Дослідження кристалів Cu2ZnSnSe4 та гетеропереходів на їхній основі

Анотація

Найбільш перспективними матеріалами для створення перетворювачів сонячного випромінювання вважаються такі сполуки, як CdTe і тверді розчини Cu(In, Ga)Se₂, CuIn(S, Se)₂, CuGa(S, Se)₂.Однак неекологічність Cd, Te та обмеженість земних запасів In, Ga, а також їхня висока вартість змушують дослідників замінювати In і Ga на більш поширені елементи II та IV груп, а саме на Zn і Sn. Крім цього, проводяться дослідження нових напівпровідникових сполук, таких як Cu₂ZnSnS₄, Cu₂ZnSnSe₄, а також твердих розчинів на їхній основі. Ці сполуки мають близьку до оптимальної для перетворення сонячної енергії ширину забороненої зони (E_g ≈ 1,5 еВ), високий коефіцієнт поглинання світла (≈ 10⁵ см^–1), великий час життя носіїв заряду, а також досить високу їх рухливість. Також зараз неухильно зростає інтерес до напівпровідникових гетеропереходів, таких як TiO₂/Cu₂ZnSnS₄, що мають ряд переваг в порівнянні з гомопереходами. У даній роботі представлено результати досліджень кінетичних властивостей кристалів Cu₂ZnSnS₄, створено анізотипні гетеропереходи n-TiO₂/p-Cu₂ZnSnSe₄, визначено їх основні електричні параметри та побудовано енергетичну діаграму. Встановлено, що електропровідність кристалів Cu₂ZnSnS₄ має металевий характер, тобто вона зменшується з ростом температури, що обумовлено зменшенням рухливості носіїв заряду. Коефіцієнт Холла не залежить від температури, що вказує на виродження носіїв заряду в напівпровіднику. Анізотипні гетеропереходи n-TiO₂/p-Cu₂ZnSnSe₄ виготовлено методом магнетронного напилення тонких плівок TiO₂ на підкладки з кристалів Cu₂ZnSnSe₄. Енергетичну діаграму гетеропереходів було побудовано відповідно до моделі Андерсона, без урахування поверхневих електричних станів і діелектричного шару, на основі значень енергетичних параметрів напівпровідників визначених експериментально, а також взятих з літературних джерел. Досліджено електричні властивості гетеропереходів: визначено висоту потенціального бар'єра, значення послідовного і шунтувальних опорів при кімнатній температурі (відповідно, R_s = 8 Ом, R_sh = 5,8 кOм). Встановлено домінівні механізми струмопереносу: в області напруги від 0 до 0,3 В — це тунельно-рекомбінаційний механізм, при зміщеннях від 0,3 до 0,45 В — це надбар'єрна емісія і тунелювання при зворотному зміщенні.