Исследование электрических свойств фоточувствительных структур пониженной размерности на основе кремния с покрытиями из фторидов редкоземельных элементов

Natalia А. Poluektova; Полуэктова Наталья Алексеевна; Daria А. Shishkina; Шишкина Дарья Александровна; Alexander N. Bazanov; Базанов Александр Николаевич; Roman A. Perebalin; Перебалин Роман Андреевич; Ivan A. Shishkin; Шишкин Иван Александрович; Natalya V. Latukhina; Латухина Наталья Виленовна; Galina A. Rogozhina; Рогожина Галина Андреевна

doi:10.18469/1810-3189.2022.25.4.67-73

Investigation of electrical properties of photosensitive structures of reduced dimension based on silicon coated with rare earth fluorides

Authors: Poluektova N.А.¹, Shishkina D.А.¹, Bazanov A.N.¹, Perebalin R.A.¹, Shishkin I.A.¹, Latukhina N.V.¹, Rogozhina G.A.¹
Affiliations:
1. Samara National Research University
Issue: Vol 25, No 4 (2022)
Pages: 67-73
Section: Articles
URL: https://journals.ssau.ru/pwp/article/view/10924
DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2022.25.4.67-73
ID: 10924

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

In this paper, we consider the effect of porous silicon and dysprosium fluoride films on the current-voltage characteristics of low-dimensional photosensitive structures based on silicon. The processes of creating and studying the resulting photosensitive structures are described. The current-voltage characteristics of the structures before and after coating are given. The study found a positive effect of porous silicon and dysprosium fluoride coating on the current-voltage characteristics of structures both with and without porous silicon. Values of the optimal thickness of the dysprosium fluoride coating for porous photosensitive structures are obtained. It is shown that dysprosium fluoride coatings do not always have a positive effect on such parameters of photosensitive structures as short-circuit current and open-circuit voltage, since this is due to the non-uniformity of film deposition on the surface of the structure.

Keywords

photosensitive structures, porous silicon, dysprosium fluoride

Full Text

Введение

В настоящее время исследования в сфере технологий создания фоточувствительных структур на основе кремния с целью улучшения их характеристик и повышения коэффициента полезного действия (КПД) являются актуальными в силу широкого использования фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) в качестве солнечных батарей в различных сферах человеческой деятельности.

Особый интерес представляют ФЭП, рабочий слой которых состоит из нанокристаллического кремния [1]. Исследование полученных структур показывает лучшие фотоэлектрические характеристики по сравнению с ФЭП без наноструктур за счет увеличения поглощающей поверхности и расширения спектральной чувствительности, обусловленного квантово-размерным эффектом в нанокристаллах.

Однако КПД таких солнечных элементов можно еще повысить путем нанесения антиотражающих покрытий на основе соединений редкоземельных элементов, позволяющих снизить потери не только за счет снижения отражения, но и за счет уменьшения токов рекомбинации [2]. Для кремниевых солнечных элементов по своим оптическим характеристикам (показатель преломления, коэффициент прозрачности) наиболее подходящими являются фториды редкоземельных элементов, которые к тому же обладают пассивирующими свойствами [3]. В данной работе показаны результаты исследования электрических свойств фоточувствительных структур со слоем наноструктурированного кремния и покрытием фторида диспрозия различной толщины.

Методики эксперимента

1.1. Методика изготовления образцов

В данной работе использовались пластины монокристаллического кремния с готовым p-n-переходом, имеющие поверхностную структуру, состоящую из правильных четырехгранных пирамидок, расположенных плотно друг к другу. Это позволяет увеличить количество света, поглощаемого поверхностью за счет уменьшения рассеяния света и увеличения площади взаимодействия.

Методом анодного электрохимического травления на n-типе был сформирован пористый слой на всех образцах [4]. Травление проводилось в спиртовом растворе плавиковой кислоты. Плотность тока составляла 10мА/см2. Толщина пористого слоя – около 10 мкм.

Алюминиевые контакты наносились в два этапа на установке ВУП-4: на p-сторону был нанесен сплошной контакт, на n-сторону – контакт в виде гребенки.

Процесс напыления покрытия осуществлялся путем термического испарения в вакууме порошкообразного фторида диспрозия, масса которого предварительно измерялась. Покрытие напылялось на часть подложки поверх контактов, так что на одной пластине были расположены структура с покрытием и без него, что удобно для сравнения их характеристик.

1.2. Методика определения толщины покрытия

Для определения толщины покрытия фторида диспрозия применялся цветовой метод [5]. Данный метод используется для экспресс-контроля толщины пленок SiO2 и Si3N4 до 1,5 и 0,33 мкм соответственно. Он основан на окрашивании пленок разных толщин в различные цвета за счет интерференции в них одной из составляющих белого цвета, длина волны которой кратна толщине пленки. Точность определения толщины пленки данным методом 100–200 А. Вычисление толщины пленки фторида диспрозия осуществлялось по формуле

$S_{{DyF}_{3}} = S_{{SiO}_{2}} \frac{n_{{DyF}_{3}}}{n_{{SiO}_{2}}},$

где SDyF₃– толщина пленки фторида диспрозия, S_SiO2 – толщина пленки оксида кремния.

Результаты измерения толщин пленок фторида диспрозия приведены в таблице.

Таблица. Масса и толщина пленки DyF₃

Table. DyF₃ film weight and thickness

№ образца	Масса DyF3, г	Толщина пленки DyF3, мкм
1	0,1	0,37
2	0,09	0,29
3	0,08	0,27
4	0,07	0,17
5	0,06	0,11
6	0,05	0,096
7	0,04	0,089
8	0,03	0,06
9	0,02	0,025
10	–	–
11	0,01	0,019
12	–	–
13	–	–
14	0,05	0,1

Методика исследования

В качестве имитатора солнечного излучения была использована ртутная лампа. Мощность падающего излучения составила 1000 Вт/м². Были исследованы световые вольтамперные характеристики полученных пластинок.

Для обработки результатов измерений использовалось программное обеспечение Matlab, при помощи него были построены графики вольтамперных характеристик, полученные данные были аппроксимированы методом наименьших квадратов.

Анализ результатов

3.1. Влияние покрытия

На рис. 1 представлены ВАХ четырех структур: на подложке кремния, не подвергшегося травлению (Si), Si с нанесенным слоем просветляющего покрытия из фторида диспрозия (Si + DyF₃), пористого кремния, полученного путем травления той же подложки (por-Si), и этого por-Si с нанесенной пленкой фторида диспрозия (por-Si + DyF₃).

Рис. 1. ВАХ образца № 15 без пористого слоя (исх. – 1, с покрытием – 2) и образца № 8 с пористым слоем (пористый – 3, пористый с покрытием – 4)

Fig. 1. CVC of sample No. 15 without a porous layer (original – 1, coated – 2) and sample No. 8 with a porous layer (porous – 3, porous coated – 4)

Сравнение графиков показывает, что покрытия оказывают существенное влияние на ток короткого замыкания как образцов без пористого слоя (ток увеличивается примерно в 3 раза), так и образцов с пористым слоем (увеличение вдвое). Это связано с более активной генерацией носителей зарядов в фоточувствительных структурах, вызванной в результате уменьшения рекомбинационных центров. Из рисунка также видно положительное влияние создания пористого слоя, что увеличивает и ток короткого замыкания почти вдвое, и напряжение холостого хода примерно в 6 раз.

3.2. Влияние толщины покрытия на ВАХ структур с пористым слоем

На рис. 2–10 изображены ВАХ образцов, имеющих и пористый слой, и слой фторида диспрозия.

