Учебное пособие 800568

region num=1 material=Silicon a.min=0 a.max=360 z.min=0 z.max=0.03 r.min=0 r.max=0.19

region num=2 material=Silicon a.min=0 a.max=360 z.min=0.03 z.max=3.105 r.min=0.16 r.max=0.19

region num=3 material=Silicon a.min=0 a.max=360 z.min=0.03 z.max=0.11 r.min=0 r.max=0.16

region num=4 material=Silicon a.min=0 a.max=360 z.min=0.11 z.max=3.105 r.min=0.08 r.max=0.16

region num=5 material=Silicon a.min=0 a.max=360 z.min=0.11 z.max=3.11 r.min=0 r.max=0.08

region num=6 material=air a.min=0 a.max=360 z.min=3.105 z.max=3.11 r.min=0.08 r.max=0.29

Получена структура в виде цилиндра с основанием радиусом 0,16 мкм и длиной 3,11 мкм.

Стандартные электроды СЭ – анод и катод – устанавливаются на границы структуры.

electrode name=cathode a.min=0 a.max=360 r.min=0 r.max=0.19 z.min=0 z.max=0

electrode name=anode a.min=0 a.max=360 r.min=0 r.max=0.19 z.min=3.11 z.max=3.11

Каждая область получает требуемый тип проводимости и определенную концентрацию легирующей примеси.

doping region=1 uniform n.type conc=5e+17 doping region=2 uniform n.type conc=5e+17 doping region=3 uniform n.type conc=1e+14 doping region=4 uniform n.type conc=1e+14 doping region=5 uniform p.type conc=4e+16

Проект структуры сохраняется в файл (рис. 1).

save outf=project8_0.str

110

solve vstep=0.02 vfinal=0.55 name=anode log off

Далее рассчитывается ВАХ при освещении структуры СЭ.

solve init solve b1=1

log outf= project8_1.log solve previous

solve vstep=0.02 vfinal=0.55 name=anode

Строится трехмерная модель СЭ и выводятся его характери-

стики.

tonyplot -overlay project8_0.log project8_1.log -set project8_0.set

tonyplot3d project8_1.str -set project8_1.set

Результаты моделирования СЭ представлены на рис. 2. Без освещения получена ВАХ p-n-перехода. С освещением участок на графике с положительными значениями тока соответствует ВАХ солнечного элемента.

Основные характеристики СЭ экстрагируются в отдельный файл (рис. 3) и позволяют оценить его эффективность.

extract init inf=" project8_1.log"

extract name="Jsc" y.val from curve(v."anode", i."cathode") where x.val=0.0

extract name="Voc" x.val from curve(v."anode", i."cathode") where y.val=0.0

extract name="Pm" max(curve(v."anode", (v."anode" * i."cathode")))

extract name="Vm" x.val from curve(v."anode", (v."anode"*i."cathode") ) where y.val=$"Pm"

extract name="Im" $"Pm"/$"Vm"

extract name="FF" ($"Pm"/($"Jsc"*$"Voc"))

extract name="Eff" ($"Pm"/(3.14157*(0.19)*(0.19)*1e- 8*0.1))*100

quit

112

Коэффициент заполнения СЭ (отношение реальной мощности элемента к его гипотетической мощности) для данной структуры FF = 0.770892. Последний из основных параметров – эффектив-

ность СЭ: Eff = 6.4408.

Учитывая, что рассматриваемый элемент имеет площадь облучения S = 0,0264 мкм2, удельная мощность составляет 285 Вт/м2. Удельная мощность источника излучения AM1,5 составляет 1000 Вт/м2, поэтому КПД элемента может достигать 28,5 %, что превосходит стандартные кремниевые солнечные элементы.

Преимущество кругового сечения заключается в том, что электроны и дырки проходят по значительно меньшему пути по сравнению со стандартными плоскими СЭ.

Литература

1.Chen X.L. Boron-doped zinc oxide thin films for large-area solar cells grown by metal organic chemical vapor deposition / X.L. Chen, B.H. Xu, J.M. Xue et al. // Thin Solid Films. – 2007. – Vol. 515. – Iss. 7-8. – P. 3753 - 3759.

2.Ryu Y.R. Excitonic ultraviolet lasing in ZnO-based light emitting devices / Y.R. Ryu, J.A. Lubguban, T.S. Lee et al. // Appl. Phys. Lett. – 2007. – Vol. 90. – Iss. 13(131115).

3.Kayes B.M. Comparison of the device physics principles of planar and radial p-n junction nanorod solar cells / B.M. Kayes, H.A.

Atwater, N.S. Lewis // J. Appl. Phys. – 2005. – Vol. 97. – Iss. 11(114302).

4.Zhang Y. «Quantum Coaxial Cables» for Solar Energy Harvesting / Y. Zhang, L. W. Wang, A. Mascarenhas // Nano Letters. – 2007. – Vol. 7. – P. 1264 – 1269.

5.Law M. Nanowire dye-sensitized solar cells / M. Law, L.E. Greene, J.C. Johnson et al. // Nature Materials. – 2005. – Vol. 4. – Iss. 6.

–P. 455 – 459.

6.Sivakov V. Silicon nanowire-based solar cells on glass: synthesis, optical properties, and cell parameters / V. Sivakov, G. Andrä,

A. Gawlik et al. // Nano Letters. – 2009. – Vol. 9. – Iss. 4. – P. 1549 - 1554.

Воронежский государственный технический университет

114

УДК 538.975

В.Е. Полковников, С.А. Белоусов

ПРОЗРАЧНОЕ ПРОВОДЯЩЕЕ ОПТИЧЕСКОЕ ОКНО

НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛООКСИДА SnO2:Sb, ИЗГОТОВЛЕННОЕ МЕТОДОМ СПРЕЙ-ПИРОЛИЗА

В данной статье рассматривается получение металлооксидной пленки SnO2, легированной 1 и 2 % Sb методом спрейпиролиза. Рассмотрена оптимальная доза легирования пленки SnO2:Sb для солнечных элементов. Представлены данные поверхностного сопротивления полученных пленок, спектр пропускания и расчет ширины запрещѐнной зоны.

Прозрачные электроды являются необходимыми компонентами современных солнечных элементов, от параметров оптического окна зависит КПД солнечного преобразователя. Для повышения эффективности солнечного элемента требуется обращать внимание на важные функциональные свойства материалов, используемых в конструкции прибора. Основные свойства прозрачных электродов – это прозрачность (пропускающая способность) и электропроводность [1]. В данный момент для такого рода электродов рассматривают различного рода материалы, такие как ZnO, Zn2SnO4 и другие. Наиболее перспективными являются материалы на основе легированного оксида олова, оксида индия [2].

У материалов на основе оксида индия есть существенный недостаток это редкоземельный и как следствие дорогой индий, из которого и получаются соединения на его основе. По-этому, материалы на основе Sn имея сопоставимые по электропроводности и пропусканию с In2O3 (ITO) параметры, являются наиболее перспективными. В данной работе рассматривается легирование SnO2 низким количествами сурьмы (< 2 ат. %), обычно приводящему к улучшению электропроводящий свойств SnO2:Sb, потому что сурьма (Sb) действует как донор электронов в оксиде олова (SnO2).

Для синтеза металлооксидных пленок SnO2:Sb была приготовлена водная лигатура объемом 450 мл с содержанием соляной кислоты 5 % и SbCl3 - 2 %. В качестве источника олова использовался хлорид олова [SnCl2 2H2O]. Для нанесения спрей-пиролизом были приготовлены два водных раствора объемом 15 мл с 1 и 2 %

115

SbCl3, молярное содержание хлорида олова [SnCl2 2H2O] составляло 0,99 и 0,98 M. Технология нанесения спрей-пиролизом подразумевает распыление жидкого раствора в виде аэрозоля с последующим осаждением его на горячую подложку.

В качестве подложки использовались стандартные предметные стекла для микроскопов размером 26 × 76 × 1 мм. Нанесение раствора происходило посредством распыления аэрозоля солей металлов при помощи аэрографа OPHIR AC004A имеющего сопло диаметром 0,3 мм. Для нанесения аэрозоля на поверхность образца создавался поток воздуха для аэрографа безмасляным поршневым компрессором AS186 [3]. Принципиальная схема установки спрей-пиролиза показана на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема установки спрей-пиролиза: 1 – разогретая подложка; 2 – керамический нагреватель;

3 – компрессор; 4 – емкость для раствора; 5 – аэрограф; 6 – штатив

Для установки спрей-пиролиза использовались следующие параметры: расход раствора солей металлов 8 мл/мин, нагнетаемое

116

давление 2 бара, расстояние до разогретого образца 35 см. Нанесение раствора в виде аэрозоля происходило поэтапно: первый этап, это 5 секунд нанесения, второй этап, пауза в 20 для полного нагрева подложки до рабочей температуры. Рабочая температура нанесения составляла 520 °С. В результате были получены 2 пленки SnO2:Sb.

Изготовленные образцы металлооксидной пленки для диагностики полученного результата изучались с помощью рентгенофазового анализа. Результаты рентгенофазового анализа металлооксидных пленок SnO2:Sb продемонстрированы на рис. 2.

Рис. 2. Рентгенофазовый анализ пленки SnO2:Sb

Из рис. 2 видно, что в результате спрей-пиролиза получены достаточно кристаллизованные металлооксидные пленки, об этом свидетельствует высота, количество и четкость рефлексов от разных плоскостей кристаллов. Такого рода данные свидетельствуют о том, что пленка сразу после нанесения методом спрей-пиролиза кристаллизована и не требует дополнительной термической обработки в виде отжига.

Пленка с содержанием 2 % Sb имела поверхностное сопро-

Sb

Оптические исследования проводились с использованием спектрофотометра СПЕКС ССП-715-М. Оптические данные пленок SnO2:Sb продемонстрированы на рис. 3.

Из перестроения спектра пропускания в порог поглощения можно вычислить коэффициент поглощения и по полученному гра-

117

фику вычислить ширину запрещенной зоны в координатах

(αhν)2 = f(hν).

Перестроенный график определения запрещенной зоны приведен на рис. 4.

Рис. 3. Спектральное пропускание пленок SnO2:Sb

Рис. 4. Расчет запрещенной зоны по графику в координатах

(αhν)2 = f(hν) для пленок SnO2:Sb

118

На спектрофотометре ССП-715 М были получены спектры пропускания пленки SnO2:Sb. Полученные спектры пропускания показали, что пленка SnO2:Sb, легированная 1 % сурьмы прозрачнее в видимой части спектра на 28 %, чем пленка легированная 2 % сурьмы. При этом разница в сопротивлении несущественная – около 7 %. Можно сделать вывод, что лучшим сочетанием функциональных свойств, для прозрачного проводящего оптического окна n-типа проводимости, обладает пленка SnO2:Sb, легированная 1 % сурьмы.

Литература

1.Полковников В.Е. Использование пиролитических металлооксидных пленок для изготовления фотоэлектрических преобразователей энергии [Текст] / В.Е. Полковников, Д.С. Пермяков и др.

//Вестник ВГТУ - 2019. - Т 15. - № 5. - С. 72 - 77.

2.Polkovnikov V.E. Electrophysical properties of metal oxide films fabricated by using spray pyrolysis [Text] / V.E. Polkovnikov, S.I. Rembeza et al.// Nano Hybrids and Composites. - 2020. - Vol. 28. - № 1. - P. 71 - 77.

3.Полковников В.Е. Исследование влияния изотермического отжига на параметры металлооксидных пленок CuO, изготовленных спрей-пиролизом и золь-гель методом [Текст] / В.Е. Полковников, Д.С. Пермяков и др. //Известия Российской академии наук. Серия физическая - 2020. - Т 84. - № 9. - С. 1282 - 1285.

Воронежский государственный технический университет

119