CC BY
1Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2024 год
ДЕГРАДАЦИЯ СЭ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИЗЛУЧЕНИЯ ВИДИМОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА И
ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ
Мовлонов Пахловон Ибрагимович
Кафедра естественных наук ТАТУ ФФ [email protected]
Аннотация. Исследование образцов Cu2-xS-Zny Cd1-yS с различным составом основных материалов (0,05<у< 0,2), полученных на основе прессованных спеченных таблеток Zny Cd1-yS по методике, описанной в пункте 2.2 настоящей статьи.
Ключевые слова: фотопреобразователи, вольт-амперные характеристики, процессы фото усталости, распределение фото чувствительности, спектральные характеристики, фотоприемник.
Введение
Нам известны необратимые изменения свойств СЭ, таких как Cu2-xS-CdS и Cщ-xS-ZnyCdl-yS (0,05<у<0,15), хранящихся в темноте. Однако стабильность этих устройств в процессе эксплуатации мало интересует. Поэтому здесь мы сосредоточим внимание на влиянии возбуждения на фотоэлектрические свойства рассматриваемых устройств. Кроме того, рассмотрено влияние потока электронов до пороговых энергий на СЭ типа Cu2-xS-CdS.
Деградация Cu2-xS-CdS и Cu2-xS-ZnyCdl-yS СЭ происходила при освещении приборов светом газоразрядной ксеноновой лампу ДКСИ -120 с водяным фильтром, имитирующей спектр солнечного излучения. Мощность освещения в плоскости СЭ составляла 100 мВт/см2. Исследованные СЭ были помещены в термостат и нагревались до температуры 600С. Часть приборов деградировала в режиме холостого хода (хх), а часть -в режиме короткого замыкания (кз).
Анализ литературы и методов
Известно, что гетеропереходы типа Си8 Сй$2-х - используются для преобразования солнечной энергии в широком спектре длин волн [1]. Гетеропереход Си$ Сй$2-х - также можно использовать в качестве сенсора оптического изображения [2]. Несмотря на большой интерес к данной структуре, существуют определенные причины, ограничивающие их широкое
применение. Это, главным образом связано, с нестабильностью (деградацией) параметров гетеростуктур. Деградация параметров данных структур может быть обусловлена как явлениями происходящие в слое Си$2-х [3], так и, в базовом материале
[4], а также диффузией ионов меди из слоя Си ¿2-х в Сй$> [5]. В работе [5] было показано, что в слое Сй$> со временем может происходить обратимый процесс - увеличение удельного сопротивления, связанного главным образом с распадом пересыщенного твёрдого раствора собственных донорных дефектов (междоузельные атомы С& ). Кроме того, диффузия ионов меди в сульфид кадмия также приводит к росту его удельного сопротивления.
Обсуждение и результаты
Известно, что для повышения понтирующего сопротивления Сu2-xS-CdS CЭ процесс их создания, как правило, завершается ТО. В данной работе использовались два режима ТО, указанных в таблице 1.1. В первом случае не удавалось добиться хороших диодных характеристик СЭ (рис.1.1 в ). Хотя напряжение холостого хода Uxx было удовлетворительным (~450 м3), по значение тока короткого замыканию. Ьз -- низким (1,4 мл), а КЗ 0,25. Понтирующее сопротивление CЭ составляло 103-104 ом, а последовательное сопротивление было велико -~200 Ом. Такие СЭ, однако, характеризовались
86
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2024 год
значительной фото чувствительностью в области 0,8-1,0 мкм с красной границей 1,2эВ . Последний факт свидетельствует об устойчивой фазе сульфида меди.
Таблица 1.1.
Парти я Марка Температурна я oбработка, C Время обработк и
парти я I, 2 сорт ЕТО.021.00 9 ТУ 125 60
парти я II, 1 сорт БКО.028.01 4 ТУ 170 30
При втором режиме ТО значения Ихх, 1кз и КЗ нагрузочной ВАХ СЭ были намного выше (510 мВ, 14 мА и ~0,5 соответственно рис.1.2 а), при яш= (2-5)*105 Ом и Rn = 25 Ом. Однако эти СЭ были не фоточувствительны в области 0,8-1,0 мкм с красной границей спектральной зависимости фототока Х= 1,59- 1,6 эВ (рис.1.2 б), что свидетельствует о частичном разложении сульфида меди в процессе ТО.
Результаты эксперимента
Деградация приборов из партия I. Наблюдаемые экспериментальные различия в изменении при деградации параметров СЭ из партии I позволили разделить их на две группы. У СЭ, имеющих близкие значения пунтирующего сопротивления (Яш=103 Ом), при деградации монотонно уменьшались 1кз и Ихх (рис.1.1 в и рис.1.3, кривая I) и возрастало Rn (рис.1.1 а). При этом в спектральной характеристикой Ихх наблюдался рост фото чувствительности в полосе X =0,6 мкм, а красная граница спектральной характеристики оставалась без изменения (рис.1.1 б). У СЭ партии I, имеющих более высокое значение понтирующего сопротивления (Яш= 104 Ом), в первые 60 ч деградации происходило незначительное снижение 1кз при практически постоянной величине Ихх (рис.1.3, кривая 2) одновременно с увеличением Rn СЭ и Яб таблеток . Далее вплоть до 400 ч наработки параметры СЭ и таблеток CdS практически не изменились. В то же время форма спектральной характеристики Ихх на протяжении всех 400 ч деградации оставалась постоянной. Характер изменения всех СЭ партии I не зависел от режима деградации (кз или хх).
