Вплив імпульсного опромінення водневою та гелієвою плазмою на формування твердих розчинів у тонкоплівковій гетеросистемі CdTe/CdS
№ 1 (6) (2023), Статті
№ 1 (6) (2023)

Вплив імпульсного опромінення водневою та гелієвою плазмою на формування твердих розчинів у тонкоплівковій гетеросистемі CdTe/CdS

Статті
https://doi.org/10.20998/2224-0349.2023.01.12
Опубліковано 2023-07-09
Геннадій Семенович Хрипунов
Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна
https://orcid.org/0000-0002-6448-5938
Андрій Володимирович Меріуц
Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна
https://orcid.org/0000-0003-4176-2530
Микола Михайлович Харченко
Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна
Станіслав Сергійович Геращенко
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут», Україна
https://orcid.org/0000-0003-1449-4884
Ігор Вікторович Колодій
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут», Україна
https://orcid.org/0000-0001-8598-9732
Олексій Олегович Пудов
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут», Україна
https://orcid.org/0000-0002-9499-379X
Тетяна Іванівна Храмова
Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна
https://orcid.org/0009-0008-1148-0720
Тетяна Миколаївна Шелест
Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна
https://orcid.org/0000-0002-8116-6189
Олександр Олександрович Кузякін
Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»
PDF

Ключові слова

телурид кадмію
сульфід кадмію
тверді розчини
імпульсне опромінення
воднева та гелієва плазма

Як цитувати

Хрипунов, Г. С., А. В. Меріуц, М. М. Харченко, С. С. Геращенко, І. В. Колодій, О. О. Пудов, Т. І. Храмова, Т. М. Шелест, і О. О. Кузякін. «Вплив імпульсного опромінення водневою та гелієвою плазмою на формування твердих розчинів у тонкоплівковій гетеросистемі CdTe/CdS». Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Енергетика: надійність та енергоефективність, вип. 1 (6), Липень 2023, с. 105-12, doi:10.20998/2224-0349.2023.01.12.
ACM ACS APA ABNT Chicago Harvard IEEE MLA Turabian Vancouver

Завантажити посилання

Endnote/Zotero/Mendeley (RIS) BibTeX

Анотація

Рентгендифрактометричним методом проведено дослідження впливу опромінення імпульсами водневої та гелієвої плазми на характер міжфазової взаємодії плівкових шарів сульфіду та телуриду кадмію, які були отримані методом гарячої стінки на скляних підкладках з прозорим електродом FTO. Під час осадження шарів CdS товщиною 0,3–0,32 мкм температура зони випарника становила 590 °C, а температура підкладки – 395 °C. Шари CdTe товщиною 3,8–4,0 мкм наносилися при температурі зони випаровування 520 °C і температурі підкладки 497 °C. Після нанесення  проводилася «хлоридна» обробка гетеросистеми. Для цього на поверхню плівки телуриду кадмію без нагрівання підкладки методом термічного випаровування наносився шар хлориду кадмію товщиною 0,7 мкм. Потім проводився відпал на повітрі при температурі 410–415 °C протягом 20 хв. Склад твердих розчинів визначався за періодом кристалічної решітки у відповідності до правила Вегарда. У вихідному стані разом з кубічною фазою телуриду кадмію спостерігається наявність твердих розчинів CdTe1-xSx з концентрацією сірки 3 % та 8,2 %. Після опромінення гетеросистеми CdS/CdTe імпульсами водневої плазми весь базовий шар перетворився на твердий розчин з концентрацією сірки 3 %. При цьому спостерігаються ще дві фази твердих розчинів CdTe1-xSx з концентрацією сірки 6 % та 11,5 %. Відносна концентрація фази телуриду кадмію у вихідному стані складала 84 %, після опромінення імпульсами водневої плазми – 82 %. В той час як фази твердих розчинів з концентрацією сірки 3 % та 8,2 % у вихідному стані були у відносній концентрації 7 % і 9 %, відповідно, після опромінення їх відносна концентрація стала 15 % і 3 %, відповідно. Після опромінення гетеросистем CdS/CdTe імпульсами гелієвої плазми весь базовий шар перетворився на твердий розчин з концентрацією сірки 1,5 %. При цьому спостерігаються ще дві фази з концентрацією сірки 3,7 % та 7,9 %. Відносна концентрація фази телуриду кадмію після опромінення імпульсами водневої плазми зменшується до 79 %. В той час як відносна концентрація фази твердих розчинів з концентрацією сірки 3 % та 8,2 % після опромінення збільшується до 17 % і 12 %, відповідно. Різниця в еволюції фазового складу плівкової гетеросистеми CdS/CdTe під впливом опромінення імпульсами водневої та гелієвої плазми, яка спостерігається експериментально, може бути пов’язана з тим, що опромінення більш масивними атомами гелію призводить до більшого теплового впливу, що обумовлює плавлення.

https://doi.org/10.20998/2224-0349.2023.01.12
PDF

Посилання

A. Bosio, S. Pasini, and N. Romeo, “The history of photovoltaics with emphasis on cdte solar cells and modules,” Coatings, vol. 10, no. 4, Apr. 2020, Art. no. 344, doi: https://doi.org/10.3390/coatings10040344.

A. H. Munshi et al., “Polycrystalline CdTe photovoltaics with efficiency over 18% through improved absorber passivation and current collection,” Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 176, p. 9–18, Mar. 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.solmat.2017.11.031.

S. Chander and M. S. Dhaka, “Thermal evolution of physical properties of vacuum evaporated polycrystalline CdTe thin films for solar cells,” Journal of Materials Science: Materials in Electronics, vol. 27, no. 11, p. 11961–11973, Jul. 2016, doi: https://doi.org/10.1007/s10854-016-5343-2.

A. Bosio, G. Rosa, and N. Romeo, “Past, present and future of the thin film CdTe/CdS solar cells,” Solar Energy, vol. 175, p. 31–43, Nov. 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.01.018.

M. A. Green, E. D. Dunlop, D. H. Levi, J. Hohl-Ebinger, M. Yoshita, and A. W. Y. Ho-Baillie, “Solar cell efficiency tables (version 54),” Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 27, no. 7, p. 565–575, Jun. 2019, doi: https://doi.org/10.1002/pip.3171.

“Series 6 Datasheet.” First Solar.com. http://www.firstsolar.com/-/media/First-Solar/TechnicalDocuments/Series-6-Datasheets/Series-6-Datasheet.ashx (accessed Jan. 20, 2020).

I. M. Dharmadasa, A. E. Alam, A. A. Ojo, and O. K. Echendu, “Scientific complications and controversies noted in the field of CdS/CdTe thin film solar cells and the way forward for further development,” Journal of Materials Science: Materials in Electronics, vol. 30, no. 23, p. 20330–20344, Nov. 2019, doi: https://doi.org/10.1007/s10854-019-02422-6.

G. Zeng et al., “Study on the stability of unpackaged CdS/CdTe solar cells with different structures,” International Journal of Photoenergy, vol. 2019, p. 1–8, Dec. 2019, doi: https://doi.org/10.1155/2019/3579587.

G. Kartopu et al., “Enhancement of the photocurrent and efficiency of CdTe solar cells suppressing the front contact reflection using a highly-resistive ZnO buffer layer,” Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 191, p. 78–82, Mar. 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.11.002.

R. A. Awni et al., “Influences of buffer material and fabrication atmosphere on the electrical properties of CdTe solar cells,” Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 27, no. 12, p. 1115–1123, Sep. 2019, doi: https://doi.org/10.1002/pip.3192.

E. Niasse et al., “Comparative study of the influence of antireflective coatings and transparent oxides on a CdS/CdTe solar cell,” American Journal of Materials Science and Engineering, vol. 6, no. 2, p. 43–48, 2018, doi: https://doi.org/10.12691/ajmse-6-2-4.

V. N. Tomashin and V. I. Grytsev, Diadramma sostoyaniy sistem na osnove polyprovodnikovykh soedineniei А2В6. [State diagram of systems based on semiconductor compounds]. Kyiv: Naukova dumka, 1982. (in Russian).

S. Y. Nunoue, T. Hemmi, and E. Kata, “Mass spectrometric study of the phase boundaries of the CdS-CdTe system,” Journal Electrochemical Society, vol. 137, no. 4, p. 1248–1251, 1990.

K. Ohata, J. Saraie, and T. Tanaka, “Phase diagram of the CdS-CdTe pseudobinary system,” Japan Journal Applied Physics, vol. 12, no. 10, p. 1198–1204, 1973.

D. W. Lane, K. D. Rogers, J. D. Painter, D. A. Wood, and M. E. Ozsan, “Structural dynamics in CdS–CdTe thin films,” Thin Solid Films, vol. 361-362, p. 1–8, Feb. 2000, doi: https://doi.org/10.1016/s0040-6090(99)00827-5.

B. E. McCandless, G. M. Hanket, D. G. Jensen, and R. W. Birkmire, “Phase behavior in the CdTe–CdS pseudobinary system,” Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, vol. 20, no. 4, p. 1462–1467, Jul. 2002, doi: https://doi.org/10.1116/1.1487872.

B. E. McCandidiess and R. W. Birkmire, “CdTe1-xSx absorber layers for thin-film CdTe/CdS solar cells,” in 26th IEEE Photovoltaic Special Conference: Proceeding of the International Conference, Anaheim, USA. 1997, p. 307–311.

Z. Hideo, N. Shimuchi, and H. Srigenori, “Optical properties of CdTe 1-xSx systems,” physica status solidi (a), vol. 3, p. K115–K119, 1975.

D. Bonnet, “The CdTe thin – film – an overview,” International Journal of Solar Energy, vol. 12, no. 1, p. 3–34, 1992.

K. Ohata, J. Saraie, and T. Tanaka, “Optical energy gap of the mixed crystal CdTe1-xSx,” Japanese Journal Applied Physics, vol. 12, no. 10, p. 1641–1647, 1973.

D. Bonnet, “Status of CdTe solar cells,” in 14th European Photovoltaic Solar Energy Conference: Proceeding of the Conference, Barcelona, Spain. 1997, p. 2688–2693.

D. W. Lane et al., “Sulphur diffusion in CdTe and the phase diagram of the CdS–CdTe pseudo-binary alloy,” Journal of Crystal Growth, vol. 197, no. 3, p. 743–748, Feb. 1999, doi: https://doi.org/10.1016/s0022-0248(98)00813-6.

D. W. Lane, “A revive of the optical band gap of thin film CdTe1-хSх,” Solar Energy Materials & Solar Cells, vol. 90, no. 9, p. 1169–1175, 2006.

P. V. Meyers, “Thin film CdTe cells,” in First World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (WCPEC): Proceeding of the Conference, Hawaii, USA. 1994, p. 266–271.

B. T. Boiko, V. B. Yurchenko, G. I. Kopach, A. S. Opanasuk, G. S. Khrypunov, and V. A. Polotskiy, “Photoelektricheskie svoystva plenochnikh geteroperehodov s vaizonnimi prosloikami na osnove CdTe. [Photoelectric properties of film heterojunctions with graded-gap interlayers based on CdTe],” Bulgarian Journal of Physics, vol. 14, no. 2, p. 157–163, 1987. (in Russian)

B. T. Boiko, U. G. Gurevich, G. I. Kopach, and G. S. Khrypunov, “Vlyanie structuri meghfaznikh granits na photoelectricheskie svoictva geteroperehodov pCdTe-nCdS. [Influence of the structure of interfacial boundaries on the photoelectric properties of pCdTe-nCdS heterojunctions],” in All-Union Conference "Structure and Electronic Properties of Grain Boundaries in Metals and Semiconductors": Abstracts, Voronezh, USSR. 1987, p. 34–35. (in Russian).

B. T. Boiko, G. I. Kopach, V. R. Kopach, and G. S. Khrypunov, “Photovoltaic properties and structures of multilayers heterojunction systems based on cadmium telluride,” CA Selects: Solar Energy Issue, no. 21, p. 123–126, 1991.

G. I. Kopach, G. S. Khrypunov, and V. B. Yurchenko, “Numerical modeling photoelectric properties in film heterosystems of p-CdTe/n-CdS with various interlayers,” Gelioteknica, vol. 27, no. 3, p. 24–27, 1991.

V. Y. Vituk, V. A. Sanitarov, N. N. Zavlenko, and I. P. Kalinkin, “Process raspada tverdikh rastvorov v plenkakh sisnemie CdS-CdTe. [The process of decomposition of solid solutions in films of the CdS-CdTe system],” Proceedings of the Academy of Sciences of the USSR. Inorganic Materials, vol. 18, no. 9, p. 1514–1517, 1982. (in Russian).

O. M. Melender-Lira and I. Hernander-Calderon, “Study of CdSxTe1-x solid solutions obtained by screen printing,” in First World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (WCPEC), Hawaii, USA. 1994, p. 369–372.

B. E. McCandless, M. G. Engelmann, and R. W. Birkmire, “Interdiffusion of CdS/CdTe thin films: Modeling x-ray diffraction line profiles,” Journal of Applied Physics, vol. 89, no. 2, p. 988–994, Jan. 2001, doi: https://doi.org/10.1063/1.1330245.

M. Terheggen, H. Heinrich, G. Kostorz, A. Romeo, and A. N. Tiwari, “Structural and chemical studies on CdTe/CdS thin film solar cells with analytical transmission electron microscopy,” in 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Munich, Germany. 2001, p. 1188–1191.

G. J. Conibeer, D. A. Woog, K. D. Rogers, and D. W. Lane, “Investigation of the CdS/CdTe phase diagram and sulphur diffusion in CdTe for later application to thin film solar cells,” in 14th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Barcelona, Spain. 1997, p. 2075–2078.

M. Terheggen, H. Heinrich, G. Kostorz, A. Romeo, D. Baetzner, and A. N. Tiwari, “Transmission electron microscopy of diffusion structural and chemical changes in CdTe solar cells,” in E-MRS Spring Meeting, Strasbourg, France, Jun. 18–21, 2002. p. 345–349.

B. E. McCandless and R. W. Birkmire, “Analysis of post deposition processing for CdTe/CdS thin film solar cells,” Solar Cells, vol. 31, no. 6, p. 527–535, Dec. 1991, doi: https://doi.org/10.1016/0379-6787(91)90095-7.

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Авторське право (c) 2023 Геннадій Семенович Хрипунов, Андрій Володимирович Меріуц, Микола Михайлович Харченко, Станіслав Сергійович Геращенко, Ігор Вікторович Колодій, Олексій Олегович Пудов, Тетяна Іванівна Храмова, Тетяна Миколаївна Шелест, Олександр Олександрович Кузякін