СПОСОБИ ОТРИМАННЯ ПЛІВОК CdS І CdSe ТА ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ЇХ ОСНОВІ. ОГЛЯД

1
Національний університет “Львівська політехніка”
2
Національний університет „Львівська політехніка”
3
Національний університет „Львівська політехніка”
4
Національний університет “Львівська політехніка”
5
Національний університет “Львівська політехніка”

Альтернативні і поновлювані джерела енергії, такі як енергія вітру і сонячного світла, гідро- і геотермальна енергія, у всьому світі привертають все більше уваги. Зростаючий інтерес до них викликаний екологічними міркуваннями, з одного боку, і обмеженістю традиційних земних ресурсів - з іншого. Особливе місце серед альтернативних і поновлюваних джерел енергії займають фотоелектричні перетворювачі сонячної енергії.

Напівпровідникові тонкі плівки халькогенідів металів підгрупи цинку завдяки своїм унікальним оптичним та електричним властивостям можуть бути використані у фотоелектричних системах. Найбільшого використання набули плівки халькогенідів кадмію. Але через велику кількість чинників, які впливають на властивості плівок, що, в свою чергу, суттєво впливає на ефективність фотоперетворювачів на їхній основі, вибір простого, доступного та дешевого методу їх отримання дасть можливість уникнути багатьох із них і спростить роботу під час розробки нових, чи вдосконалення вже існуючих сонячних елементів на їхній основі. Покращення ефективності фотоперетворення шляхом збільшення струму короткого замикання в сонячних комірках з буферним шаром CdS чи CdSе вимагає зменшення втрат на оптичне поглинання фотонів з енергіями hν < 2.4 еВ, чого можна досягти мінімізацією товщини плівок кадмій сульфіду та кадмій селеніду до оптимальних розмірів.

В даній роботі розглянуто та ґрунтовно проаналізовані переваги та недоліки основних методів, які використовуються для синтезу тонкоплівкових напівпровідникових матеріалів. Акцентовано увагу на виборі методу хімічного поверхневого осадження (ХПО) в зв’язку з простотою його виконання в технологічному плані, можливістю використання різноманітних та доступних вихідних речовин для синтезу широкого спектру напівпровідникових тонких плівок при температурах до 100 0С на підкладках різної природи, форми та розміру з утворенням мінімальної кількості відходів.

Проаналізовано основні умови синтезу плівок халькогенідів кадмію, та наведено порівняльну характеристику їхнього впливу на оптичні та морфологічні властивості плівок. При описі методу ХПО наведено хімізм проходження процесу утворення малорозчинної сполуки CdS, розглянуто вплив початкової кадмійвмісної солі, халькогенізуючого реагента, рН середовища і природи підкладки на властивості плівок CdS та CdSe. Умови отримання та властивості плівок халькогенідів кадмію, синтезованих різними методами, зведені в одну таблицю.

Тому пошук оптимального методу одержання плівкових матеріалів є одним із ключових етапів на шляху їх синтезу із необхідними функціональними властивостями для розроблення нових тонкоплівкових напівпровідникових матеріалів та вдосконалення вже розроблених матеріалів на їх основі.

1. Gordillo G., Rojas F., Calderón C. (2003). Optical characterization of Cd (Sx, Te1-x) thin films deposited by evaporation. Superficies y Vacio. V. 16, № 3, 30-33.
2. Беляев А. П., Рубец В. П., & Калинкин И. П. (2003). Влияние резко неравновесных условий на стехиометрию состава слоя теллурида кадмия, конденсируемого из паровой фазы. Физика и техника полупроводников, Т. 37, Вып. 6, 641-643.
3. Майссел Л., Глэнг Р. (1977). Технология тонких пленок (справочник) / пер. с англ. под. ред. М. И. Елинсона, Г. Г. Смолко. М. Сов. радио Т.1.
4. Случинская И. А. (2002). Основы материаловедения и технологии полупроводников. Москва. Мифи.
5. Kumar V., Khan K. L. A., & Hussaine M. (2007). ZnSe sintered films: growth and characterization. Applied Surface Science, Vol. 25, № 3, Issue 7,35433546. doi. org/10.1016/j. apsusc.2006.07.066.
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2006.07.066
6. Pouzet J., Bernede J. C., & Benhida S. (1992). Preparation and characterization of tungsten diselenide thin films. Thin Solid Films, 208, 252-259. doi. org/10.1016/0040-6090(92)90652-R.
https://doi.org/10.1016/0040-6090(92)90652-R
7. Mitzithra C., Hamilakis S., & Loizos Z. (2012). CdSe semiconducting layers produced by pulse electrolysis. Физика и техника полупроводников, Vol. 46 (5), 633-636. doi: 10.1134/S1063782612050168.
https://doi.org/10.1134/S1063782612050168
8. Sasikala G., Thilakan P., Subramanian C. (2000). Modification in the chemical bath deposition apparatus, growth and characterization of CdS semiconducting thin films for photovoltaic applications. Solar Energy Materials & Solar Cells, 62, 275-293. doi. org/10.1016/S0927-0248(99)00170-1.
https://doi.org/10.1016/S0927-0248(99)00170-1
9. Ravichandran K., Philominathan P. (2008). Investigations on microstructural and optical properties of CdS films fabricated by a low-cost, simplified spray technique using perfume atomizer for solar cell applications. Solar Energy, Vol. 82, 1062-1066. doi. org/10.1016/j. solener.2008.04.012.
https://doi.org/10.1016/j.solener.2008.04.012
10. Catalano A. (1996). Polycrystalline thin-film technologies: Status and prospects. Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol.41-42, 205-217. doi. org/10.1016/0927-0248(95)00144-1.
https://doi.org/10.1016/0927-0248(95)00144-1
11. Oladeji I. О., Chow L. (1997). Optimization of chemical bath deposited cadmium sulfide thin films. J. Electrochem. Soc, Vol. 144, No.7, 2342-2346. doi. org/10.1016/j. matlet.2017.05.117.
https://doi.org/10.1149/1.1837815
12. Ugai Ya. A., Semenov V. N., & Shamsheeva Y. L. (1988). Reactions between cadmium salts and thiourea in the preparation of cadmium sulfide films. Zh. Prikl. Khim. (Leningrad), no. 11, 2409-2414.
13. Палатник Л. С. (1978). Материаловедение в микроэлектронике. М.: Энергия.
14. Лякишев Н. П. (1996). Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник: в 3 т.: Т. 1 / под общ. ред. Н. П. Лякишева. М.: Машиностроение.
15. Susa K., Kobayashi T., Taniguchi S. (1980) High-pressure synthesis of rock-salt type Cd-S using metal sulfide additives. Journal of Solid State Chemistry, vol. 33(2), 197-202. doi. org/10.1016/00224596(80)90120-6.
https://doi.org/10.1016/0022-4596(80)90120-6
16. Ohata K., Saraie J., Tanaka T. (1973). Phase diagram of the Cd-S - Cd-Te pseudobinary system. Japanese Journal of Applied Physics, vol. 12(8), 1198- 1204. doi: 10.1143/JJAP.12.1198.
https://doi.org/10.1143/JJAP.12.1198
17. Sowa H. (2005). On the mechanism of the pressure-induced wurtzite- to (NaCl)-type phase transition in Cd-S: an X-ray diffraction study. Solid State Sciences, vol. 7, 73-78. doi. org/10.1016/j. solidstatesciences.2004.10.011.
https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2004.10.011
18. Mariano A. N., Warekois E. P. (1963) High pressure phases of some compounds of groups II-VI. Science, vol. 142, 672-673. doi: 10.1126/science.142.3593.672.
https://doi.org/10.1126/science.142.3593.672
19. Kulakov M. P., Balyakina I. V., Kolesnikov N. N. (1989). Phase diagram and crystallization in the system Cd-Se - Zn-Se. Inorganic Materials, vol. 25(10), 1386-1389.
20. Sowa H. (2005). The high-pressure behaviuor of Cd-Se up to 3 GPa and the orientation relations between its wurtzite- and NaCl-type modifications. Solid State Sciences, vol. 7, 1384-1489. doi. org/10.1016/j. solidstatesciences.2005.09.003.
https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2005.09.003
21. Холлэнд Л. (1963). Нанесение тонких пленок в вакууме / пер. с англ. Н. В. Васильченко. МоскваЛенинград: Госэнергоиздат.
22. Чопра К. Л. (1972). Электрические явления в тонких пленках / пер. с англ. [ под ред. Т. Д. Шермергора]. Москва: Мир.
23. Елинсон М. И., Смолко Г. Г. (1977). Технология тонких пленок: справочник: в 2 т.: М.: Мир.
24. Чопра К. (1986). Тонкопленочные солнечные элементы. Москва: Мир.
25. Gnatenko Yu. P., Bukivskij P. M., & Ivashchenko M. M. (2014). Photoluminescence of high optical quality CdSe thin films deposited by closespaced vacuum sublimation. Journal of Luminescence, Vol. 146, 174-177. doi. org/10.1016/j. jlumin.2013.09.070.
https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2013.09.070
26. Lahewil A. S. Z., Al-Douri Y., & Ahmed N. M. (2013). Structural, analysis and optical studies of cadmium sulfide nanostructured. Procedia Engineering, vol. 53, 217-224. doi. org/10.1016/j. proeng.2013. 02.029.
https://doi.org/10.1016/j.proeng.2013.02.029
27. Islam M. A., Hossain M. S., & Amin N. (2013). Comparison of structural and optical properties of CdS thin films grown by CSVT, CBD and Sputtering techniques. Energy Procedi, vol. 33, 203-213. doi. org/10.1016/j. egypro.2013.05.059.
https://doi.org/10.1016/j.egypro.2013.05.059
28. Gopakumar N., Anjana P. S., Pillai P. K. V. (2010). Chemical bath deposition and characterization of CdSe thin films for optoelectronic applications. Journal of Materials Science, vol. 45, 6653-6656. doi: 10.1007/s10853-010-4756-1.
https://doi.org/10.1007/s10853-010-4756-1
29. Старіков В. В., Іващенко М. М., & Перевертайло B. Л. (2009). Морфологія поверхні та оптичні властивості плівок CdSe отриманих методом квазізамкненого об'єму. Журнал нано- і електронної фізики, Т. 1, № 4, 100-109.