Деградация приборов из партии II. Как видно из рисунков 1.2 и 1.3 кривые 3,4, в приборах из партии II в первые 200 ч деградации увеличивается 1кз при неизменной величине ихх и постоянной форме спектральной характеристики фототока. В последующие 200 ч деградации величина Ихх по-прежнему не изменяется, а 1кз остается постоянным либо несколько уменьшается в случае деградации элементов в режиме ка и хх соответственно (см. рис.1.2 и рис.1.3, кривая 3,4). В промежутке времени 200-400 ч у диодов, деградирующих в режиме холостого хода, красная граница спектральной чувствительности 1кз смещается в коротковолновую область.
87
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2024 год
Обсуждение результатов
Анализ проведенных экспериментальных результатов показывает, что в процессе ТОЛ не происходит изменение фазового состава судьфида меди. Положение красной границы спектральной чувствительности (~1,2 эВ) указывает на устойчивую фазу сульфида меди- халькоцит. В этом случае, однако, не всегда удается избавиться от медных "за короток", обусловливающих низкие значения Rш СЭ и, следовательно, плохие диодные характеристики. На первом этапе деградации (~60 ч) таких диодов происходит процесс распада пересыщенного твердого раствора донорных дефектов в базовом материал CdS, обнаруженный при исследовании старения СЭ типа Сu2-xS-CdS и Cdl-yS (см.3.13, 3.2). Об этом свидетельствует постоянство формы спектральной характеристики СЭ, возрастание его последовательного сопротивления, а также увеличение сопротивления таблеток базового материала R6, подвергнутых ТО-1 и деградировавших совместно с СЭ (см. рис.1.1.в).
Дальнейшая деградация (60-400 ч) СЭ с низким значением Rш обусловлена, по-видимому, диффузией атомов меди из медных "за короток" вдоль границ зерен и вглубь зерна. Диффузия атомов меди вдоль границ зерен подтверждается
резким снижением Rш и, вследствие этого, уменьшением I^ и Uxx . На диффузию атомов меди зглубь зерна указывает появление фото чувствительности в полосе X = 0,60 мкм, обусловленной, как известно /5/, примесным поглощением света в CdS на центрах CuCd, а также возрастание величины Rn. Последний эффект связан с компенсирующим действием меди в кристаллической решетке n-типа CdS. Поскольку дефекты CuCd в кристаллах CdS являются центрами фоточувствительности, одновременно с увеличением указанной полосы примесного поглощения в СЭ возрастает и полоса с X = 0,50 мкм, обусловленная собственным поглощением света в CdS. Поскольку процесс диффузии атомов меди вглубь зерна не происходил при выдержке аналогичных СЭ при Т=60°С, но при отсутствии освещении, то отсюда можно заключить, что процесс диффузии атомов меди в кристаллы CdS является фото стимулированным.
СЭ, подвергнутые ТО-II, характеризуются красной границей в спектральной зависимости I^ ( 1,6 эВ), что указывает на частичное разложение сульфида моди в процессе ТО. Высокие выходные параметры СЭ в этом случае обусловлены, очевидно, исчезновением медных "за короток" при высокотемпературной ТО. Деградации таких СЭ (независимо от режима) в первые 200 ч работы сопровождается возрастанием I^ и КЗ без изменения величины Uxx и формы их спектральной характеристики. В этот же период наблюдается снижение базового сопротивления таблеток R6, подвергнутых освещению совместно с СЭ (см. рис.1.2 в). Причиной перечисленных изменения является, по-видимому, частичное растворение докорных выделений в базовом материале CdS при освещении, обнаруженное ранее при исследовании процесса старения и фото утомляемости Сщ-xS-CdS СЭ. В СЭ из партии II распад пересыщенного твердого раствора донорных дефектов в CdS завершен еще на стадии ТО. Поэтому освещение, как и в случае состаренных СЭ, вызывает теперь только увеличение концентрации доноров в объеме вследствие частичного растворения выделений.
88
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2024 год
Возрастание ^ при увеличении концентрации доноров в базовом материале СЭ может быть обусловлено как увеличением
фоточувствительности CdS вследствие изменения степени компенсации центров
фоточувствительности при освещении, так и увеличением коэффициента разделения носителей р-п переходом, благодаря уменьшению пирины области пространственного заряда и, следовательно, росту в нем напряженности поля. Увеличение фоточувствительности в CdS вызывало бы преимущественное возрастание полос с X = 0,5 и 0,6 мкм в спектральной характеристике фототока. В то же время рост коэффициента разделения носителей в р-п-переходе приводил бы к пропорциональному увеличению фоточувствительности во всех полосах спектральной зависимости. Последний эффект и наблюдался экспериментально.
