Structura și proprietățile electrofizice ale straturilor subțiri de CdS obținute prin DBC

1. Autor: Scorțescu D. anul III Specialitatea EN Conducător științific: Potlog Tamara Structura și proprietățile electrofizice ale straturilor subțiri de CdS obținute prin DBC

2. Introducere Depunerea straturilor de CdS poate fi obţinută utilizînd o varietate mare de tehnici, cum ar fi evaporarea în vid, pulverizarea, depunere prin piroliză şi depunerea în baie chimică (DBC). Dintre aceste metode de depunere, DBC este destul de simplă, foarte ieftină şi oferă avantajul de a produce pelicule reproductibile, aderente şi uniforme.De asemenea am ales prin metoda DBC din motivul că oferă rezultate excelente pentru aplicații fotovoltaice datorită structurii dense,conductivității relativ mari cît și proprietăților morfologice bune.

3. Straturile subțiri de CdS au fost depuse pe placi de sticlă prin depunere în baie chimică conținînd soluție deCdSO4 (1mM), NH4OH (0.2M), (NH4)2SO4 (0.03M)  în raport cu Cd  0.001% NH4Cl la temperature 85 °C. În timpul procesului de depunere se adaugă tioureea (20ml). Adăugarea dopantului NH4Cl în procesul de depunere a straturilor subţiri conduce la doparea straturilor. Procesul de depunere decurge 30 minute. După trei depuneri grosimea stratului de CdS constituie 350-400 nm. După aceasta straturile de CdS sunt supuse tratatii termice  în atmosferă de H2 în intervalul de temperatură 250 – 400oC.

4. Termometru Vas cu soluție Substraturi Baie Agitator Borne pentru reglarea temperaturii si vitezei de amestecare a solutiei Schema intalației de depunere în baie chimică a straturilor de CdS

5. Formulele pentru formarea straturilor de CdS • CdCl2 (soluţie) → CdCdx + (VCd2ClS) (1) • (1+n)(VCd2ClS)x → VCd2-+ 2ne- + 2(1+n)ClS++ nS2 (g)↑ (2) • VCd2- + ClS+ → (VCdClS)- (3) • CdCl2(g) + Cd(g) = 2CdCdx + 2ClS+ + 2e- (4) • VCd2-+ 2ClS+ + CdCdx → CdCl2(g)↑ (5)

6. Schema instalației de tratare a probelor de CdS în hidrogen la temperatură înaltă Cuptor Reactor Pd Filtru Suport cu probele de CdS Glicerină

7. După depunere Tratat la400ºC SEM imagine a straturilor de CdS: sus- imaginea planară; jos- secţiunea transversală.

8. Spectrul EDX caracteristic pentru straturile subţiri de CdS.

9. Tabloul de difracţie a razelor X pentru stratul de CdS tratat la diferite temperaturi

10. Pentru determinarea distantei interplanare s-a folosit relatia Wulf-Bragg: β=lăţimea maximului la jumătatea intensitatăţii lui pentru faza specifică în radiani K=constanta ce variază în dependenţă de geometria cristalitelor (0.89<K<1), λ=lungimea de undă a razelor X incidente, θ=unghiul central al maximului în radiani, L=dimensiunea cristalitelor. Din tabloul XRD a fost determinată dimensiunea cristalitelor conform ecuaţiei lui Sherrer:

12. După cum se vede din figura tabloul de difracţie este practic identic pentru toate temperaturile de tratare: un maxim intensiv la 26.6° şi un şir de cîteva maxime mult mai neaccentuate care se repetă pentru toate straturile la unghiuri identice. Deoarece maximurile de difracţie pentru toate condiţiile de tratare termică corespund aceloraşi unghiuri, putem constata că metoda de obţinere ne permite să obţinem straturi cu o reproductibilitatae destul de bună. Totodata se observa o deplasare a maximului 2Θ=26.6 cu cresterea temperaturii de tratare termica care se datorează trecerii stratului de CdS de la structura zincblende la wurtzite.

13. Proprietatile electrice Contactele ohmice pentru toate straturile au fost realizate din In prin evaporarea termica in vid înalt. Măsurătorile constantei Hall şi conductivităţii au fost efectuate  în intervalul de temperatură 80-400 K. Trecerea curentului electric prin probă s-a realizat cu ajutorul sursei de alimentare. Mărimea curentului depinde de rezistenţa probei şi a avut valoarea 10 μA.

14. Deoarece rezistenţa probelor la temperaturi joase este foarte mare şi se schimbă esenţial cu creşterea temperaturii în programul, care dirijează lucrul instalaţiei este prevăzută măsurarea curentului la fiecare temperatură. Măsurătorile Hall au fost făcute în cîmp magnetic cu inducţia magneticade până la ~1T.Variaţiaconductivităţiielectrice cu temperatura pentru straturile subţiri de CdS  depuse şi tratate la diferite temperaturiau fost măsurate în intervalul de temperatură 80-400 K.

15. Dependenţa conductivităţii electricede temperatură

16. S-a constatat  că conductivitatea  în toate probele  scade slab cu micşorarea temperaturii scade şi arată o tendinţăde saturaţie la temperaturi mici. Panta nu este constantă, de asemenea, scade cu scăderea temperaturii. Conductivitatea straturilor de CdS tratate termic în atmosferă de H2 la 250 °C şi 350 °C, se dovedeşte a fi mai mare în comparaţie cu cele tratate la 400 °C . Probabil, cu creşterea temperaturii dimensiunea cristalitelor creşte şi are loc in acelaşi timp îmbunătăţirea contactelor dintre ele pînă la 350 °C.

17. Deasemenea, se poate menţiona că la durate de tratare mici, chiar şi la temperaturi mai mari de tratare termică recristalizarea nu este  bine începută. O altă caracteristică importantă a rezultatelor este că în straturile CdS tratate la temperaturi de 400 °C şi 350 °C, creşterea conductivităţii cu temperatura este relativ mai clară. O creştere mai pronuntata a lui σ cu temperatura se observă în regiunea cu temperaturi ridicate. Presupunem, că legea exponenţială bine-cunoscută poate descrie dependenţa conductibilitaţii electrice de temperatură:

18. Pentru a obtine valori cit mai exacte a parametrilor electrici ED, ND, NA si este necesar de a rezolva conditia de neutralitate ce descrie dependenta concentratiei electronilor din zona de conducție de temperatură în tot intervalul de temperaturi. Dependenţa concentrației electronilor de temperatură în zona de conducţie pentru cazul cînd în semiconductor este prezent un singur tip de impuritate donoare cu concentrația ND, care este parţial compensată de impuritatea acceptoare cu concentraţia NA în întreg intervalul de temperaturi studiate poate fi descrisa de ecuaţia:

19. De asemenea a fost studiată dependenţa coeficientului Hall de temperatura. Aceste dependențe sunt prezentate în figura următoare, unde coef. Hall a fost obținut din relația: g - factorul de degenerare a nivelului donor respectiv.

20. Dependenta de inversul temperaturii a stratului de CdS .

21. Dependenţa coeficientului Hall de temperatură a straturilor de CdS

22. Parametrii electrici a straturilor de CdS

23. Formula de calcul a energiei Fermi:

24. Energia Fermi în dependență de temperatura a straturilor de CdS

25. Concluzii • SEM si XRD indică că depunerea straturilor de CdS este destul de reproductibilă si peliculele policristaline de CdS sunt formate din cristalite cu dimensiunea ~40 nm, care formează granule cu mărimea ~150 nm. • Difracţia razelor X descrie prezenţa unui maxim intens la 26.6º pentru toate peliculele de CdS.Deplasarea maximului 2Θ=26.6 cu cresterea temperaturii de tratare termica se datorează trecerii stratului de CdS de la structura zincblende la wurtzite. • Concentratia purtatorilor de sarcina electrica variaza cu temperatura de tratare termica de la 3.9·1019 cm-3 (250oC) pina la 9.7·1016 cm-3 (400oC) • Operarea într-un interval mare de temperaturi şi durate de tratare termică a permis dirijarea proprietăţilor fizice ale straturilor de CdS, astfel fiind găsit regimul optimal pentru depunerea acestor straturi în aplicaţii fotovoltaice. De aici rezultă că straturile de CdS în viitor vor fi utilizate în calitate de strat – fereastră pentru celulele solare CdS/CdTe.

26. Mulțumesc pentru atenție