CC BY
17Oriental Renaissance: Innovative, R VOLUME 1 | ISSUE 11
educational, natural and social sciences О ISSN 2181-1784
Scientific Journal Impact Factor SJIF 2021: 5.423
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО ТОНКОГО СЛОЯ
CdTe
В ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЕ n-CdS/p-CdTe
О.М. Маматов1, А.С. Байгазиев2, Н.Х. Юлдашев 1
1 Ферганский политехнический институт, Фергана, Узбекистан.
uzferfizika@mail. ru 2Ошский государственный университет, Кыргызстан
АННОТАЦИЯ
В работе исследованы спектры низкотемпературной фотолюминесценции тонкого и мелкозернистого поликристаллического слоя CdTe в пленочной гетероструктуре n-CdS/p-CdTe. Показано, что при фронтальном возбуждении A^-лазером спектр состоит из доминирующей полосы собственного ( e - h) излучения и её lo+nLA- фононного повторения, а при тыловой подсветке фоторезистивного слоя CdS вместо их возгораются асимметричная дублетная линия излучения экситонов и широкая линия мелких донорно-акцепторных пар.
Ключевые слова. Фотолюминесценция,мелкозернистый поликристалл, тонкая пленк, теллурид кадмия, пленочная гетероструктура n-CdS/p-CdTe,собственное излучение, фононное повторение, экситонное излучение, донорно-акцепторная пара.
ABSTRACT
We have studied the low-temperature photoluminescence spectra of a thin and fine-grainedpolycrystalline CdTe layer in an n-CdS /p-CdTe film heterostructure. It is shown that, upon frontal excitation by an Ar + laser, the spectrum consists of the dominant intrinsic () band and its phonon repetition, while under back illumination of the CdS photoresist layer, an asymmetric doublet emission line of excitons and a broad line of shallow donor-acceptor pairs ignite instead of them.
Keywords. Photoluminescence, fine-grained polycrystal, thin film, cadmium telluride, n-CdS /p-CdTe film heterostructure, intrinsic emission, phonon repetition, exciton emission, donor-acceptor pair.
ВВЕДЕНИЕ
Оптическая спектроскопия низкотемпературной фото-люминесценции с успехом используется для исследования характеристик тонкопленочного n-CdS/p-CdTe гетероперехода в солнечных батареях с целью повышения их
Scientific Journal Impact Factor
О
эффективности и усовершенствования технологии изготовления, где поликристаллическая пленка p-CdTe представляет основным поглощающим слоем [1,2]. В работе [1] изучены спектры люминесценции слоя CdTe гетероструктуры CdS/CdTe как фотоэлемент с КПД ~ 12 % в зависимости от мощности лазерного возбуждения и температуры. При тыловом освещении He-Ne лазером (Л=0.6328 мкм) солнечной батареи CdTe / CdS в спектрах люминесценции (10 К) обнаружили три характерные области [2]: (а) излучательные переходы связанных экситонов от 1.58 до 1.60 эВ, (b) широкая полоса донорно-акцепторных пар (ДАП) вблизи энергии 1.53 эВ, (с) широкая полоса излучения группы дефектов с фононными повторениями в пределах от 1.4 до 1.46 эВ. В последнее время [3,4-11], часто утверждают о целесообразности изготовления солнечных элементов из тонкопленочных гетероструктур n-CdS/p-CdTe с характерными размерами h, dcr ~ А, когда тонкая мелкозернистая пленка CdTe приобретает свойствами фотонных кристаллов, оптические спектры которой недостаточно изучены.
700
1,4762 1,5122
1,5897
1,6315 1,6757
1,7222
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. д пт 80
Данная работа посвящена
интерпретации экспериментальных
спектров низкотемпературной (4,2 K) фотолюминесценции тонкого и мелкозернистого ( h, ^ < 1 мкм ) поликристаллического слоя CdTe в пленочной гетероструктуре n-CdS/p-CdTe. Показано, что при фронтальном возбуждении (со стороны свободной поверхности CdTe) Ar+-лазером мощности рис.1. Спекгры
потока -44 В^м2 спектр состоит из фотолюминесценции слоя CdTe в доминирующей полосы собственного (e - h) гетероструктуре n-CdS/p-CdTe без излучения (А-линия) с полушириной подсветки CdS (a) и на чистой
коротковолновым стеклянной подложке (b). T=4.2 K. красной границы А - e-h-полоса, В, В', С - фононные а также её повторения, DAP - линия излучения. lo+nLA - фононного повторения (Двс * 40 мэВ) со слабой дублетной структурой и широкой полосы ( дв *100 мэВ) поверхностно-интерфейсной люминесценции с максимумом на частоте ha* 1.49 эВ. Тыловая подсветка фоторезистивного слоя
Ал = 10-12 мэВ
смещением ае, относительно
и
~ 25 мэВ
Eg ,
Oriental Renaissance: Innovative, R VOLUME 1 | ISSUE 11
educational, natural and social sciences О ISSN 2181-1784
Scientific Journal Impact Factor SJIF 2021: 5.423
CdS из области собственного поглощения c интенсивностью Ьпс- 5.102 лк почти полностью разрушает e - h - и связанные с ней всех линий люминесценции. Вместо их возгораются асимметричная дублетная линия излучения
поляритонов с ЭКситонноЙ резонансной частотой Ьа« 1.59 эВ ( « 25 мэВ ) и
широкая линия мелких донорно-акцепторных пар ( Дшр « 40 мэВ ) на частоте Ьа« 1.53 эВ, максимальная интенсивность которых почти на два порядка ниже интенсивности А-линии без подсветки.
