1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Неорганические материалы
  4. T. 55, № 10, 2019

Неорганические материалы, 2019, T. 55, № 10, стр. 1035-1039

Электрические свойства тонких полупроводниковых пленок Sb2Se3, полученных электрохимическим способом

В. А. Меджидзаде 1, *, А. Ш. Алиев 1, И. Касумоглы 2, П. Г. Кулиев 3, Д. Б. Тагиев 1

1 Институт катализа и неорганической химии им. акад. М. Нагиева Национальной академии наук Азербайджана
AZ 1143 Баку, пр. Г. Джавида, 113, Азербайджан

2 Институт физики им. акад. Г. Абдуллаева Национальной академии наук Азербайджана
AZ 1143 Баку, пр. Г. Джавида, 33, Азербайджан

3 Нахичеванский государственный университет
AZ 7012 Нахичевань, Университетский городок, Азербайджан

* E-mail: vuska_80@mail.ru

Поступила в редакцию 20.12.2018
После доработки 09.04.2019
Принята к публикации 16.04.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Исследованы некоторые электрические свойства тонких полупроводниковых пленок Sb2Se3, полученных из тартратных электролитов методом электрохимического осаждения. Установлено, что полученные пленки имеют n-тип проводимости. Кроме этого, определены некоторые полупроводниковые константы: коэффициент температурной чувствительности B = 15 100 К, температурный коэффициент электросопротивления – при 300 К α = 0.167 K–1, при 400 К α = 0.094 K–1, а также ширина запрещенной зоны Eg = 1.3 эВ. Результаты показывают, что тонкие пленки Sb2Se3 могут быть использованы в преобразователях солнечной энергии и в термоэлементах.

Ключевые слова: поляризация, электроосаждение, электропроводность, сопротивление, термическая обработка

ВВЕДЕНИЕ

В работах [1–5] проведен синтез и изучены свойства полупроводниковых материалов с высокой фотоэффективностью в видимой области спектра для использования в солнечных элементах [6].

Селенид сурьмы (Sb2Se3) является перспективным поглощающим материалом для тонкопленочных фотогальванических элементов из-за его оптических и электрических свойств. Это нетоксичный недорогостоящий материал с шириной запрещенной зоны 1.0–1.45 эВ и высоким коэффициентом поглощения >105 см–1 [7–11].

Среди методов получения тонких пленок Sb2Se3 наиболее распространенными являются: термическое испарение [12–16], спиновое покрытие [8], химическое осаждение [17], методы адсорбции и ионного слоя [18], спрей-пиролиз [19], реактивное импульсное лазерное осаждение [20], электроосаждение [21–23] и др.

В литературе имеется ряд работ по изучению электрофизических свойств тонких пленок Sb2Se3 [24–28]: исследованы некоторые оптоэлектронные свойства [24, 27] и определена ширина запрещенной зоны Sb2Se3, полученного в гидротермальных условиях, которая равна 1.78 эВ [25]. Теоретические расчеты показывают, что Sb2Se3 является полупроводником с непрямым переходом с шириной запрещенной зоны Eg = 1.036–1.176 эВ при 300 K [26], что согласуется с экспериментальной шириной запрещенной зоны, полученной при измерении УФ-резонансной спектроскопии.

Как известно, полупроводники обладают рядом специфических свойств, резко отличающих их от проводников и диэлектриков, основным из которых является сильная зависимость удельной проводимости от воздействия внешних факторов (температуры, света, электрического поля и др.). Анализ литературных данных показывает, что метод получения влияет на электрофизические свойства Sb2Se3.

Данная работа посвящена изучению электрофизических свойств тонких полупроводниковых пленок Sb2Se3, полученных электрохимическим методом из тартратных электролитов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Получение Sb2Se3 осуществлялось в потенциостатических условиях при потенциале –0.56 В (относительно хлорсеребряного электрода) из электролита состава 0.05 моль/л SbOCl + + 0.05 моль/л H2SeO3 + 0.007 моль/л C4H6O6 на Ni-подложке.

Электрические свойства тонких пленок Sb2Se3 изучали с помощью омметра марки Е6-10 и универсального вольтметра Б7-21.

Методом термозонда [28] определен тип проводимости полученных пленок.

Морфология, рельеф и элементный состав электроосажденных образцов изучены с использованием сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) Carel Zeiss Siqma. Кроме этого, элементный состав определяли аналитическими методами по соответствующим методикам для сурьмы [29] и селена [30] по отдельности.

Фазовый состав полученных тонких слоев был определен на рентгенофазовом анализаторе D2 Phazer компании Bruker (CuKα-излучение Ni-фильтр). Толщину тонких пленок Sb2Se3 определяли на микроскопе Линника марки МИИ-4.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

С помощью потенциостатического метода при температуре 298 К получены тонкие пленки состава Sb2SeO5 (рис. 1а). После термической обработки при 703 К в течение 360 мин в атмосфере аргона эти пленки превращаются в кристаллические тонкие пленки Sb2Se3 (рис. 1б).

Рис. 1.

Результаты рентгенофазового анализа полученных пленок на поверхности Ni-электрода (i = 2.5 А/дм2) без термической обработки (а), с термической обработкой при Т = 703 К (б).

Эти результаты подтверждены данными СЭМ. Состав полученных при комнатной температуре пленок (без термической обработки) не соответствует составу Sb2Se3 (рис. 2а). А пленки стехиометрического состава Sb2Se3 получаются при термической обработке при 703 К в атмосфере аргона в течение 360 мин (рис. 2б). Состав образцов также подтвержден аналитическими методами [29, 30].

Рис. 2.

Результаты СЭМ полученных тонких пленок без термической обработки (а), с термической обработкой при Т = 703 К (б).

Температурная зависимость собственной проводимости тонких пленок Sb2Se3 (рис. 3) характерна для полупроводников.

Рис. 3.

Температурная зависимость собственной проводимости тонких пленок Sb2Se3.

Представленная на рис. 3 зависимость характеризуется двумя прямолинейными участками. При относительно низких температурах электропроводность меняется незначительно, что соответствует примесной проводимости. С повышением температуры происходит переход примесной проводимости тонких пленок Sb2Se3 в собственную. Если сравнить полученные результаты с литературными данными (10–6 См/м [31]) видно, что значения электропроводности тонких пленок, полученных электрохимическим способом (3.6 × 10–4 См/м при 300 К), значительно выше, чем пленок, полученных термическим способом. Это можно объяснить разными размерами кристаллов, составляющих пленку, при получении разными способами.

Ширина запрещенной зоны, вычисленная по температурным зависимостям электропроводности по формуле Eg = 2k tg α, для собственной проводимости равна 1.3 эВ, а для примесной – 0.1 эВ.

Кроме этого, по результатам экспериментов вычислен коэффициент температурной чувствительности по формуле B = Eg/k, характеризующий физические свойства тонких слоев. А по найденному значению В, используя формулу α = B/T  2, вычислили температурный коэффициент электросопротивления α. Полученные значения Eg, В и α при 300 и 400 К приведены в табл. 1.

Таблица 1.  

Параметры тонких пленок Sb2Se3, полученных электроосаждением

$E_{g}^{{{\text{собств}}}},$ эВ $E_{g}^{{{\text{прим}}}},$ эВ B, K α(300 К), K–1 α(400 К), K–1
1.3 0.1 15 100 0.167 0.094

Tонкие полупроводниковые пленки Sb2Se3 толщиной 5–7 мкм, полученные методом электрохимического осаждения, имеют n-тип проводимости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучены электрические свойства тонких полупроводниковых пленок Sb2Se3, электроосажденных из тартратных электролитов. Установлено, что полученные пленки имеют n-тип проводимости. Определены температурная зависимость электропроводности пленок и некоторые полупроводниковые константы (коэффициент температурной чувствительности B, температурный коэффициент электросопротивления α, ширина запрещенной зоны).

Результаты показывают, что тонкие пленки Sb2Se3 могут быть использованы в преобразователях солнечной энергии и в термоэлементах.

Список литературы

  1. Aliyev A.S., Elrouby M., Cafarova S.F. Electrochemical Synthesis of Molybdenum Sulfide Semiconductor// Mater. Sci. Semicond. Proc. 2015. V. 32. P. 31–39. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2015.01.006

  2. Huseynov G.M., Mammadova N.A., Imanov H.A. Obtaining of Nanosized Compound Sb2S3 on the Basis of Tioacetamide and Antimony (III) Chloride// Chem. Problems. 2017. V. 15. № 3. P. 329–334. https://doi.org/10.32737/2221-8688-2017-3-329-334

  3. Eftekhar A. Molybdenum Diselenide (MoSe2) for Energy Storage, Catalysis, and Optoelectronics // Appl. Mater. Today. 2017. V. 8. P. 1–17. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2017.01.006

  4. Aliyev A.Sh., Eminov Sh.O., Sultanova T.Sh. et al. Electrochemical Production of Thin Films of Cadmium Sulphide on Nickel Electrodes and Research into Their Morphology// Chem. Problems. 2016. V. 14. № 2. P. 139–145.