В процессе дальнейшей выдержки Сщ^-CdS СЭ из партии II при освещении (200-400 ч) у СЭ, работающих в режиме короткого замыкания, изменения Ьз и КЗ не происходит, а их достигнутые значения соответствуют данному уровню освещенности.
Если же СЭ деградировали в режиме холостого хода, то наблюдаемое смещение красной границы в коротковолновую область спектра в промежутке времени 200-400 ч свидетельствует о хорошо изученной деградации, обусловленной разложением сульфида меди.
Деградация СЭ Сш^^Пу СЖ-уЭ (0,05<у<
0,2)
Исследовались образци Cdl-yS
различного состава базовых материалов (0,05<у< 0,2), полученных на основе спрессозанных спеченных таблеток Z% Cdl-yS по методике, описанной в п.2.2. Все образцы герметизировались прозрачным лаком БМК и подвергались ТО при 125^ в течение 60 мин после их создания.
Экспериментальные результаты
Деградация СЭ Cdo,o5S. На
рис.1.3 приведены относительные изменения Uxx , Ьз и Rn СЭ Cdo,o5S в течение 400 ч
эксплуатации их в режиме ка (кривая I) и хх (кривая 2). Видно, что в начальный период эксплуатации параметры образцов,
деградировавших в режиме кз, изменяются незначительно, а в дальнейшем наблюдается некоторый рост Uxx , последовательного сопротивления и падение , который к концу эксперимента ( t=400 ч) составлял 8-10 %, тогда как у элементов, деградировавших в режиме хх, в начальный момент времени наблюдается относительно быстрый спад Uxx , который к 100 часам работы выходит на насидение. Деградация ^ составляет -10%. У этих элементов наблюдается относительно медленный спад !кз до 175 ч работи, в дальнейшем скорость деградации увеличивается.
Для выяснения указанных изменений проводились измерения спектральной
характеристики и нагрузочной ВАХ. На рис.1.3 a,б показана спектральная зависимость Ьз СЭ Сщ^-Zny Cdl-yS , градировавших в режиме ка их соответственно. Видно, что до де градации образцы имеют одинаковую спектральную зависимость. Для элементов, деградировавших в режиме ка, в течение всего эксперимен- та форма спектральной
89
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2024 год
характеристики не изменяется, тогда как для элементов, деградировавших в режиме хх, наблюдается уменьше ние чувствительности как в коротковолновой, так и длинноволновой области спектра, причем длинноволновая чувствительность падает сильнее, чем коротковолновая. Одновременно наблюдается смещение
Длинноволнового края чувствительности в сторону коротких длин воли. В начальный момент (t = 170 ч) деградации пунтирующее сопротивление образцов, деградировавших в режиме ка, почти не меняется, а в дальнейшем падает. А у образцов, деградировавших в режиме хх, з течение всего эксперимента пунтирующее сопротивление практически не меняется.
Список литературы:
1. Barnett A.M., Bragagnolo J.A., Hall R.B., Phillips J.E., Meakin J.D., Achievement of 9,15 % efficiency in the film CdS/Cu2S solar cells. -The 13th IEEE Photovoltaic Spec. Conf., Washington. DC., 1978, New York., N.Y., 1978, pp.419-420.
2. Борщак В.А. Компьютерная обработка изображений, полученных при помощи сенсора на базе гетероперехода CdS - Cu2S. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2012, №№3. С.18- 20.
3. Windawi H.M., Performance and stability of Cu2S - CdS solar cells. The Conf. Rec. 9 th IEEE Photovoltaic Spec. Conf., Scottsdale Ariz, 1975. New York., N.Y., 1975, pp.464467.
4. Разыков Т.М., Разыкова М.А. Электронномикрозондовый анализ и деградация фотопреобразователей Cu2-xS-CdS.Гелиотехника, 1980, №3,с.18- 21.
5. Торчинская Т.В., Мирзажанов М.А. Анализ элементарных механизмов деградации гетеропреобразователей типа Cu2S - CdS. Experimentelle Technik der Physik. 1984, v.32, №2, рр. 175 - 181.
6. Study of polycrystalline CdTe films by contact and contactless pulsed photo-ionization
spectroscopy / E. Gaubas, D. Dobrovolskas, J. Vaitkus, N. Alimov [et al.] // Journal Thin Solid Films. - 2018. - № 660. - P. 231- 235.
7. CdTe-SiO2-Si-Al heterostructure
photosensitivity control with deep impurity levels under external factors. S.Otajonov, N.Alimov, P.Movlonov, K.Botirov. Euroasion Journal of Semiconductors Science and Engineering 2020, №5 C. 22-25
90
