CC BY
51
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ___________________________________2007, том 50, №4______________________________
ФИЗИКА
УДК 539.21:537.31
Х.С.Каримов, член-корреспондент АН Республики Таджикистан Х.М.Ахмедов,
* *
М.Тарик Сайид , У.Шафик ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФОТОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ДАТЧИКА НА ОСНОВЕ ОРАНЖЕВОГО АЗОКРАСИТЕЛЯ И КРЕМНИЕВОГО ЭЛЕКТРОДА Р-ТИПА С ТЕКСТУРИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
Стремление упростить технологию изготовления фотоэлектрохимических элементов и повысить их чувствительность привело исследователей к созданию фотоэлектрохимических датчиков, в которых в качестве электродов органические полупроводники использовались наряду с неорганическими полупроводниками [1]. При этом органический полупроводник также играл роль активной светопоглощающей среды.
В [2] было показано, что органический полупроводник оранжевый азокраситель (ОАК) может быть использован в диодах, а в [3] были описаны свойства электрохимических датчиков влажности, изготовленных на его основе. В [4] были исследованы вольт-амперные характеристики гетероструктуры, состоящей из кремния и-типа и ОАК. Пленки ОАК осаждались из раствора на кремниевую подложку методом центрифугирования из водного раствора органического полупроводника. Были исследованы вольт-амперные характеристики и обнаружен эффект выпрямления (коэффициент выпрямления был равен 37 при комнатной температуре). В [5] исследовались электрические свойства фотоэлектрохимического датчика на основе кремния и-типа и оранжевого азокрасителя - n-Si/OAK/ПС, где ПС- проводящее стекло. Показано, что данный элемент является чувствительным в красном и инфракрасном спектрах и работает как фотоэлектрический дифференциатор. При этом исследованный фото-электрохимический датчик n-Si/OAK/ПС генерирует 0.4 В как электрохимический и, примерно, 0.1 В как фотоэлектрохимический элемент при интенсивности света, равной 2 мВт/см . Выходное напряжение было равно сумме данных напряжений. В настоящей работе представлены результаты исследования электрических свойств фотоэлектрохимических датчиков на основе оранжевого азокрасителя, графита (Г) и кремния р-типа с текстурированной поверхностью (p-Si/OAK/Г).
Для приготовления электролита в фотоэлектрохимическом датчике p-Si/OAK/Г использовался оранжевый азокраситель C17H17N5O2 с молекулярной массой 323 г/моль и плотностью 0.9 г/см соответственно. Молекулярная формула ОАК приведена в [4]. Электролит представлял собой раствор 0.2 вес.% ОАК в дисциллированной воде. Пластинки монокри-
22 3
сталлического кремния р-типа с концентрацией примеси (бора) в 1-10 м- и графита с размерами 10х7х0.5 мм и 10 мм (в длину) и 3 мм (в диаметре ) соответственно, использовались
в качестве электродов датчиков. Плоскость полупроводниковых пластинок кремния совпадала с кристаллографической плоскостью. Для текстурирования поверхности [6] пластинка кремния травилась в водном растворе КОН с концентрацией 23.4 вес.%, изопропилового спирта с концентрацией 13.3%. Травление проводилось при температуре 30оС в течение 15 мин. при перемешивании раствора. После травления пластинки полупроводника промывались в дисциллированной воде.
Цилиндрический корпус фотоэлектрохимических датчиков был изготовлен из стекла. На рис.1 приведена проекция датчика на горизонтальной плоскости. Расстояние между электродами было равно 3 мм. В качестве источника света использовался полупроводниковый светодиод красного света, учитывая, что чувствительность датчиков была максимальна к красному спектру излучения.
Свет
Рис. 1. Проекция датчика на горизонтальную плоскость.
На поверхности обработанных травителем пластинок кремния при исследовании оптическим микроскопом была обнаружена микротекстура в пределах нескольких микрон, в отличие от таких же пластинок, не обработанных травителем. В темновых условиях датчик вырабатывал напряжение холостого хода и ток короткого замыкания в пределах 127 и 12 мВ, и 4.8 и 0.4 мкА в случае травленного и нетравленного кремниевых электродов соответственно. Это говорит о наличии электрохимического эффекта в датчиках. При этом полярность напряжения на кремниевом электроде была отрицательной по отношению к электроду из графита.
На рис.2 показаны зависимости напряжения холостого хода и тока короткого замыкания датчиков от освещенности. Частота модуляции света напряжением П-образной формы была равна 100 Гц.
Рис. 2. Зависимости напряжения холостого хода и тока короткого замыкания датчиков от освещенности при частоте модуляции света 100 Гц : Ут и 1т , V и I - соответственно напряжение и ток датчиков с травленным и нетравленным кремниевыми электродами.
Как видно из рис.2, отношение соответствующих напряжений и токов датчиков с травленными и нетравленными пластинками кремниевых электродов было равно 11 и 2 при освещенности, равной 51 лк. Полярности напряжений фотоэлектрохимического и электрохимического эффектов были противоположны. Повышение фотоэлектрического эффекта в датчиках с травленными кремниевыми электродами может быть связано, во-первых, с удалением поверхностного дефектного слоя кристаллов, что в свою очередь могло снизить уровень рекомбинации генерированных светом зарядов [7]. Во- вторых, это может быть следствием повышения эффективной площади поверхности, что опять таки приводит к повышению скорости электрохимических реакций и, из-за текстуры поверхности, к повышению поглощения света [1].
На рис.3 показаны зависимости фототока короткого замыкания датчиков от частоты модуляции света при освещенности равной 51 лк. Как видно, ток возрастает с частотой, что может быть связано с наличием внутренней ёмкости в датчике, например на границе электрод-электролит, а затем, достигнув максимума при 1000 и 100 Гц для датчиков с травленным и нетравленным кремниевым электродами, снижается. Последнее возможно из-за шунтирования тока межэлектродной (кремний - графит) емкостью датчика.
Рис.3. Зависимости фототоков короткого замыкания датчиков от частоты модуляции света
при освещенности 51 лк.
Таким образом, исследование фотоэлектрохимических датчиков p-Si/OAK/Г показало существенное повышение их чувствительности при использовании травленных кремниевых электродов в отличие от нетравленных, что может быть связано с образованием микротекстуры на поверхности полупроводника при травлении. Данные датчики могут быть использованы для демонстрационных целей при обучении, на их основе может быть разработана оптическая система связи для передачи низкочастотных звуковых сигналов, а также устройства регистрации и обработки сигналов в измерительной технике.
Физико-технический институт им.С.У. Умарова Поступило 12.06.2007 г.
АН Республики Таджикистан,
*
Институт прикладных наук и технологии,
Топи (Пакистан).
ЛИТЕРАТУРА
1. Gratzel M.- Nature, 2001, Vol.414, № 11 , pp. 338-344.
2. Karimov Kh.S., Ahmed M.M., Gul R.M., Mujahid M., Akhmedov Kh.M., Valiev J. - Proc. of International Symposium on Advanced Materials, Sep., 21-25, 2001, Islamabad, Pakistan, pp. 329-334 .
3. Каримов Х.С., Ахмедов Х.М., Марупов Р. И др. - ДАН РТ, 2004, т. XLVII, № 9-10, с 5-10.
4. Каримов Х.С., Бабаджанов П., Кабутов К., Марупов Р. И др. - ДАН РТ, 2003, т. XLVI, № 9 , с.92-97.
5. Каримов Х.С., Ахмедов Х.М., Марупов Р.- ДАН РТ, 2005, т. XLVIII, № 5-6, с.80-86 .
6. Sze S.M. Semiconductor Devices. Physics and Technology. John Willey & Sons, New-York, 1985.
7. Solar Electricity / Edited by Tomas Markvart, John Wiley & Sons Ltd, England, 2000.
Х.С.Каримов, Х.М.Ахмедов, М.Тарик Сайид, У.Шафик ХОСИЯТ^ОИ ЭЛЕКТРИКИИ ДАТЧИКИ ФОТОЭЛЕКТРОХИМИЯВЙ ДАР АСОСИ РАНГКУНАНДАИ НОРАН^Й ВА ЭЛЕКТРОДИ СИЛИЦИИ Р-НАМУДИ САТ^АШ КОРКАРДАШУДА
Хосиятхои электрикии датчики фотоэлектрохимиявй дар асоси рангкунандаи норанчй (РН) ва электроди силиции р-намуд (р-Si), ки сатхаш коркардашудааст омухта шудааст. Нишон дода шудааст, ки датчики фотоэлектрохимиявии p-Si/РН/Г (Г-графит) дар холати истифода бурдани электроди силиции р-намуди сатхдш коркардшуда нисбат ба электроди силиции р-намуди сатхаш коркарднашуда хассосии баланд дорад.
Датчикхои номбурдаро ба максадхои намоишй ва инчунин дар системахои опти-кии алок;а истифода кардан мумкин аст.
Kh.S.Karimov, Kh.M.Akhmedov, M.Tariq Saeed, U.Shafique ELECTRIC PROPERTIES OF PHOTO-ELECTROCHEMICAL SENSOR ON THE BASE OF ORANGE DYE AND P-TYPE SILICON ELECTRODE WITH
TEXTURED SURFACE
In this paper an investigation was made of electric properties of photo-electrochemical sensors on the base of orange dye (OD) . It was shown that p-Si/OD/G (where G is graphite ) sensors with etched silicon electrode show higher sensitivity with respect of non-etched ones .The sensors may be used for demonstrative purposes in optical communication system and instrumentation .
