилизации отработанных модулей на основе CdTe SnS: - теоретический КПД до 25% - ширина запрещенной зоны 1.1–1.5эВ - p-тип проводимости - коэффициент поглощения до 104 см-1 - нетоксичный и недорогой материал H.Dittrich et al. Thin Solid Films, 2007, Vol. 515, P. 5745–5750. Содержание в природе и цены в $ в расчете на 1 кг простого вещества химических элементов, используемы в тонкопленочных СЭ

3. 4 Кристаллические фазыв системе Sn - S W. Albers, K. Schol. Philips Res. Repts., 1961, Vol. 16, P. 329-342.

4. 5 Кристаллическая структура SnSФазовый переход α–SnS → β–SnS α– SnS: орторомб. система, пр. гр. Рbnm, тип GeS β–SnS: орторомб. система, пр. гр. Cmcm, тип TlI T перехода = 605 °С Параметры элементарной ячейки SnS Элементарная ячейка α–SnS T. Chattopadhyay et al.,J. Phys. Chem. Solids, 1986, Vol. 47, P. 879-885

5. Электрические и оптические свойства кристаллов SnS W. Albers et. al. J. Appl. Phys., 1961, Vol. 32, P. 2220-2225.

6. Зонная структура SnS Плотность состояний Зонная структура SnS • Максимум валентной зоны находится не в точке Г, а на линии U-Z. • Минимум зоны проводимости находится в точке Г, однако уровень зоны проводимости на линии U-Z близок к минимуму. • Возможны непрямые переходы с энергией 1.6 эВ и прямые переходы с энергией 1.8 эВ. Схема первой зоны Бриллюэна SnS A.R.H.F. Ettema. Phys. Rev. B., 1992, Vol. 46, P.7363-7373.

7. Методы получения и ширина запрещенной зоны пленок SnS

8. 4 Получение пленок SnS • Получение поликристаллического SnSпутем сплавления Sn и S • Получение пленок SnS термическим вакуумным методом «горячей стенки»

9. 5 Получение поликристаллического материала SnS • Нагрев со скоростью ~ 50 К/ч. • Включение вибрации и остановка нагрева при Т ~ 970 К (4 ч). • Нагрев со скоростью ~ 50 К/ч. • При Т=1120 остановка нагрева (~ 2 ч). • Выключение вибрации. • Охлаждение со скоростью 2 - 3 К/ч до 970 К • Отжиг при Т~ 970 К в течении 500 ч. • Охлаждение до комнатной температуры со скоростью 20 °C/ч. 1 – термопара 2 – пробки из шамотного кирпича 3 – нагреватель 4 – кварцевая ампула 5 – навеска исходных компонентов 6 – теплоизоляция 7 – вибратор 8 – шток ампулы 9 – тигель Рентгенограмма порошка SnS

10. 6 Получение пленок SnS Условия роста пленок: температура стенок: 600 °C; температура подложки: 220-350 °C; давление: 10-5мбар время напыления: 10-50 минут Преимущества метода: 1 – формирование пленок в условиях близких к равновесным 2 – минимальные потери вещества материал подложки: стекло С.А. Башкиров и др. ФТП, 2011, т.45, с. 765-769.

11. Методика исследования пленок 7

12. 3 Различные типы ориентации пленок SnS на стекле ориентация (010) при Ts>230 °C ориентация (111) при Тs<230 °C S.A. Bashkirovet al. J. Adv. Microsc. Res., 2011, V. 6, P. 153-158.

13. Микростуктура пленокSnS c ориентацией (010) 8 top-down 50 deg cross-section 230 °С 270 °С 330 °С

14. 10 Элементный состав

15. Электрические свойствапленок SnS 11 энергия активации 0.12 - 0.13 эВ. увеличение удельного сопротивления с ростом Tsпроисходит пропорционально Exp[-1.5±0.1 эВ/(kTs)] p-тип проводимости термоЭДС~ 300мкВ/K

16. Оптические свойствапленок SnS 11 прямые межзонные переходы коэффициент поглощения до 105см–1 оптическая ширина запрещенной зоны 1.45 эВ

17. Фоточувствительные барьеры Шоттки In/р-SnS 11 1–2 мкм слой In наносился методом термического вакуумного испарения. Пропускное направление соответствует отрицательной полярности внешнего источника тока на барьерном контакте Вольтовая фоточувствительность: от 45 до 200 В/Вт Максимальная фоточувствительность в диапазоне энергии 1.3–3.0 эВ В.Ф. Гременок и др.ФТП, 2011, т.45, С. 1084-1089. Спектры фоточувствительнотси In/p-SnS 1- пленка получена при Ts = 220 C 2 – пленка получена при Ts = 300 C С.А. Башкиров, В.Ф. Гременок Тонкопленочный полупроводниковый фотодетектор Патент РБ № 16917 от 29.04.2011.

18. Пленки SnS на стекле с подслоем молибдена Солнечные элементыn-ZnO(Al)/i-ZnO/n-CdS/p-SnS/Mo S.A. Bashkirov et al. Thin Solid Films, 2012, V. 520, P. 5807–5810

19. Солнечные элементы на основе SnS

20. Рентгенограммы пленок SnS на Мо 5 • однофазные пленки орторомбической структуры (пространственная группаPnma, структурный тип B16) • по структуре пленки соответствуют порошкам SnS • ориентация (111) • -присутствует рефлекс плоскости (110) кубической решетки Mo (пространственная группаIm3m, структурный тип A2) с параметром a = 3.190–3.194 Å. • -параментры элементарной ячейки: • а=4.294–4.329Å, b = 11.195–11.215 Å, c = 3.986–3.996 Å.

21. Микрофотографии пленок SnS на Мо 6 поверхность скол

22. 7 Распределение элементов однородное распределение элементов по глубине, соотношение элементов близко к стехиометрии четкая граница слоев Mo и SnS при Ts>300 °C избыток оловав связи с реиспарением серы ОЭС-профили пленок на стекле с подслоем Mo, полученных при Ts = 350 °C (a) and Ts = 270 °C (b)

23. 8 Получение солнечных элементовn-ZnO(Al)/i-ZnO/n-CdS/p-SnS/Mo • Нанесение слоя Mo на стекло методом магнетронного распыления • Напыление на слой Мо пленок SnS методом «горячей стенки» • Химическое осаждение CdS на поверхность SnS из раствора1 моль/л аммиака, 1.4∙10-3 моль/л иодида или сульфата кадмия и 0.14 моль/л тиомочевины, в течение 4 мин при температуре 60 °С • Нанесение на поверхность CdS слоев ZnO из цинковой мишени методом магнетронного распыления в атмосфере Ar с добавкой 10% кислорода • Формирование низкоомного слоя ZnO:Al методом магнетронного распыления алюминиевой мишени В. Гременок и др. Способ получения солнечных элементов на основе тонкопленочной структуры CdS/SnS. Патент РБ № 15451 от 03.09.2010.

24. Солнечные элементы n-ZnO(Al)/i-ZnO/n-CdS/p-SnS/Mo 9 ZnO и CdS: толщина 0.05 до 0.35мкм n-тип проводимости Световая и темновая ВАХ n-ZnO/n-CdS/p-SnS Освещение 30 мВт/см2 напряжение холостого хода: 132 мВ ток короткого замыкания: 3.68мА/см2 фактор заполнения: 0.29 КПД: 0.5 % Максимальная мощность: 0.135 мВт/см2 последовательное сопротивление: 40 Ом шунтирующее сопротивление: 350 Ом S.A. Bashkirov et. al. Thin Solid Films, 2012, Vol. 520, P. 5807–5810

25. Сотрудничество 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.

26. 12 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В настоящем докладе проведен обзор результатов исследования кристаллов и тонких пленок SnS, полученных различными методами, а также приборов на их основе. Наибольшее внимание уделено оригинальным результатам исследования пленок SnS, полученных термическим вакуумным методом «горячей стенки». Показано, что метод позволяет получать на стеклянных подложках пленки SnS с различной ориентацией. Приведены результаты исследования электрических и оптических свойств пленок SnS в зависимости от условий получения. Представлено получение фоточувствительных барьеров ШотткиIn/SnS и солнечных элементов n-ZnO(Al)/i-ZnO/n-CdS/p-SnS/Mo. Приведены характеристики приборов. Результаты работы демонстрируют перспективы использования пленок SnS, полученных методом «горячей стенки», в приложениях фотовольтаики.

27. Спасибо за внимание аспирант С.А. Башкиров научный руководитель В.Ф. Гременок Лаборатория физики твердого тела Государственное научно-производственное объединение«Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению» 220072, г. Минск, ул. П.Бровки, 19 Tel: +375 29 5573731FAX: +375172840888E-mail: bashkirov@physics.by