На рис. 1 представлены спектры фотолюминесценции при фронтальном возбуждении слоя CdTe в гетероструктуре n-CdS/p-CdTe без подсветки CdS (a) и слоя CdTe на чистой стеклянной подложке (b), выращенные в идентичных технологических условиях. Здесь сразу же следует заметить, что в отличие от монокристаллов и крупноблочных поликристаллов, в спектрах мелкозернистых пленок отсутствуют излучения экситонов и ДАП. Как видно из сопоставления спектральных кривых рисунков 1а и 1б, наличие тонкого поликристаллического слоя CdS, играющего как бы роль подложки с гетерограницей, существенно отражается лишь в далекой краевой области спектра. Спектры люминесценции в области 750-760 нм качественно совпадают и состоят из доминирующей e-h-полосой излучения (А-линия) с полуширинами АЕа — 77.2+0.1 мэВ и АЕа -14.2+0.1 мэВ, соответственно. Резкие длинноволновые границы А-линий означают, что кристаллические зерна пленок CdTe как на стеклянной, так и на фоторезистивной подложках выращивались с достаточно совершенной объемной кристаллической структурой. А-линии лежат выше дна зоны проводимости (вертикальная штрих пунктирная линия) монокристалла при т = 4.2 к ( Eg = 1.6О6 эВ ) на энергии
ДЕг«24.4±0.1 мэВ и ДЕг«21.4±0.1 мэВ так, что сумма величин ДЕг+^ЕА=ф0«35.6±0.2 мэВ остается почти одинаковым для обеих А-линий.
Спектральную зависимость интенсивности ^-линий, можно представить как [3,4].
Scientific Journal Impact Factor
О
L(œ) = A0(hœ - Efg)1/2 exp(-(hœ - E,g)/kTeh),
(1)
где А0-постоянная, зависящая от типа пленки и условии ее фотовозбуждения, Е'ё =Её + ^Е—энергия красной границы
Л nm 820
1,4762 1,5122
1,6757 1,7222
А-линии излучения, к -постоянная Больцмана, ТеА -средняя характерная
температура фотоносителей. Очевидно, что второй и третий множители в правой части (1) обусловлены плотностями состояний в простых квадратичных зонах и квазиравновесными функциями распределений неравновесных
носителей тока.
Под действием подсветки CdS с
т слл Рис.2. Сравнение спектра
интенсивностью Ьпс=500 лк спектр г г
^-¡гг! фотолюминесценции АФВ-слоя CdTe в
люминесценции слоя Cdle существенно ^
ч тт гетероструктуре n-CdS/p-CdTe с перестраивается (рис.2, а). Линии ^ г
излучения А, В, В' и С практически исчезают. Отчетливо проявляется область 770-790 нм излучения свободных экситонов и область 790,0-820,0 нм излучения ДАП. Это подтверждается без сомнений спектром отражения (рис.22, Ь), где видны экситонный резонанс (Хех=782.5 нм, й^=1.585 эВ) и область ДАП 800812.5 нм.
На рис.3 сравниваются контура экспери-ментальных спектров поляритон-ной люминесценции из работы [9] для сверхчистого кристалла CdTe при Т=77 К (сплошная линия) и НТФЛ мелкозернистой поликрсталлической пленке CdTe в гетеростуктуре n-CdS/p-CdTe, снятый при Т=4.2 К с подсветкой интенсивностью Lпс=500 лк в области собственного поглощения CdS (линия из треугольников). Видно качественно хорошее совпадение этих контуров, несмотря на то, что они принадлежать разным структурам и температурам, а их спектральный интервал довольно широко простирается от 1.570 эВ до 1.595 эВ, т.е. составляет почти 25 мэВ. Такое сильное уширение спектра поляритонной люминесценции говорит о том, что поляритоны испытывают колоссально сильное взаимодействие с фононами в чистом кристалле CdTe при Т=77 К и с внутренними встроенными потенциа-лами в тонкой мелкозернистой пленке p-CdTe в гетероструктуре n-CdS/p-CdTe при Т=4.2 К. Экспериментальная линия ПЛ грубо может быть удовлетворительно описана
теоретическим расчетом, проведенным в работе [4].
186
Scientific Journal Impact Factor
k, nm
Подсветка слоя CdS уменьшает его шунтирующее сопротивление, а значит, и максвелловское время релаксации разделенных фотоносителей в объеме, благодаря чему они втягиваются полем гетероперехода, прежде чем,
рекомбинировать излучательно. Это и приводит к тушению линии излучения А, В, С, обнаруживаемых без подсветки, и ^ возгоранию линии свободных экситонов и мелких ДАП под действием подсветки.
810 800 790 780 770 760 750
ДАП
• •
1,49 1,51 1,53 1,55 1,57 1,59 1,61 1,63 ку, еУ
Фрагменты спектров фотолюминесценции поликристаллического АФВ-слоя CdTe на ЗАКЛЮЧЕНИЕ фоторезисторе CdS с подсветкой в
В заключение отметим, что области собственного поглощения созданная фотовольтаическая пленочная CdS интенсивностью Lлс=500 лк структура n-CdS/p-CdTe открывает новые (кривая 1, Т=4.2 К) и чистого возможности не только практического кристалла CdTe (кривая 2, при приложения её в качестве фотоприемника, температуре Т=77 К [12]). но и для разработки новых методов изучения фотоэлектрических явлений в полупроводниковых пленочных структурах.
REFERENCES
1. M. Tuteja, P. Koirala, J. Soares, R. Collins, A. Rockett. Low temperature photoluminescence spectroscopy studies on sputter deposited CdS/CdTe junction and solar cells Journal of Materials Research, (2016) Vol.31, Issue 02, pp. 186-194.
2. Ikhmayies Sh. J., Ahmad-Bitar R. N. // Journal of Luminescence. 2012, Vol.132, Is.2, pp. 502-506.
3. Bozorboy Joboralievich Akhmadaliev, Olmos Muhammaddovidovich Mamatov, Bakhtiyor Zaylobidinovich Polvonov, Nosirjon Khaydarovich Yuldashev (2016) Correlation between the Low-Temperature Photoluminescence Spectra and Photovoltaic Properties of Thin Polycrystalline CdTe Films. Journal of Applied Mathematics and Physics,04,391-397. doi: 10.4236/jamp.2016.42046
4. Akhmadaliev, B.Z., Yuldashev, N.K. & Yulchiev, I.I. Surface-Radiative Modes and Longitudinal Excitons in the Spectra of Exciton-Polariton Luminescence. Opt. Spectrosc. 125, 343-352 (2018). https://doi.org/10.1134/S0030400X18090023.
А
E
А
Scientific Journal Impact Factor
о
5. Mamatov, O M. (2020) "Preparation by thermovacuum evaporation of film heterostructure n-CdS / p-CdTe with anomalous photoelectric properties," Scientific-technical journal: Vol. 3 : Iss. 5 , Article 1.
6. B.J. Akhmadaliev, B.Z. Polvonov, O.M. Mamatov, N.Kh. Yuldashev. Low-Temperature Photoluminescence of Fine-Grained CdTe Layer in n-CdS/p-CdTe Film Heterostructure. // International Journal of Modern Physics and Application. , -USA, 2017,-Vol. 4, No. 5, pp. 28-33. Article ID 1650077.
7. MaMatov, O M. and Yuldashev, N Kh (2019) "Study of photovoltaic and photoresistive properties of a thin CdTe layer in a film heterostructure n-CdS / p-CdTe," Scientific-technical journal: Vol. 2 : Iss. 4 , Article 1.
8. Axmadjonov, M F.; Mamatov, O M.; Nurmatov, O R.; Rahmonov, T I.; and Yuldashev, N Kh (2019) "The spectral characteristics of CdTe:Ag photoelectrical films in the areas own and impurite absorption," Scientific-technical journal: Vol. 2 : Iss. 2 , Article 4.
9. Nurmatov, O., Rahmonov, T., Sulaymonov, K., & Yuldashev, N. (2020). Phototenzoelectric properties of polycrystalline films of chalcogenides of cadmium and zinc, produced by portional evaporation in vacuum. Euroasian Journal of Semiconductors Science and Engineering, 2(5), 10.
10. Rakhmonov, T I. and Yuldashev, N Kh (2021) "Photo-tensoelectric properties of thin polycrystalline CdTe, CdSe, CdS films obtained by portional thermal evaporation in a vacuum," Scientific-technical journal: Vol. 4 : Iss. 4 , Article 4.
11. Маматов, О., Нурматов, О. Р., Рахмонов, Т. И., & Юлдашев, Н. Х. (2019). Фото-и тензоэлектрические свойства тонких пленок халькогенидов кадмия, полученных методом порциальных испарений в вакууме.
12. Паносян Ж.Р. Излучательная рекомбинация в кристаллах теллурида кадмия // Тр. ФИ РАН.-1973. -68.-С.147-202.
