The effect of a hybrid coating of porous silicon and WS₂ and MoS₂ quantum dots on the electrical characteristics of photosensitive structures

Full Text

Введение

Применение кремниевых фоточувствительных структур актуально благодаря ширине запрещенной зоны кремния, равной 1,12 эВ, а также меньшей стоимости сырья. Области их использования весьма разнообразны: квантовая криптография [1], диагностика инфекций методом фотометрии [2], неинвазивный мониторинг концентрации глюкозы [3], солнечная энергетика [4] и др. Учитывая высокий спрос на альтернативные источники энергии, особый интерес представляет применение фоточувствительных структур на основе кремния в качестве солнечных элементов. За счет вышеперечисленных свойств материала они выигрывают в соотношении цены и энергетической эффективности у других типов солнечных элементов [5]. Однако кремниевые солнечные элементы требуют повышения коэффициента полезного действия (КПД), максимальные значения которого составляют 20–25 % только при соблюдении особых условий эксплуатации, в частности обеспечения падения солнечного излучения на поверхность панелей под углом 90°, что требует эксплуатации дорогостоящего оборудования.

Существуют более выгодные способы повышения эффективности кремниевых фоточувствительных структур. Одним из таких способов является создание специальных слоев на рабочей поверхности элементов. Например, антиотражающие покрытия на основе соединений оксида алюминия и кремния (Al₂O₃ и SiO₂) [6], алмазоподобного углерода [7], поливинилбутираля и наночастиц серебра (ПВБ-Ag) [8], а также пористого кремния [9] позволяют расширить спектр пропускаемого излучения. Кроме того, покрытия из пористого кремния способствуют повышению радиационной стойкости структур [10] и увеличивают площадь рабочей поверхности за счет своей морфологии [11]. Однако повысить эффективность пористого кремния можно путем добавления в него квантовых точек [12–14]. В данной работе показано исследование влияния гибридного покрытия квантовых точек и пористого кремния на вольт-амперную характеристику фоточувствительных структур.

1. Методика эксперимента

Создание экспериментальных образцов проходило в несколько этапов.

Первым этапом была предварительная подготовка кремниевых пластин с проводимостью p-типа размером 25 × 25 мм. Сначала пластины проходили очистку в ультразвуковой ванне на протяжении 10 мин и трижды промывались в бидистиллированной воде для удаления большей части пыли загрязнений. Затем была проведена очистка от возможных оставшихся частиц жира и пыли в кипящем растворе аммиака (NH₃), перекиси водорода (H₂O₂) и бидистиллированной воды в соотношении 1:1:4 соответственно. Кипячение проводилось на протяжении 7 мин, после чего образцы также трижды промывались в бидистиллированной воде и просушивались на фильтровальной бумаге.

Вторым этапом было проведение диффузии для создания p-n-перехода. Для этого на одну сторону кремниевых пластин, которая впоследствии будет рабочей, методом центрифугирования наносился диффузант.

Состав диффузантов приведен в табл. 1.

 

Таблица 1. Состав диффузанта

Table 1. Composition of the diffusant

Раствор 1		Раствор 2
Вещество	Кол-во, мл	Вещество	Кол-во, мл
C2H5OH	3,5	C2H5OH	23,5
HNO3	0,625	H3PO4	3
(C2H5O)4Si	8,75	–	–

 

После просушки пластины помещались в диффузионную печь на 40 мин при температуре 1000 °С. Остывшие образцы промывались сначала в плавиковой кислоте (HF) для снятия окисла, затем – в бидистиллированной воде для удаления его остатков.

Третьим этапом создания фоточувствительных структур было электрохимическое анодное травление в вертикальной ячейке [15]. Электролитом служил раствор плавиковой кислоты и этилового спирта в соотношении 1:1. Процесс травления проводился при плотности тока  мА/см² на протяжении 5 и 10 мин для двух групп образцов, соответственно. По окончании процесса образцы промывались в бидистиллированной воде и просушивались на фильтровальной бумаге.

Четвертым этапом было нанесение металлических контактов методом термического испарения в вакууме. В качестве материала для контактов был выбран алюминий. Контактная сетка на рабочей стороне фоточувствительных структур наносилась через маску. На тыльной стороне – сплошной контакт.

Завершающим, пятым этапом создания солнечных элементов было нанесение квантовых точек [16]. Для этого порошки микрочастиц дисульфида вольфрама (WS₂) и дисульфида молибдена (MoS₂) смешивались с изопропиловым спиртом (C₃H₈O) в соотношении 50 мг : 50 мл на протяжении 4 часов с помощью ультразвука. При такой обработке размер квантовых точек составлял порядка 6 мкм [17]. Полученные суспензии дважды наносились на изготовленные ранее фоточувствительные структуры методом адсорбции. В табл. 2 приведены данные о нанесении суспензий с разными материалами на образцы, анализ исследования которых будет представлен далее.

 

Таблица 2. Данные о типе травления и нанесении суспензий с квантовыми точками

Table 2. Data on the type of etching and application of quantum dot suspensions

№ образца	1	2	3	4
Время травления, мин	10	10	5	5
Материал квантовых точек	MoS2	WS2	MoS2	WS2

 

2. Результаты

Для оценки пористости фоточувствительных структур (P) после этапов предварительной подготовки и травления измерялись массы и толщины пластин. Расчет пористости производился по следующей формуле:

$P=\frac{\Delta m}{\rho Sd}100\%,$

где $\Delta m$ – разность масс, измеренных до и после травления; $\rho =\mathrm{2,33}$ г/см³ – плотность кремния; $S=\mathrm{6,25}$ см² – площадь пористого слоя; d – толщина пористого слоя.

Данные об изменении масс и толщин образцов, а также результаты расчета пористости представлены в табл. 3.

 

Таблица 3. Данные замеров массы и толщины структур. Результаты расчета пористости

Table 3. Data of measurements of mass and thickness of structures. Results of calculation of porosity

№	$\Delta m,$ г	d, мкм	P, %
1	0,010	20	34,3
2	0,010	22	31,2
3	0,009	19	30,9
4	0,005	18	28,7

 

В результате электрохимического травления были получены фоточувствительные структуры преимущественно с высокой пористостью 28–34 %, что положительно сказывается на их антиотражающих свойствах.

Для оценки влияния квантовых точек на электрические характеристики солнечных элементов с пористым кремнием были сняты показания тока при контролируемом повышении напряжения.

На рис. 1–4 представлена вольт-амперная характеристика (ВАХ) фоточувствительных структур до нанесения квантовых точек и сразу после первого нанесения.

 

Рис. 1. ВАХ образца № 1 после этапа травления (1) и сразу после первого нанесения квантовых точек (2)

Fig. 1. I-V curve of sample #1 after the etching stage (1) and immediately after the first application of quantum dots (2)

 

Рис. 2. ВАХ образца № 2 после этапа травления (1) и сразу после первого нанесения квантовых точек (2)

Fig. 2. I-V curve of sample #2 after the etching stage (1) and immediately after the first application of quantum dots (2)

 

Рис. 3. ВАХ образца № 2 после этапа травления (1) и сразу после первого нанесения квантовых точек (2)

Fig. 3. I-V curve of sample #2 after the etching stage (1) and immediately after the first application of quantum dots (2)

 

Рис. 4. ВАХ образца № 2 после этапа травления (1) и сразу после первого нанесения квантовых точек (2)

Fig. 4. I-V curve of sample #2 after the etching stage (1) and immediately after the first application of quantum dots (2)

 

Из графиков видно, что нанесение квантовых точек поспособствовало повышению значений тока у всех образцов. Снижение значения тока образца № 3, соответствующее значению 1,13 В, можно объяснить сбоем измерительного оборудования, что подтверждается дальнейшими исследованиями.

На рис. 5–8 приведены ВАХ образцов с квантовыми точками. Измерения проводились сразу после первого нанесения, через день после первого нанесения и после второго нанесения квантовых точек, проводившегося через день после первого нанесения.

 

Рис. 5. ВАХ образца № 1 через день после первого нанесения квантовых точек (1), сразу после первого нанесения квантовых точек (2) и сразу после второго нанесения квантовых точек (3)

Fig. 5. I-V curve of sample #1 one day after the first application of quantum dots (1), immediately after the first application of quantum dots (2), and immediately after the second application of quantum dots (3)

 

Рис. 6. ВАХ образца № 2 через день после первого нанесения квантовых точек (1), сразу после первого нанесения квантовых точек (2) и сразу после второго нанесения квантовых точек (3)

Fig. 6. I-V curve of sample #2 one day after the first application of quantum dots (1), immediately after the first application of quantum dots (2), and immediately after the second application of quantum dots (3)

 

Рис. 7. ВАХ образца № 3 через день после первого нанесения квантовых точек (1), сразу после первого нанесения квантовых точек (2) и сразу после второго нанесения квантовых точек (3)

Fig. 7. I-V curve of sample #3 one day after the first application of quantum dots (1), immediately after the first application of quantum dots (2), and immediately after the second application of quantum dots (3)

 

Рис. 8. ВАХ образца № 4 через день после первого нанесения квантовых точек (1), сразу после первого нанесения квантовых точек (2) и сразу после второго нанесения квантовых точек (3)

Fig. 8. I-V curve of sample #4 one day after the first application of quantum dots (1), immediately after the first application of quantum dots (2), and immediately after the second application of quantum dots (3)

 

Анализируя полученные графики можно заключить, что эффект от введения квантовых точек в поры сохраняется со временем. Кроме того, структуры со временем травления, равным 10 мин, показали повышение тока насыщения, в то время как образцы со временем травления 5 мин практически не отреагировали на введение квантовых точек в поры. Такое явление можно объяснить более глубоким залеганием точек в порах образцов № 1 и № 2.

Заключение

Анализ вольт-амперных характеристик созданных фоточувствительных структур с гибридным покрытием из пористого кремния и квантовых точек WS₂ и MoS₂ показывает положительное влияние на выходные характеристики солнечных элементов. Однако требуются дальнейшие исследования зависимости повышения эффективности солнечных элементов от объема наносимых квантовых точек.

About the authors

Natalia A. Poluektova

Samara National Research University

Email: natapolivekt37@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4189-6192
SPIN-code: 5791-7785

postgraduate student of the Department of Nanoengineering

Russian Federation, 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086

Daria A. Shishkina

Samara National Research University

Email: daria.lizunkova@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4118-1429
SPIN-code: 5722-5240
ResearcherId: AAG-4607-2020

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, associate professor of the Department of Nanoengineering

Russian Federation, 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086

Danil P. Grigoriev

Samara National Research University

Author for correspondence.
Email: grigorev.dp@ssau.ru
ORCID iD: 0009-0007-8413-379X
SPIN-code: 3058-3584

postgraduate student of the Department of Radioelectronic Systems, junior researcher at the Space Instruments Engineering Institute (IKP-214)

Russian Federation, 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086

References

Supplementary files