  5. Софронов Д.С., Стариков В.В., Новикова Т.В., Вакслер Е.А., Матейченко П.В., Лебединский А.М., Бондаренко Я.А., Гаман Д.А. Структура и свойства пленок ZnSe, полученных методом электрохимического осаждения // Неорган. материалы. 2016. Т. 52. № 12. С. 1279–1283. https://doi.org/10.7868/S0002337X16110178

  6. Кулова Е.Л., Николаев И.И., Фатеев В.Н., Алиев А.Ш. Современные электрохимические системы аккумулирования энергии // Chem. Problems. 2018. T. 16. № 1. С. 9–34. https://doi.org/10.32737/2221-8688-2018-1-9-34

  7. Im S., Lim C.S., Chang J., Lee Y., Maiti N., Kim H.J., Nazeeruddin M., Gratzel M., Seok S. Toward Interaction of Sensitizer and Functional Moieties in Hole-Transporting Materials for Efficient Semiconductor-Sensitized Solar Cells // Nano Lett. 2011. № 11. P. 4789–4793. https://doi.org/10.1021/nl2026184

  8. Choi Y.C., Mandal T.N., Yang W.S., Lee Y.H., Im S.H., Noh J.H., Seok S.I. Sb2Se3 – Sensitized Inorganic–Organic Heterojunction Solar Cells Fabricated Using a Singlesource Precursor // Angew. Chem. Int. Ed. 2014. V. 126. P. 1353–1357. https://doi.org/10.1002/ange.201308331

  9. Ngo T.T., Chavhan S., Kosta I., Miguel O., Grande H.-J., Tena-Zaera R. Electrodeposition of Antimony Selenide Thin Films and Application in Semiconductor Sensitized Solar Cells // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2014. № 6. P. 2836–2841. https://doi.org/10.1021/am405416a

  10. Patrick C.E., Giustino F. Structural and Electronic Properties of Semiconductor Sensitized Solar-Cell Interfaces // Adv. Funct. Mater. 2011. V. 21. P. 4663–4667. https://doi.org/10.1002/adfm.201101103

  11. Caracas R., Gonze X. First-Principles Study of the Electronic Properties of A2B3 Minerals, with A = Bi, Sb and B = S, Se // Phys. Chem. Miner. 2005. V. 32. № 4. P. 295–300. https://doi.org/10.1007/s00269-005-0470-y

  12. El-Sayad E.A. Compositional Dependence of the Optical Properties of Amorphous Sb2Se3 –xSx thin films // J. Non-Cryst. Solids. 2008. V. 354. № 32. P. 3806–3811. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2008.05.004

  13. Li Z., Chen X., Zhua H., Chen J., Guo Y., Zhang C., Zhang W., Niu X., Mai Y. Sb2Se3 Thin Film Solar Cells in Substrate Configuration and the Back Contact Selenization // Sol. Energy Mater Sol. Cells. 2017. V. 161. P. 190–196. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2016.11.033

  14. Liu X., Chen J., Luo M., Leng M., Xia Z., Zhou Y., Qin S., Xue D.-J., Lv L., Huang H., Niu D., Tang J. Thermal Evaporation and Characterization of Sb2Se3 Thin Film for Substrate Sb2Se3/CdS Solar Cells // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2014. V. 13. № 6. P. 10 687–10 695. https://doi.org/10.1021/am502427s

  15. Li Z., Zhu H., Guo Y., Niu X., Chen X., Zhang C., Zhang W., Liang X., Zhou D., Chen J., Mai Y. Efficiency Enhancement of Sb2Se3 Thin-Film Solar Cells by the Coevaporation of Se and Sb2Se3 // Appl. Phys. Express. 2016. V. 9. № 5. P. 052 302. https://doi.org/10.7567/APEX.9.052302

  16. Zhou Y., Wang L., Chen S., Qin S., Liu X., Chen Jie, Xue D.-J., Luo M., Cao Y., Cheng Y., Sargent E.H., Tang J. Thin-Film Sb2Se3 Photovoltaics with Oriented Onedimensional Ribbons and Benign Grain Boundaries // Nat. Photon. 2015. № 9. P. 409–415. https://doi.org/10.1038/nphoton.2015.78

  17. Rodríguez-Lazcano Y., Peña Y., Nair M.T.S., Nair P.K. Polycrystalline Thin Films of Antimony Selenide via Chemical Bath Deposition and Post Deposition Treatments // Thin Solid Films. 2005. V. 493. № 1. P. 77–82. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2005.07.238

  18. Lokhande C.D., Sankapal B.R., Sartale S.D., Pathan H.M., Giersig M., Ganesan V. A Novel Method for the Deposition of Nanocrystalline Bi2Se3, Sb2Se3 and Bi2Se3−Sb2Se3 Thin Films SILAR // Appl. Surf. Sci. 2001. V. 182. № 3. P. 413–417.

  19. Rajpure K.Y., Bhosale C.H. Effect of Se Source on Properties of Spray Deposited Sb2Se3 Thin Films // Mater. Chem. Phys. 2000. V. 62. № 2. P. 169–174. https://doi.org/10.1016/S0254-0584(99)00173-X

  20. Xue M.-Z., Fu Z.-W. Pulsed Laser Deposited Sb2Se3 Anode for Lithium-Ion Batteries // J. Alloy. Compd. 2008. V. 458. № 1. P. 351–356. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2007.03.109

  21. Torane A.P., Bhosale C.H. Preparation and Characterization of Electrodeposited Sb2Se3 Thin Films from Non-Aqueous Media // J. Phys. Chem. Solids. 2002. V. 63. № 10. P. 1849–1855.

  22. Fernandez A.M., Merino M.G. Preparation and Characterization of Sb2Se3 Thin Films Prepared by Electrodeposition for Photovoltaic Applications // Thin Solid Films. 2000. V. 366. № 1. P. 202–206. https://doi.org/10.1016/S0022-3697(02)00167-1

  23. Majidzade V.A. The Effect of Various Factors on the Composition of Electrolytic Thin Films Sb–Se // Chem. Problems. 2018. V. 16. № 3. P. 331–336. https://doi.org/10.32737/2221-8688-2018-3-331-336

  24. Chao Chen, David C. Bobela, Ye Yang, Shuaicheng Lu, Kai Zeng, Cong Ge, Bo Yang, Liang Gao, Yang Zhao, Matthew C. Beard, Jiang Tang. Characterization of Basic Physical Properties of Sb2Se3 and Its Relevance for Photovoltaics // Front. Optoelectron. 2017. V. 10. № 1. P. 18–30. https://doi.org/10.1007/s12200-017-0702-z

  25. Jyotiranjan Ota, Suneel Kumar Srivastava. Synthesis and Optical Properties of Sb2Se3 Nanorods // Opt. Mater. 2010. V. 32. № 11. P. 1488–1492. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2010.06.007

  26. Chao Chen, Weiqi Li, Ying Zhou, Cheng Chen, Miao Luo, Xinsheng Liu, Kai Zeng, Bo Yang, Chuanwei Zhang, Junbo Han, JiangTang. Optical Properties of Amorphous and Polycrystalline Sb2Se3 Thin Films Prepared by Thermal Evaporation // Appl. Phys. Lett. 2015. № 107. 043905 (5). https://doi.org/10.1063/1.4927741

  27. Kamruzzaman M., Chaoping Liu, A.K.M. Farid Ul Islam, J.A. Zapien. A Comparative Study on the Electronic and Optical Properties of Sb2Se3 Thin Film // Физика и техника полупроводников. 2017. V. 51. № 12. P. 1615–1624. https://doi.org/10.21883/FTP.2017.12.45184.8396

  28. Гаркуша Ж.М. Основы физики полупроводников. М.: Высш. школа, 1982. 243 с.

  29. Немодрук А.А. Аналитическая химия сурьмы. М.: Наука, 1978. 224 с.

  30. Назаренко И.И., Ермаков А.Н. Аналитическая химия селена и теллура. М.: Наука, 1971. 251 с.

  31. Shuo Chen, Xvsheng Qiao, Zhuanghao Zheng, Michel Cathelinaud, Hongli Ma, Xianping Fan, Xianghua Zhang. Enhanced Electrical Conductivity and Photoconductive Properties of Sn-Doped Sb2Se3 Crystals // J. Mater. Chem. C. 2018. V. 24. № 6. P. 6465–6470.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Неорганические материалы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал