Учитывая крайне низкую стоимость меди и селена, и высокопроизводительную вакуумную напылительную технологию, по экономической эффективности, тонкие слои из CuInSe 2 могут успешно конкурировать с известными материалами оптоэлектроники — кристаллами CuSi и AlGaAs. Сравнивая с аморфным кремнием, можно указать на уже достигнутую к настоявшему времени для солнечных элементов на основе CuInSe 2 высокую стабильность электрических параметров.
Ключевые слова: монокристаллы CuInSe 2 , оптоэлектроника, оптические свойства, электрические параметры, тройные полупроводники, тетрагональная сингония.
Considering the extremely low cost of copper and selenium, and high-performance vacuum deposition technology, in terms of economic efficiency, thin layers of CuInSe 2 can successfully compete with known optoelectronics materials — CuSi and AlGaAs crystals. Comparing with amorphous silicon, we can point to the high stability of electrical parameters that has already been achieved for solar cells based on CuInSe 2 .
Keywords: CuInSe 2 single crystals, optoelectronics, optical properties, electrical parameters, ternary semiconductors, tetragonal syngony.
Соединения группы A I B III C 2 VI кристаллизуются в структурах с тетраэдрической координацией атомов (сфалерит, халькопирит), причем тетрагональная и орторомбическая сингонии этих соединений близки к псевдокубической структуре. Ширина запрещенной зоны тройных полупроводников A I B III C 2 VI изменяется от 1,0 эВ до 3,5 эВ , что несколько ниже, чем у электронных бинарных аналогов B II C VI . В отличие от соединений B II C 2 VI , обладающих, как правило устойчивым типом проводимости, многие тройные полупроводники могут быть получены n и р- типа проводимости. Важным прикладным аспектом является удачное сочетание совокупности оптических и электронных свойств тройных материалов р -типа проводимости, которые могут быть эффективно использованы в гетеропереходах с широкозонными соединениями CdS , ZnO , CdSe n -типа [1,2].
В работе синтезированы и выращены монокристаллы соединений CuInSe 2 . Также получены тонкие пленки синтезированных соединений и проведено электронографические исследования их структур.
В работе [2] дан обзор теоретических и экспериментальных исследований электронного спектра соединений A I B III C 2 VI .
Изучены структурные особенности образования упорядоченной тетрагональной фазы халькопиритного типа в сплаве CuInSe 2 . После закалки от температуры выше точки Курнакова ( 810 0 С ), на микроэлектронограммах наблюдались эффекты диффузного рассеяния, геометрия которых свидетельствует о том, что в процессе перехода из разупорядоченного к упорядоченному состоянию, образуется четырехугольные тетраэдрические кластеры, состоящие из двух атомов Cu и двух атомов In . В процессе последующего отжига ниже точки Курнакова, формируется доменная структура с тремя некоаксиальными ориентациями и четырьмя вариантами превращения из неупорядоченной фазы.
При синтезе тройных химических соединений типа A I B III C 2 VI как обычно, используют метод сплавления исходных компонентов в стехиометрическом соотношении. Химическая реакция между Se и In проходит с выделением большого количества тепла. Поэтому, при малом объеме реактора, необходимо обеспечивать постепенную подачу вещества в зону прохождения реакции. С целью удовлетворения этого требования, а также с учетом легколетучести одного из компонентов нами в качестве реактора использована кварцевая ампула длиной 20 см и вдоль нее создавались разные температурные перепады. В начале синтеза разность температуры между двумя концами ампулы составляли около 1000 K . В технологическом отношении синтез и выращивание монокристаллов нами осуществлялся последовательно в ходе одного технологического цикла. Этот вариант наиболее эффективен по сравнению с раздельно выполненными циклами, т. к. первый вариант позволяет снизить до минимума загрязнения, вносимые в соединение при переходе от одного технологической операции в другой, а в нашем варианте за весь цикл используется только одна ампула [2].
Материалы для изготовления ампул во всех случаях служил плавленый кварц. Ампулы перед их использованием подвергались тщательной многократной промывке. При промывке, ампулы заполнялись раствором насыщенной соли K 2 Cr 4 O 2 в воде и концентрированной H 2 SO 4 в объемных соотношениях 1:9 и выдержались в течение 24 часов.
Изучение оптических свойстве является одним из надежных методов определения фундаментальных параметров и выявления особенностей электронных процессов, непосредственно связанных со спецификой зонной структуры полупроводников [3].
Исследование оптических свойств полупроводников позволяет получить богатую информацию о поведении носителей тока, о механизме и о природе различных электронных процессов в твердых телах, а также позволяет определить их фундаментальные параметры, что стимулирует создание новых полупроводниковых приборов и совершенствование уже существующих.
Для дополнения полученных результатов по электронным свойствам изученных нами материалов, исследованы спектры оптического поглощения монокристаллов CuInSe 2 . Измерения проводились в области энергии фотонов 0.92÷1.00 эВ стационарным методом.
С целью получения информации о ширине запрещенной зоны и ее температурной зависимости, а также о типе электронных переходов нами определен край оптического поглощения монокристалла CuInSe 2 при 100÷300 K.
Рис. 1. Спектр коэффициента поглощения монокристаллов CuInSe 2 . T, K: 1–300; 2–100
На рис.1 приведены кривые коэффициента поглощения монокристаллов CuInSe 2 в области энергии 0,92÷1,00 эВ при температуре 300 К и 100 К (кривые 1 и 2, собственно). Как видно из этого рисунка, коэффициент поглощения резко возрастает с увеличением энергии фотонов даже при α<10 см -1 . Этот факт является доказательством того, что край межзонного поглощения обусловлен прямыми разрешёнными переходами [4].
Рис. 2. Дифференциальные спектры поглощения монокристаллов CuInSe 2 , T, K: 1–300; 2–100
Характерные кривые дифференциальных спектров поглощения монокристаллов CuInSe 2 , снятые методом λ -модуляции при 300 К и 100 К приведены на рис 2. Как видно из этого рисунка, на дифференциальных спектрах поглощения наблюдаются особенности при высоких энергиях фотона. Определенные по этим измерениями значения ширины запрещенный зоны оказывается равными (0,964±0,003) эВ и (0,982±0,003)эВ при 300 К и 100 К , соответственно, и хорошо согласуется со значениями, найденными стационарным методом [5].
Литература:
- Мудрый А. В. Фотолюминесценция монокристаллов CuInSe 2 выращенных методом направленной кристаллизации // Журнал Прикладной спектроскопии, 2010, т.77, № 3, с.400–406.
- Керимова Э. Кристаллофизика низкоразмерных халькогенидов. 2012, 708 с.
- Короткий, А. В. Структурные и оптические свойства гетероструктур CdS/Cu (In,Ga) Se 2 , облученных высокоэнергетическими электронами. / А. В. Короткий, А. В. Мудрый, М. В. Якушев, Ф.Луккерт, Р.Мартин. // Журнал прикладной спектроскопии. 2010, т.77, № 5, с.725–731.
- Сардарова Н. С., Бархалов Б. Ш., Нуруллаев Ю. Г. Электрические свойства кристаллов твердых растворов. // Ж. Наука, техника и образование, 2016, № 11, (29), с.6–10.
- Мудрый А. В. Структурные и оптические свойства полупроводниковых соединений CuInSe 2. // Ж. Прикладной спектроскопии, 2010, т.77, № 3, с.400–406.
- Бархалов Б. Ш., Нуруллаев Ю. Г., Исмаилов Р. М. // Ж. Наука, техника и образование, 2019, № 10 (63), с.6–10.