Рис. 2. ВАХ образца № 1 до и после нанесения пленки фторида диспрозия толщиной 0,37 мкм

Fig. 2. CVC of sample No. 1 before and after deposition of a film of dysprosium fluoride with a thickness of 0,37 μm

Рис. 3. ВАХ образца № 2 до и после нанесения пленки фторида диспрозия толщиной 0,29 мкм

Fig. 3. CVC of sample No. 2 before and after deposition of a film of dysprosium fluoride with a thickness of 0,29 μm

Рис. 4. ВАХ образца № 4 до и после нанесения пленки фторида диспрозия толщиной 0,17 мкм

Fig. 4. CVC of sample No. 4 before and after deposition of a film of dysprosium fluoride with a thickness of 0,17 μm

Рис. 5. ВАХ образца № 5 до и после нанесения пленки фторида диспрозия толщиной 0,11 мкм

Fig. 5. CVC of sample No. 5 before and after deposition of a film of dysprosium fluoride with a thickness of 0,11 μm

Рис. 6. ВАХ образца № 6 до и после нанесения пленки фторида диспрозия толщиной 0,096 мкм

Fig. 6. CVC of sample No. 6 before and after deposition of a film of dysprosium fluoride with a thickness of 0,096 μm

Рис. 7. ВАХ образца № 7 до и после нанесения пленки фторида диспрозия толщиной 0,089 мкм

Fig. 7. CVC of sample No. 7 before and after deposition of a film of dysprosium fluoride with a thickness of 0,089 μm

Рис. 8. ВАХ образца № 8 до и после нанесения пленки фторида диспрозия толщиной 0,06 мкм

Fig. 8. CVC of sample No. 8 before and after deposition of a film of dysprosium fluoride with a thickness of 0,06 μm

Рис. 9. ВАХ образца № 9 до и после нанесения пленки фторида диспрозия толщиной 0,025 мкм

Fig. 9. CVC of sample No. 9 before and after deposition of a film of dysprosium fluoride with a thickness of 0,025 μm

Рис. 10. ВАХ образца № 11 до и после нанесения пленки фторида диспрозия толщиной 0,019 мкм

Fig. 10. CVC of sample No. 11 before and after deposition of a film of dysprosium fluoride with a thickness of 0,019 μm

Сравнительный анализ графиков на рис. 2–10 показывает, что влияние покрытия на ВАХ структур зависит от толщины. Структуры с толщинами покрытий от 0,096 мкм (№ 6) до 0,37 мкм (№ 1) демонстрируют положительное влияние покрытия: увеличение тока короткого замыкания составляет от 30 % (№ 6) до более чем 200 % (№ 4). Структуры с более тонкими покрытиями, от 0,025 мкм (№ 9) до 0, 089 мкм (№ 7), демонстрируют примерно 30 %-ное уменьшение тока короткого замыкания. Это может быть связано с тем, что более тонкие слои не образуют сплошного покрытия и не полностью блокируют центры рекомбинации, а также тем, что при напылении DyF₃ проникает в крупные поры и препятствует токопереносу или блокирует контакты. Последний фактор может объяснить и практически полное исчезновение фототока в образце № 2. Исключение составляет образец № 11 с покрытием толщиной 0,019 мкм, демонстрирующий примерно 30 %-ное увеличение тока. Его пример показывает, что и тонкая пленка может образовать сплошное покрытие при отсутствии крупных пор.

Таким образом, можно сделать вывод, что нанесение просветляющего покрытия положительно влияет на генерируемый образцом фототок, что подтверждает теоретические сведения. Однако следует учесть, что не любые толщины пленок будут положительно влиять на характеристики образцов.

Заключение

Пористый кремний демонстрирует более высокие электрические характеристики в сравнении с монокристаллическим, что доказывает перспективность его применения в фоточувствительных структурах.

Из полученных данных можно сделать вывод, что наибольшим увеличением КПД после напыления пленки DyF3 обладает образец № 4 с толщиной покрытия 0,17 мкм.