Кристаллы сульфида олова «доросли» до применения в солнечных батареях | Популярный Университет

Кристаллы сульфида олова «доросли» до применения в солнечных батареях

Кристаллы сульфида олова помогут в создании солнечных батарей нового типа

Японские учёные флюсовым методом вырастили крупные кристаллы сульфида олова с электронной проводимостью. Исследование открывает возможность разработки солнечных батарей нового типа на основе p-n перехода сульфида олова. Работа опубликована в Crystal Growth & Design.

Основу солнечных панелей — устройств, которые преобразуют энергию солнечного света в электрическую — составляют различные полупроводниковые материалы. Например, кремний (Si), арсенид галлия (GaAs), теллурид кадмия (CdTe) и другие. Наиболее широко распространены солнечные панели на кремниевой основе. Но учёные активно ищут альтернативу.

На примере кремния самая простая конструкция солнечного фотоэлемента: две соединëнные вместе пластинки кремния, где кремний немного разный — в одной избыток электронов (кремний n-типа, n-Si), в другой — избыток электронных дырок (кремний p-типа, p-Si). В месте контакта этих пластин возникает так называемый p-n переход — ключевой элемент солнечной ячейки. При поглощении света p-n переходом электроны и электронные дырки начинают двигаться в противоположных направлениях — то есть возникает электрический ток.

Технология кажется простой, но процесс получения и хорошей очистки кремния от примесей довольно сложный и энергоёмкий, а поэтому — дорогой. Дороговизна технологии кремниевых (и близких к ним) фотоэлементов — основная причина поисков альтернативных полупроводников, подходящих для применения в солнечных батареях.

К числу таких потенциальных замен относится и сульфид олова — SnS. Этот материал имеет подходящий набор свойств — оптимальная ширина запрещëнной зоны (около 1.08 эВ), высокий коэффициент поглощения света, высокая стабильность к влаге и кислороду в воздухе.

Сам по себе сульфид олова — полупроводник p-типа, поэтому в опубликованных ранее конструкциях его использовали в паре с другими полупроводниками n-типа — например, сульфидами и оксосульфидами кадмия CdS и цинка Zn(O,S). Более предпочтительным использовать один и тот же материал в основе и как дырочный полупроводник (чистый SnS), и как электронный. Чтобы получить сульфид олова с электронной проводимостью (n-типа) вместо дырочной, его состав нужно модифицировать.

Можно, например, заместить часть атомов серы на атомы какого-нибудь галогена — например, хлора или брома (т. е. допировать атомами галогена). В опубликованных ранее работах удавалось получить монокристаллы допированного галогеном SnS, но их размер был достаточно мал. Для реального применения в устройствах желательны кристаллы большего размера. Нанесением на выращенные кристаллы n-SnS плёнки чистого сульфида олова (полупроводника p-типа, как было отмечено выше) можно создать p-n переход и, следовательно, солнечный фотоэлемент.

Японские учёные вырастили крупные кристаллы сульфида олова, допированного атомами хлора и брома. Выращивали флюсовым методом — в запаянной ампуле плавили композицию, содержащую металлическое олово с небольшими добавками серы и галогенида олова. На поверхность композиции помещали стеклянную пластинку. Сульфид олова всплывал вверх к стеклу и, охлаждаясь, медленно кристаллизовался на нём. Исследователи выяснили, что на росте кристаллов сульфида олова положительно сказывается добавление галогенидов в состав флюса. Выращенные с такой добавкой кристаллы были больше и толще, по сравнению с чистым сульфидом олова и ранними работами.

Элементный анализ установил, что полученные авторами содержания хлора в образцах составляли 0.40 атомных процентах, и 0.24 в случае замещения на бром. Электрические измерения, в том числе измерения коэффициента Холла подтвердили, что полученные кристаллы обладают электронной проводимостью, то есть являются полупроводниками n-типа.

Сами авторы отмечают, что получение больших кристаллов n-SnS открывает пути для разработки высокоэффективных солнечных батарей на основе p-n перехода сульфида олова.

Автор: Максим Мазурин
Редактор: Анастасия Воротникова

Понравился наш материал? Подписывайся на «Популярный университет» в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Поделиться

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: