Модельные монокристаллы для солнечных батарей

Дата публикации: 01 ноября 2019

Российские физики совместно с зарубежными специалистами  исследуют электронные свойства тройных полупроводниковых кристаллов с халькопиритной структурой магнито-оптическими методами.

В качестве материала для поглотителя в тонкопленочных солнечных элементах рассматриваются  полупроводники со структурой халькопирита типа  CuInSe2, CuGaSe2 и  CuInТe2.

Чтобы  повысить эффективность преобразования солнечного излучения в электричество у солнечных батарей, изготовленных на основе таких полупроводников, требуется понять  их физические свойства.

Ученые-физики из Института физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН (ИФМ УрО РАН) (г.Екатеринбург)  изучают электронные свойства CuInSe2, CuGaSe2 и  CuInТe2  и  их твердых растворов Cu(In, Ga)(Te, Se)2.

Российские ученые сумели вырастить сверхчистые кристаллы CuInSe2, CuGaSe2 и  CuInТe2 и сравнили рассчитанную электронную структуру этих соединений в эксперименте. Применяя магнито-оптические методы, они  наблюдали за  экситонами в  оптических спектрах  таких кристаллов.   

Собранная  в ИФМ УрО РАН экспериментальная установка  для измерения оптических спектров при низких температурах позволит решить много технологических проблем. 

На фото – Якушев Михаил Васильевич – доктор физ.-мат. наук, главный научный сотрудник лаборатории электрических явлений Института физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН (ИФМ УрО РАН) (г. Екатеринбург), сотрудник (Honorary Lecturer) Университета Стратклайда в Глазго (Великобритания).

Якушев Михаил Васильевич –  доктор физ.-мат. наук, главный научный  сотрудник лаборатории  электрических явлений Института физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН (ИФМ УрО РАН) (г. Екатеринбург), сотрудник (Honorary Lecturer) Университета Стратклайда в Глазго (Великобритания) и  Кузнецова Татьяна Владимировна– кандидат физ.-мат. наук, заведующая лабораторией  электрических явлений, ведущий научный сотрудник Института физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН (ИФМ УрО РАН) (г. Екатеринбург) поделились результатами научных исследований и  рассказали о ключевых аспектах  своей деятельности.

Прежде всего,  Якушев  и Кузнецова сообщили, что в 2017 году вместе с коллегами получили поддержку от Российского научного фонда на проект №17-12-01500 «Новые функциональные материалы для тонкопленочных преобразователей излучения в электричество на основе многокомпонентных халькогенидов», сроком на три года  с 2017 по 2019 гг. Основным исполнителем является Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН (ИФМ УрО РАН) (г. Екатеринбург). Здесь и была развернута новая оптическая лаборатория, которая в июне 2019 года вошла в состав реорганизованной лаборатории электрических явлений. В настоящее время лаборатория занимается исследованием не только халькопиритов и кестеритов, но и многими другими перспективными материалами для современной электроники, спинтроники, солнечной энергетики, в частности, дихалькогенидами переходных металлов, топологическими изоляторами, молекулярными магнетиками, редкоземельными интерметаллидами, пленками, гетероструктурами и т.д. Руководителем проекта по фотовольтаике является Михаил Якушев, а руководителем лаборатории Татьяна Кузнецова. Часть участников проекта РНФ работает в Институте химии твердого тела УрО РАН и  в Уральском федеральном университете.

Одним из приоритетных направлений уральских физиков являются  магнитооптические и оптические  исследования совершенных монокристаллов CuInSe2,  CuInTe2,  CuGaSe2, которые используются в качестве поглощающего слоя в солнечных батареях. Какими параметрами  и  функциональными  характеристиками  эти халькопириты интересны ученым?

«CuInSe2, CuGaTe2 и CuInTe2 обладают рядом замечательных свойств, необходимых для использования данного материала в качестве поглотителя тонкопленочных солнечных батареях: подходящая запрещенная зона 1 эВ в CuInSe2, 1.7 эВ в CuGaSe2 и 1 эВ в CuInTe2. Поэтому в твердых растворах CuInGaSe2 и CuInGaТe2 щель можно плавно менять от 1 до 1.7 эВ. Кроме того, эти материалы прямозонные и поэтому их коэффициент поглощения в видимой области световых волн 5х105 см-1, что значительно больше, чем во всех известных полупроводниках, – говорит Михаил Якушев о специфике изучаемых соединений  и  обращает внимание на уникальные характеристики  кристаллов,–   Данные халькопириты не являются магнитными материалами. Мы просто используем магнито-оптические методы исследования электронных свойств. Тонкопленочные солнечные батареи со структурой ZnO/CdS/CuInGaSe2/Mo/стекло, где CuInGaSe2 с халькопиритной структурой является поглощающим слоем, лидируют по эффективности преобразования (достигая в лабораторных образцах солнечных батарей площадью меньше 1 см2 22.9%) и надежности работы (см. Рисунок 1). Но, не смотря на такой успех, электронные свойства CuInGaSe2 изучены значительно хуже, чем таковые в кремнии или бинарных полупроводниках, используемых в электронных приборах. Большинство исследований CuInGaSe2 проводятся для высоколегированных поликристаллических  тонких пленок CuInGaSe2 или готовых солнечных батарей ZnO/CdS/CuInGaSe2/Mo/стекло. Такие многокомпонентные технологические материалы и приборы очень сложны, поскольку  в их составе не только Cu, In, Ga, Se, но и Cd и S из CdS, Mo из заднего контакта, Na из стекла. И кроме того O, N, H и их соединения  проникают из воздуха, поскольку производство таких солнечных батарей не требует сверхчистых условий».

По замечанию Михаила Якушева, «параметры самих приборов улучшались в значительной степени не в результате научного исследования материалов, а за счет интуитивно-эмпирических изысканий: когда сначала достигалось улучшение параметров прибора, а потом это объяснялось научно. Разработка всех остальных полупроводников происходила как раз наоборот, отталкиваясь от понимания чистых, модельных соединений. Получение сверхчистых халькопиритов в общем и CuInSe2 в частности,  очень сложная технологическая проблема. Но нам удалось вырастить кристаллы,  лидирующие в мире по совершенству структуры и чистоте. Поэтому в наших исследованиях мы пытаемся идти именно научным путем, исследовать модельные материалы. Имея такие материалы, мы можем эффективно использовать многие спектроскопические методы, которые для менее чистых веществ не подходят».  

Рисунок  1. Структура солнечной батареи на базе CuInGaSe2

Так, зонная структура CuInTe2 имеет свои особенности, которые проявляются при  изучении  спектров оптического отражения.

По словам российского физика, «структура решетки халькопиритов в общем и CuInTe2 в частности, очень близка к структуре алмаза и кремния (см. Рисунок 2).

Рисунок 2. Элементарная ячейка структуры

Но из-за различия свойств металлов (для CuInTe2 это Cu и In),  входящих в состав халькопиритов, появляется некоторая некубичноть, тетрагональное искажение, которое расщепляет их валентные зоны на 3 подзоны А, В и С».

Что показывают измерения оптического поглощения и  отражения этого халькопирита?

«Раньше считалось, что в CuInTe2 А и В подзоны не расщеплены. На самом деле расщепление есть, и нам удалось синтезировать монокристаллы CuInTe2 высокого качества и впервые измерить такое расщепление методом оптического отражения. Такое измерение стало возможным только благодаря получению сверхчистого модельного монокристалла CuInTe2. В нашей статье «The band structure of CuInTe2 studied by optical reflectivity»).Appl. Phys. Lett. 114, 062103 (2019) мы рассказываем об этом измерении. Так, например, на рисунке 3 показано сравнение спектров фотолюминесценции обычного и модельного монокристаллов на примере соединения CuInSe2. В сверхчистом кристалле хорошо видны экситонные линии в запрещенной щели», – поясняет Михаил Якушев.  

Рисунок 3. Сравнение спектров фотолюминесценции обычного и модельного монокристаллов CuInSe2

Специалисты  сравнивали электронную структуру валентных состояний в CuInSe2, CuGaSe2и CuIn0,5Ga0,5Se2 и наблюдали, как валентные зоны  халькопиритов  изменяются  в твердом  растворе  в CuInSe2 и в CuGaSe2(«A wide energy range ab initio modeling of the electronic structure of valence states in Cu(In,Ga)Se2: Comparison with photoelectron spectra» изданиеJournal of Alloys and Compounds 802 (2019)). «В твердых растворах CuInGaSe2запрещенную зону можно плавно менять соотношением индия к галлию и выбирать такую, которая лучше подходит для конкретных условий освещения. Однако с увеличением доли галлия свыше 30% солнечные батареи не улучшают свои параметры, а становятся хуже. Почему это происходит, до сих пор неясно», –комментирует Татьяна Кузнецова.

Помимо этого,  экспертами были  исследованы пленки Cu2ZnSnSe4, полученные путем селенизации металлических предшественников при  температурах 450, 500 и 550° С. Ученые рассмотрели, каково влияние температуры на физические свойства селенированных пленок.

Как поясняет  Татьяна Кузнецова, «Cu2ZnSnSe4 в настоящий момент является лидирующим материалом для поглощающего слоя тонкопленочных солнечных батарей, в которых используются только не ядовитые, дешевые и широко распространенные элементы периодической системы. Поэтому интерес исследователей к этому материалу в мире очень высок. Но Cu2ZnSnSe4 очень сложный материал и синтез пленок этого вещества и изготовление солнечных батарей на их основе  – тоже исключительно сложный процесс» (см. Рисунок 4).

Рисунок 4. Скол солнечной батареи на базе Cu2ZnSnSe4

«В нашей статье («Effects of selenisation temperature on photoluminescence and photoluminescence excitation spectra of ZnO/CdS/Cu2ZnSnSe4/Mo/glass» в Thin Solid Films 672 (2019) 146–151» мы попытались понять, как оптические и электронные свойства пленок Cu2ZnSnSe4 меняются с изменением одного из технологических параметров производства таких пленок, температуры селенизации. Такие зависимости очень ценятся исследователями, занятыми разработкой технологий выращивания пленок Cu2ZnSnSe4. Пленки Cu2ZnSnSe4 и солнечные батареи на их основе делались в лаборатории под руководством Иана Форбса в университете Нортумбрия, Ньюкасл, Великобритания», –уточнил Михаил Якушев.

Поделиться: