Фрагмент для ознакомления
2
Введение
Соединения кестеритов и перовскитов привлекает в последние годы значительное внимание ученых как один из наиболее перспективных материалов для поглощающего слоя солнечных батарей. Стоит отметить, что кестериты и перовскиты содержит доступные недорогие экологически безопасные, широко распространенные малотоксичные химические элементы. Однако его синтез с требуемыми структурой и свойствами является нетривиальной задачей.
Существует различные подходы к решению проблемы получения пленок кестеритов и перовскитов: мгновенное испарение бинарных порошкообразных соединений, сульфидизация из металлических прекурсоров [2], золь-гель метод [3], электроосаждение [4], термическое осаждение [5], спрей-пиролиз [6], магнетронное распыление [7], импульсное лазерное осаждение [8, 9].
Среди методов выращивания тонких пленок кестеритов и перовскитов заслуживают особого внимания жидкофазные методы (электрохимическое осаждение и спрей-пиролиз), которые имеют невысокую стоимость технологического оборудования, относительно высокую производительность, отсутствие необходимости использования высоковакуумных систем и токсичных газов. Известные разновидности этих методов, используемые для получения пленок кестеритов и перовскитов, предполагают либо последовательное нанесение пленок индивидуальных сульфидов меди (I), цинка и олова на подложку, либо одностадийное электроосаждение, при котором одновременно осаждаются все компоненты из одного рабочего раствора. Преимущества последнего метода очевидны, поскольку возможность работать с одним раствором упрощает и ускоряет процесс. Однако при электроосаждении возникают трудности с получением CZTS необходимой стехиометрии, обусловленные узостью области потенциалов, кроме того в ряде же случаев формируются многофазные пленки с большим содержанием примесей. Тонкие же пленки кестеритов и перовскитов, полученные спрей–пиролизом, как отмечают авторы [6], на завершающей стадии изготовления подвергаются неконтролируемому воздействию температуры, что приводит к значительному расхождению физических параметров (ширины запрещенной зоны, удельного сопротивления).
1. Обзор современного состояния вопроса
Согласно многочисленным исследованиям, проведенным на протяжении нескольких десятков лет стало очевидно, что фотовольтаика способна внести весомый вклад в глобальное энергообеспечение только при условии разработки одновременно эффективных и дешевых солнечных элементов, для создания которых имеется достаточно сырья. Причина того, что на солнечные батареи до сих пор приходится менее 0,1 % от общего производства электроэнергии, заключается в дороговизне современных солнечных элементов.
Наиболее изученная и хорошо отработанная технология эффективных монокристаллических кремниевых СЭ является высокозатратной в своей основе. Тонкопленочные же солнечные элементы на базе теллурида кадмия (CdTe) и диселенида меди, индия и галлия (CuInxGa1–xSe2) содержат опасные для окружающей среды составляющие Cd и Se и редкие элементы: In, Ga, Te [12]. Для выхода на тераваттное (TW-scale) производство солнечные батареи должны состоять из широко распространенных в земной коре нетоксичных химических элементов. Кестериты Cu2ZnSnSe4, Cu2ZnSn(SxSe1–x)4 и Cu2ZnSnS4 являются прямозонными полупроводниками с оптимальной для преобразования солнечной энергии шириной запрещенной зоны и в то же время образованы доступными химическими элементами и потому широко признаны перспективными для массового производства тонкопленочных солнечных элементов.
Среди кестеритов наиболее приемлем для широкомасштабного использования в фотовольтаике Cu2ZnSnS4. Поэтому исследованию методов изготовления, структуры и физических свойств именно этих материалов посвящено большое количество работ. Вместе с тем, очевидно, что задача создания такого сложного четверного полупроводника с требуемыми структурой и свойствами является нетривиальной. Поэтому разными исследовательскими группами разрабатывается широкий спектр методов синтеза кестеритных и перовскитных слоев для солнечных элементов на подложках из молибдена или на поверхности пленок прозрачных электропроводных оксидов.
Фрагмент для ознакомления
3
Список литературы
1. Батлер Дж.Н. Ионные равновесия. М.: Химия. 1973. 448с.
2. Головня В.А., Прокофьева И.В. К вопросу образования тиомочевинных комплексов металлов. Ин-т общей и неорган. химии. Сектор платины. 1952. №27. С. 62–79.
3. Жиленко М.П., Эрлих Г.В., Лисичкин Г.В. Получение и модифицирование поверхности наноразмерного сульфида меди. Российские нанотехнологии. 2009. №83. С.5–6.
4. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия. 1989. 448с.
5. Марков В. Ф., Маскаева Л. Н. Особенности формирования пленок сульфидов металлов из водных растворов. Бутлеровские сообщения. 2011. Т.24. №2. С.42–50.
6. Марков В.Ф., Маскаева Л.Н. Особенности зародышеобразования и механизм роста пленок сульфидов металлов при осаждении тиокарбамидом. Изв. АН. Серия химическая. 2014. №7. С.1523–1532.
7. Марков В.Ф., Маскаева Л.Н., Иванов П.Н. Гидрохимическое осаждение пленок сульфидов металлов: моделирование и эксперимент. Екатеринбург: УрО РАН. 2006. 218с.
8. Маскаева Л.Н., Шемякина А.И., Марков В.Ф., Сарыева Р.Х. Прогнозирование условий химического осаждения и микроструктура нанокристаллических пленок сульфида цинка. ЖПХ. 2015. Т.88. №9. С.115–125.
9. Орлецкий И.Г., Марьянчук П.Д., Солован М.Н., Брус В.В., Майструк Э.В., Козярский Д.П., Абашин С.Л. Оптические свойства и механизмы протекания тока в пленках Cu2ZnSnS4, полученных спрей–пиролизом. Физика твердого тела. 2016. Т.58. №5. С.1024–1029.
10. Семенов В.Н. Процессы формирования тонких слоев полупроводниковых сульфидов их тиомочевинных координационных соединений. Дис….док. хим. наук. Воронеж. 2002. 355с.
11. Тетерина Г.Д., Неволин В.Н., Сипайло И.П., Медведева С.С., Тетерин П.Е. Оптические и структурные свойства тонких пленок Cu2ZnSnS4, полученных методом импульсного лазерного осаждения в атмосфере H2S с последующим отжигом в N2. Физика и техника полупроводников. 2016. Т.50. №4. С.557–562.
12. Шевцова О.Н., Бек Р.Ю., Зелинский А.Г., Вайс А.А. Закономерности анодного поведения золота в кислых тиокарбамидных растворах по данным циклической вольтамперометрии и кварцевой микрогравиметрии. Электрохимия. 2006. Т.42. №3. С.279–285.
13. Шелег А.У., Гуртовой В.Г., Мудрый А.В., Валах М.Я., Юхимчук В.А., Бабичук И.С., Леон M., Кабаллеро Р. Определение структурных и оптических характеристик тонких пленок полупроводниковых соединений Cu2ZnSnS4. ФТП. 2014. Т.48. №10. С.1332–1338.
14. Burgelman M., Vos A.D. Evaporation of CuCl and CuCl2 for the fabrication of CuXS/CdS thin film solar cells. Thin Solid Films. 1983. Vol.102. P.367–374.
15. Dhanasekar M., Bakiyaraj G., Rammurthi K. Structural, morphological, optical and electrical properties of copper sulphide nanocrystalline thin films prepared by chemical bath deposition method. Int. J. of Chem. Tech. Res. 2015. Vol.7. №3. P.1057–1064.
16. H. Yoo, J. Kim. Growth of Cu2ZnSnS4 thin films using sulfurization of stacked metallic films. Thin Solid Films. 2010. Vol.518. P.6567–6572.
17. He Y.B., Polity A., Osterreicher I., Pfisterer D., Gregor R., Meyer B.K., Hardt M. Hall effect and surface characterization of Cu2S and CuS films deposited by RF sputtering. Physica B: Condensed Matter. 2001. Vol.308–310. P.1069–1073.
18. Ichimura M., Takeuchi K., Nakamura A., Arai E. Photochemical deposition of Se and CdSe films from aqueous solutions. Thin Solid Films. 2001. Vol.384. P.157–159.
19. Isac L., Duta A., Kriza A., Manolache S., Nanu, M. Copper sulfides obtained by spray pyrolysis - possible absorbers in solid state solar cells. Thin Solid Films. 2007. Vol.515. P.5755–5758.
20. Kassim A., Min H.S., Siang L.K., Nagalingam S. SEM, EDAX and UV-visible studies on the properties of Cu2S thin films. Chalcogenide Letters. 2011. Vol.8. №7. P.405–410
21. Krylova V., Dukstienė N. Prosyceva I. Deposition and characterization of copper sulphide layers on the home-made polycarbonate plates. Chemija. 2014. Vol.25. №3. P.137–144.
22. Liu F., Li Y., Zhang K., Wang B., Yan Ch., Lai Y., Zhang Zh., Li J., Liu Y. In situ growth of Cu2ZnSnS4 thin films by reactive magnetron co-sputtering. Sol. Energy Mater and Sol. Cells. 2010. Vol.94. P.2431–2434.
23. Manjulavalli T.E., Kannan A.G. Effects of deposition time on structural, optical and electrical properties of chemically deposited Cu2S thin films. J. Chem.Tech. Res. 2015. Vol.8. №11. P.607–616.
24. Martell A.E., Hancock R.D. Metal complexes in aqueous solutions. New York: Plenum Press. 1996. 264p.
25. Paravee V.-U., Chih-Hung C. Growth Kinetics of Copper Sulfide Thin Films by Chemical Bath Deposition. J. of Solid State Sci. and Tech. 2013. Vol.2. №4. P.120–129.
26. Pathan H.M., Desai J.D., Lokhande C.D. Modified chemical deposition and physio-chemical properties of copper sulphide (Cu2S) thin films. Appl. Surf. Sci. 2002. Vol.202. P.47–56.
27. Ramya M., Ganesan S. Influence of thickness and temperature on the properties of Cu2S thin films. Iranian J. of Scie. and Tech. 2013. Vol.37. №3. P. 293–300.
28. S. Kahraman, S. ¸Cetinkaya, M. Podlogar, S. Bernik, H.A. ¸Cetinkara, H.S. Guder. Effects of the sulfurization temperature on sol gel-processed Cu2ZnSnS4 thin films. Ceram. Int. 2013. Vol.39. №8. P.9285–9292.
29. Sahraei R., Noshadi S., Goudarzi A. Growth of nanocrystalline CuS thin films at room temperature by a facile chemical deposition method. RSC Advances. 2015. Vol.5. №94. P.77354–77361.
30. Santheep K.M., Rajesh N.P., Ichimura M., Ichimura U. Preparation and characterization of copper sulphide particles by photochemical method. Materials Letters. 2008. Vol.62. P.591–593.
31. Sateesh P., Madhusudhanarao P. Structural, optical and electrical properties of Cu2S thin films deposited by CBD method. Inte. J. of Adv. Res. in Phys. Sci. 2015. Vol.2. №11. P.11–16.
32. Shide M.S., Ahirrao P.B., Patil I.J. Disawal S.K., Patil R.S. Studies on physical properties of nanocrystalline Cu2S thin films prepared modified chemical bath deposition method (M-CBD). J. Nanoelectronics and materials. 2013. №6. P.29–35.
33. Shinde M.S., Patil R.S. Gas sensitivity of Cu2S thin films by CBD route. Int. J. of Chem. and Phys. Scie. 2014. Vol.3. Speс.Iss. P.34–43.
34. Sun L., He J., Chen Y., Yue F., Yang P., Chu J. Comparative study on Cu2ZnSnS4 thin films deposited by sputtering and pulsed laser deposition from a single quaternary sulfide target. J. Cryst. Growth. 2012. Vol.361. P.147–151.
35. Wang K., Gunawan O., Todorov T., Shin B., Chey S.J., Bojarczuk N.A., Mitzi D., Guha S. Thermally evaporated Cu2ZnSnS4 solar cells. Appl. Phys. Lett. 2010. Vol.97. P.143508.
36. Wang Y., Ma J., Liu P., Chen Y., Li R., Gu J., Lu J., Yang S., Gao X. Cu2ZnSnS4 films deposited by a co-electrodeposition-annealing route. Mater. Lett. 2012. Vol.77. P.13–16.
37. Wang, S.Y., Wand W., Lu Z. H. Asynchronous – pulse ultrasonic spray pyrolysis deposition of CuxS (x = 1, 2) thin films. Mater. Sci. Eng. B. 2003. Vol.103. P.184–188.
38. Yang X., Moats M.S., Miller J.D. The interaction of thiourea and formamidine disulfide in the dissolution of gold in sulfuric acid solutions. Miner. Eng. 2010. V.23. P.698–704.
