Структурні, оптичні та електрофізичні властивості плівок SnxSy та гетероперехідних структур на їх основі

Abstract

Дисертаційна робота присвячена дослідженню полікристалічних плівок SnxSy як матеріалу для створення приладових структур, а саме тонкоплівкових гетероперехідних сонячних елементів (СЕ); вивченню впливу фізико-технологічних умов нанесення плівок SnS та SnS2, одержаних у квазізамкненому об’ємі, та впливу термічного і лазерного оброблення шарів SnS2 на їх структурні, субструктурні, оптичні, електрофізичні властивості та елементний склад для використання в приладових структурах; визначенню оптимальних режимів одержання однофазних плівок SnS і SnS2 та створенню СЕ з конструкціями "Substrate" та "Superstrate" на їх основі; моделюванню фізичних процесів у СЕ на основі плівок сульфіду олова та з’ясуванню параметрів, що обмежують ефективність виготовлених фотоперетворювачів (ФЕП). Установлені взаємозв’язки між фізико-технологічними умовами одержання плівок SnS та SnS2, післяростовими відпалюваннями (термічним і лазерним) та структурними, субструктурними, оптичними, електрофізичними властивостями, елементним складом можуть бути використані для підвищення ККД існуючих СЕ і створення нових підходів до виготовлення ефективних та економічних плівкових ФЕП.

Диссертационная работа посвящена исследованию поликристаллических пленок SnxSy как материала для создания приборных структур, а именно тонкопленочных гетеропереходных солнечных элементов (СЭ); изучению влияния физико-технологических условий нанесения пленок SnS и SnS2, полученных в квазизамкнутом объеме и влиянию термической и лазерной обработки слоев SnS2 на их структурные, субструктурные, оптические, электрофизические свойства и элементный состав для использования в приборных структурах; определению оптимальных режимов получения однофазных пленок SnS, SnS2 и созданию СЭ с конструкциями "Substrate" и "Superstrate" на их основе; моделированию физических процессов в СЭ на основе пленок сульфида олова и выявлению параметров, ограничивающих эффективность полученных фотопреобразователей (ФЭП). Установленные взаимосвязи между физико-технологическими условиями получения пленок SnS и SnS2, послеростовым отжигом (термическим и лазерным) и структурными, субструктурными, оптическими, электрофизическими свойствами, элементным составом могут быть использованы для повышения КПД существующих СЕ и создания новых подходов для изготовления эффективных и экономичных пленочных ФЭП.

The dissertation is devoted to the following aspects: (i) investigation of the influence of growth conditions of SnS and SnS2 films obtained by the close spaced sublimation (CSS) method and exploring the effect of thermal and laser post-growth treatment of SnS2 layers on structural, substructural, optical, electrical properties and chemical composition for thin film solar cell application; (ii) determination of the optimal conditions for production a single-phase SnS and SnS2 films and formation of solar cells based on "Substrate" and "Superstrate" device architecture; (iii) numerical simulation of the physical processes in solar cells based on tin monosulfide films and evaluation of the parameters that limit efficiency of the produced devices. In the first stage, we have studied in detail the influence of grown conditions on structural and electrical properties, phase composition and surface morphology of polycrystalline SnS2 and SnS thin films. It was found that obtained samples are single-phase and have good crystal quality. This result open new possibility for application of close spaced sublimation method for deposition of high quality and low cost SnS2 and SnS thin films. Also, the parameters of localised states (LS) in the band-gap of SnS2 thin films were determined from analysis of current-voltage characteristic and temperature-dependent conductivity measurements. For this purpose, for the first time, the method of injection spectroscopy for the analysis of trap centers in SnS2 thin films was used. Lastly, based on optimal growth conditions of SnS films, the heterojunction solar cells were fabricated and tested. The next stage of this work is post-growth treatment of initial SnS2 samples. In case of thermal annealing, we demonstrate a simple approach to fabricate pure-phase SnS thin films. In particular, the thermally-induced SnS2-SnS phase transition was observed. The modification of the chemical composition and hence phase transition was confirmed by the EDS, XRD and Raman spectroscopy methods. It was clearly shown that amount of SnS2 and Sn2S3 phases decreased with the increasing of annealing time and temperature. The measurements of optical reflectance and transmission spectra reveal substantial decreasing in band gap energy of material which indicates the transition from wide band gap SnS2 to narrower band gap SnS. Finally, the heterojunction solar cell based on a SnS thin film, obtained from the initial SnS2 layer, was fabricated and tested. These results can be used for improvement of SnxSy-based optoelectronic devices using thermal annealing. In case of laser annealing, we report the modification of surface, chemical and phase composition of SnxSy thin film. In particular, for the first time, the laser-induced transition from SnS2 to SnS phase was observed. It was established that the phase transition is due to evaporation of sulfur from the surface under intensive laser irradiation. The electrical measurements of the irradiated samples show diode behavior of the current-voltage dependencies. This was considered as the evidence of formation of the two-layer n-SnS2/p-SnS heterojunction structure by the laser irradiation of initial single-phase SnS2 thin film. Thus, these results open up a new possibility for producing n-SnS2/p-SnS heterojunction structures and improvement of SnxSy-based optoelectronic devices using laser radiation. Finally, in order to predict the main limiting factors affecting performance of SnS based photovoltaic devices, we performed device simulations in SCAPS 1-D software. Our modelling showed that reducing defects in SnS layer and at buffer/absorber interface are the primary issues for overcoming the record efficiency of 4.4 %.