Исследование свойств оксидных полупроводников и разработка эффективных неорганических солнечных элементов на их основе

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-00827

НазваниеИсследование свойств оксидных полупроводников и разработка эффективных неорганических солнечных элементов на их основе

Руководитель Саенко Александр Викторович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" , Ростовская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-402 - Гидроэнергетика, новые и возобновляемые источники энергии

Ключевые слова Солнечный элемент, оксидные полупроводники, наноразмерные пленки, гетероструктура, магнетронное распыление, численное моделирование, вольт-амперные характеристики, электрофизические свойства, атомно-силовая микроскопия

Код ГРНТИ44.41.35, 47.09.29, 47.13.07

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время активно ведутся исследования в области поиска недорогих материалов, простых технологий, более тонких и эффективных структур для применения в солнечных элементах. Для солнечных элементов полупроводниковые материалы в первую очередь выбираются на основе их ширины запрещенной зоны, оптических свойств и диффузионной длины носителей заряда. Оксидные полупроводники представляют группу новых недорогих материалов с большим потенциалом для данного применения. Слои оксидных полупроводников обычно имеют толщину от нескольких десятков нанометров до несколько микрометров, что намного тоньше, чем кристаллические пластины кремния толщиной в несколько сотен микрометров. Кроме того, оксидные полупроводники являются химически стабильными и безопасными для окружающей среды материалами, которые могут наноситься при комнатной температуре методом магнетронного распыления на различные подложки, включая гибкие. Оксидные полупроводники широко используются в солнечных элементах нового поколения в качестве прозрачных проводящих фронтальных электродов (ITO, AZO) и электронных (TiO2, ZnO, Ga2O3) или дырочных (Cu2O, CuO, NiO) проводящих слоев. Кроме того, оксидные полупроводники p-типа, такие как Cu2O и CuO, имеют большие перспективы применения в качестве фотоактивного слоя солнечного элемента из-за ширины запрещенной зоны в диапазоне от 1,4 до 2,17 эВ и относительно высоких коэффициентов поглощения солнечного света. Гетеропереходы на основе оксидных полупроводников, так называемые полностью оксидные солнечные элементы, в последнее время привлекают значительное внимание благодаря использованию недорогих полупроводниковых материалов и простых технологий производства. Проект направлен на создание неорганических солнечных элементов на основе гетероструктур оксидных полупроводников n- (TiO2, ZnO, Ga2O3) и p-типа (Cu2O, CuO, NiO) на стеклянной и гибкой (полиэтилентерефталат) подложках с помощью методов магнетронного распыления. Актуальным является исследование электрофизических, структурных и оптических свойств пленок оксидных полупроводников от условий их формирования методом магнетронного распыления. В проекте будут определены оптимальные режимы формирования оксидных полупроводников для создания гетероструктур с заданными свойствами. Главной целью проекта является создание эффективных гетероструктур солнечных элементов и оптимизация их фотоэлектрических параметров за счет формирования стабильных оксидных плёнок с высокими подвижностями носителей заряда и оптическими характеристиками для применения в качестве фотоактивных и прозрачных оконных слоев. Использование вышеперечисленных оксидных полупроводников позволит значительно снизить стоимость и повысить стабильность как самих оксидных солнечных элементов, так и устройств на их основе. Актуальность решения научной проблемы определяется ее направленностью на исследование и оптимизацию гетероструктур оксидных солнечных элементов, что относится к приоритетному направлению «Энергоэффективность и энергосбережение» (перспективные преобразователи солнечной энергии в электрическую) согласно «Прогнозу научно-технологического развития Российской Федерации на период до 2030 года» (Минобрнауки РФ, 2013 г.).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Саенко А.В., Билык Г.Е., Малюков С.П. Моделирование оксидного солнечного элемента на основе гетероперехода ZnO/Cu2O Прикладная физика / Applied Physics, № 4, с. 66-77 (год публикации - 2023)
10.51368/1996-0948-2023-4-66-77

2. Саенко А.В., Вакулов З.Е., Климин В.С., Билык Г.Е., Малюков С.П. Effect of Magnetron Sputtering Power on ITO Film Deposition at Room Temperature Russian Microelectronics / Микроэлектроника, Vol. 52, № 4, pp. 297-302. (год публикации - 2023)
10.1134/S1063739723700452

3. Саенко А.В., Жейц В.В., Билык Г.Е., Малюков С.П. Исследование оксидного солнечного элемента на основе Cu2O и TiO2 методом численного моделирования Материалы XXX научной конференции «Современные информационные технологии: тенденции и перспективы развития», Ростов-на-Дону, 13-15 апреля 2023 г., с. 350-352 (год публикации - 2023)

4. Саенко А.В., Жейц В.В., Билык Г.Е. Исследование структурных и электрофизических свойств пленок ITO, полученных методом магнетронного распыления XXX Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных с международным участием «Микроэлектроника и информатика - 2023», Москва, Зеленоград, 20-21 апреля 2023 г., с. 52 (год публикации - 2023)

5. Саенко А.В., Билык Г.Е., Малюков С.П. Investigation of the photoelectric parameters of an oxide solar cell based on a ZnO/Cu2O heterojunction 10th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures (Saint Petersburg OPEN), Санкт-Петербург, 23-26 мая 2023 г., с. 123-124 (год публикации - 2023)

6. Саенко А.В., Жейц В.В., Полупанов Н.В., Смирнов В.А. Investigation of resistive switching of transparent memristor structures based on TiO2 for neuromorphic systems International Conference «Materials Science and Nanotechnology» (MSN-2023), Екатеринбург, 27-30 августа 2023 г., c. 111-112 (год публикации - 2023)

7. Саенко А.В., Полупанов Н.В., Жейц В.В., Билык Г.Е., Смирнов В.А. Investigation of the properties of TiO2 and ZnO thin films deposited by radio-frequency magnetron sputtering 2023 International Conference on «Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications» (PHENMA 2023), Surabaya (Indonesia), 3-8 октября 2023 г., p. 249-250 (год публикации - 2023)

8. Саенко А.В., Жейц В.В., Фильжак В.Н., Полупанов Н.В., Смирнов В.А. Исследование резистивного переключения в прозрачных мемристорных структурах на основе ZnO для нейроморфных систем Объединённая конференция «Электронно-лучевые технологии и рентгеновская оптика в микроэлектронике» (КЭЛТ-23), Черноголовка, 13-16 ноября 2023 г., c. 36-37 (год публикации - 2023)

9. Саенко А.В., Хубежов С.А., Билык Г.Е. Формирование пленок ZnO методом магнетронного распыления при комнатной температуре Всероссийская научная конференция с международным участием «Невская фотоника-2023», Санкт-Петербург, 9-13 октября 2023 г., с. 300 (год публикации - 2023)

10. Саенко А.В., Билык Г.Е., Жейц В.В., Хубежов С.А., Вакулов З.Е., Смирнов В.А. Исследование структурных и оптических свойств пленок ZnO, полученных методом магнетронного распыления при комнатной температуре Оптический журнал / Journal of Optical Technology, Т. 92. № 1. С. 90-99 (год публикации - 2023)
10.17586/1023-5086-2025-92-01-90-99

11. Саенко А.В., Билык Г.Е., Малюков С.П. Research of the photoelectric parameters of ZnO/Cu2O heterojunction solar cells St. Petersburg State Polytechnical University Journal: Physics and Mathematics / Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, Vol. 16, № 3.1, pp. 221-226. (год публикации - 2023)
10.18721/JPM.163.139

12. Саенко А.В., Жейц В.В., Вакулов З.Е., Смирнов В.А. Study of deposition modes of Cu2O films by RF magnetron sputtering for application in solar cell structures Russian Microelectronics / Микроэлектроника (год публикации - 2025)

13. Саенко А.В., Билык Г.Е., Хубежов С.А., Козюменко К.А., Смирнов В.А. Влияние термического отжига на свойства пленок оксида меди, полученных методом ВЧ магнетронного распыления Прикладная физика / Applied Physics (год публикации - 2025)

14. Саенко А.В., Билык Г.Е., Смирнов В.А. Программа расчета электрических характеристик фоточувствительных структур на основе оксидных полупроводников Федеральный институт промышленной собственности, Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024618092 от 09.04.2024 г. (год публикации - 2024)

15. Саенко А.В., Билык Г.Е., Жейц В.В. Development of a device for automated measurement photovoltaic characteristics of solar cells 11th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures (Saint Petersburg OPEN 2024), Санкт-Петербург, 23-26 мая 2024 г., с. 351-352 (год публикации - 2024)

16. Саенко А.В., Жейц В.В., Билык Г.Е., Смирнов В.А. Моделирование фотоэлектрических характеристик солнечных элементов на основе гетероперехода ZnO/CuO Материалы VI международной конференции "Математическое моделирование в материаловедении электронных компонентов" (ММMЭК–2024), Москва, 21-23 октября 2024 г., с. 186-189 (год публикации - 2024)

17. Полякова В.В., Саенко А.В., Коц И.Н., Ковалев А.В. Research on Memristor Effect in Crossbar Architecture for Neuromorphic Artificial Intelligence Systems Russian Microelectronics / Микроэлектроника, Vol. 53, № 1, pp. 85–90 (год публикации - 2024)
10.1134/S1063739723600255

18. Саенко А.В., Билык Г.Е., Жейц В.В. Разработка экспериментального устройства для автоматизированного измерения вольт-амперных характеристик солнечных элементов Прикладная физика / Applied Physics, № 5, с. 79-85 (год публикации - 2024)
10.51368/1996-0948-2024-5-79-85

19. Саенко А.В., Козюменко К.А., Полупанов Н.В., Смирнов В.А. Resistive switching in transparent ITO/ZnO/ITO memristors deposited by magnetron sputtering International Conference «Materials Science and Nanotechnology» (MSN-2024), Екатеринбург, 27-30 августа 2024 г., c. 110-111 (год публикации - 2024)

20. Саенко А.В., Жейц В.В., Полупанов Н.В., Смирнов В.А. Effect of ion treatment on the surface roughness of ZnO and Cu2O films deposited by RF magnetron sputtering 2024 International Conference on «Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications» (PHENMA 2024), Indore (India), 6-11 ноября 2024 г., p. 283-284 (год публикации - 2024)

21. Саенко А.В., Билык Г.Е., Жейц В.В., Малюков С.П. Численное моделирование оксидного солнечного элемента со структурой Ga2O3/Cu2O Материалы XXXI научной конференции «Современные информационные технологии: тенденции и перспективы развития», Ростов-на-Дону, 18-20 апреля 2024 г., с. 389-391 (год публикации - 2024)

22. Саенко А.В., Билык Г.Е., Смирнов В.А. Study of the Photovoltaic Parameters of Inorganic Solar Cells Based on Cu2O and CuO Russian Microelectronics / Микроэлектроника, Vol. 53, № 4, pp. 319–328 (год публикации - 2024)
10.1134/S1063739724600407

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе второго года работы проведены экспериментальные исследования влияния режимов магнетронного распыления на структурные и оптические свойства пленок оксидных полупроводников p-типа проводимости (Cu2O, CuO) для применения их в гетероструктурах солнечных элементов на стеклянной и гибкой (полиэтилентерефталат) подложках. Показано, что зависимости скорости осаждения пленок Cu2O и CuO от мощности ВЧ магнетронного распыления при комнатной температуре в бескислородной среде имеет практически линейный характер и незначительно возрастает при увеличении давления аргона в камере. Получено, что все пленки Cu2O имеют преимущественно нанокристаллическую структуру, состоящую из столбчатых зерен, средний размер которых возрастает от 10 до 30 нм при увеличении мощности распыления от 25 до 100 Вт и давления аргона в камере от 3·10^-3 до 7·10^-3 мбар. Пленки Cu2O имеют относительно гладкую поверхность со средней шероховатостью в диапазоне от 4,5 до 5,9 нм при мощности распыления от 25 до 100 Вт. Таким образом, для осаждения пленок Cu2O с наибольшим размером зерен и низкой шероховатостью поверхности оптимальной является мощность ВЧ магнетронного распыления 75 Вт и давление в камере 5·10^-3 мбар. Показано, что при данном режиме ВЧ магнетронного распыления пленка Cu2O имеет два основных дифракционных пика на значениях угла 36,6º и 42,4º, которым соответствуют ориентации кристаллических плоскостей (111) и (200) для кубической фазы Cu2O. Получено, что пленка Cu2O имеет высокое оптическое поглощение до порядка 550-600 нм, а также ширину запрещенной зоны 2,18 эВ, концентрацию и подвижность носителей заряда 2,4·10^15 см-3 и 6,93 см2/В·с соответственно. Получено, что все пленки CuO также имеют нанокристаллическую структуру с возрастающим размером зерен от 15 до 40 нм и шероховатостью от 3,8 до 10,3 нм при увеличении мощности распыления от 25 до 100 Вт. Также исследовано влияние температуры отжига в муфельной печи на воздухе после осаждения на морфологию поверхности, структурные и оптические свойства пленок оксида меди. Анализ РФЭС спектров показал, что пленки, полученные без термического отжига, состоят из кристаллической фазой Cu2O, которая полностью переходят в фазу CuO после отжига при температуре 500 оС. Кроме того, установлено, что ширина запрещенной зоны осажденной пленки без термического отжига составляет 2,18 эВ и уменьшается до 1,63 эВ после отжига при температуре 500 оС. Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологических процессов создания солнечных элементов на основе оксидов меди. Проведена разработка автоматизированного измерительного стенда на основе емкостного метода для исследования фотоэлектрических параметров макетов солнечных элементов. Основное преимущество данного метода заключается в быстроте измерения вольт-амперной характеристики солнечного элемента, что позволяет повысить точность и равномерность измеряемых фотоэлектрических параметров за счет снижения негативных внешних воздействий во времени, в частности нагрева солнечного элемента и нестабильности источника освещения. На основе проведенных теоретических исследований конструкций солнечных элементов методом численного моделирования, а также полученных экспериментальных результатов осаждения пленок оксидных полупроводников и контактов методом ВЧ магнетронного распыления и импульсном режиме со средней частотой 100 кГц при комнатной температуре в бескислородной среде разработана блок-схема технологического маршрута изготовления макетов солнечных элементов на основе оксидных гетеропереходов (ZnO/CuxO, TiO2/CuxO, Ga2O3/CuxO) с топологическими размерами фотоактивной области порядка 1 см2. Также проведены исследования использования ионной обработки в вакууме и термического отжига в муфельной печи пленок для повышения эффективности преобразования солнечной энергии. Проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния режимов формирования, толщин пленок оксидных полупроводников и материалов контактов гетероструктур солнечных элементов на их фотоэлектрические характеристики. Исследовано влияние толщины, концентрации носителей заряда и ширины запрещенной зоны пленок Cu2O и CuO, а также ZnO на фотоэлектрические параметры солнечных элементов на основе гетеропереходов ZnO/Cu2O и ZnO/CuO. Получена максимальная теоретическая эффективность солнечного элемента на основе ZnO/Cu2O равная 10,63 %, которая достигается при ширине запрещенной зоны, толщине и концентрации носителей заряда в Cu2O равной 1,9 эВ, 5 мкм и 10^15 см-3 и ширине запрещенной зоны, толщине и концентрации носителей заряда в ZnO равной 3,4 эВ, 20 нм и 10^19 см-3, а также величине смещения краев зон проводимости 0,8 эВ. Для солнечного элемента на основе ZnO/CuO получена максимальная теоретическая эффективность равная 18,27 % при ширине запрещенной зоны, толщине и концентрации носителей заряда в CuO равной 1,4 эВ, 3 мкм и 10^17 см-3, а также величине смещения краев зон проводимости 0,03 эВ. Изготовлены экспериментальные макеты солнечных элементов с различными гетероструктурами методом магнетронного распыления без и с использованием ионной обработки и термического отжига пленок для повышения эффективности преобразования энергии. Наилучшая измеренная вольт-амперная характеристика без использования ионной обработки и термического отжига пленок была получена для гетероструктуры ITO/ZnO (50 нм)/Cu2O (1300 нм)/Ag на стеклянной подложке. Полученные фотоэлектрические значения плотности тока короткого замыкания и напряжения холостого хода составили 0,116 мА/см2 и 83 мВ соответственно. Аналогичная гетероструктура на гибкой подложке показала несколько меньшие значения плотности тока короткого замыкания и напряжения холостого хода, которые составили 0,081 мА/см2 и 52 мВ соответственно. Использование ионной обработки пленок ZnO и Cu2O позволило получить значения плотности тока короткого замыкания и напряжения холостого хода 0,147 мА/см2 и 85 мВ соответственно, а использование термического отжиг при 500 оС с последующей ионной обработкой показали наибольшие значения равные 0,243 мА/см2 и 132 мВ. Полученные результаты могут быть использованы при разработке структур и технологических процессов формирования солнечных элементов на стеклянной и гибкой подложках с помощью метода магнетронного распыления. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные проекту: https://link.springer.com/article/10.1134/S1063739724600407 https://applphys.orion-ir.ru/appl-24/24-5/PF-24-5-079_RU.pdf https://link.springer.com/article/10.1134/S1063739723600255 https://inftech.uginfo.sfedu.ru/sites/default/files/SITO_2024_0.pdf https://spb.hse.ru/mirror/pubs/share/934589000 https://nanocenter.urfu.ru/sites/default/files/MSN-2024_Abstract_book.pdf https://phenma2024.sfedu.ru/ https://conference.mmgs.ru/conferences/mmmsec2024/files/icm3sec2024.pdf

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные при реализации данного проекта результаты способствуют приближению фундаментальной науки к практически-ориентированным разработкам. Проект полностью соответствует Стратегии научно-технического развития Российской Федерации «Н2. Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников энергии, способов ее передачи и хранения» и позволяет получить научные и научно-технические результаты в области технологии создания солнечных элементов методом магнетронного распыления, что может стать частью инновационного развития внутреннего рынка продуктов и услуг.