Тонкі плівки Zn2SnO4 для фотовольтаїки: структурна оптимізація та аналіз перенесення заряду
Анотація
У цьому дослідженні синтезовано та охарактеризовано тонкі плівки (Zn,Sn)O для потенційного використання як буферних шарів у фотовольтаїчних пристроях. Плівки були осаджені методом термічного випаровування у високовакуумній камері, а потім піддані контрольованому процесу окислення в атмосфері чистого кисню для утворення ZnO-оксидного шару. Післяосадочний відпал проводився при різних температурах (400°C–550°C) для покращення кристалічності та фазового складу. Аналіз рентгенівської дифракції (XRD) підтвердив формування високо-кристалічної фази Zn2SnO4, при цьому оптимальна структура була досягнута при 550°C. Оптична характеристика виявила температурно-залежне звуження забороненої зони, що суттєво вплинуло на спектри пропускання та відбивання. Електричні властивості оцінювали за допомогою вимірювань ефекту Холла та струм-напругових (I-V) характеристик, які показали збільшення рухливості носіїв заряду та електропровідності при підвищених температурах відпалу. Механізм перенесення заряду в гетероструктурах Ni-(Zn,Sn)O-pSi-Ni був проаналізований за допомогою моделі струму, обмеженого просторовим зарядом (SCLC), що виявило домінуючі процеси інжекції носіїв заряду. Отримані результати демонструють, що тонкі плівки (Zn,Sn)O мають відмінні оптоелектронні властивості, що робить їх перспективними кандидатами для фотовольтаїчних та оптоелектронних застосувань.
Завантаження
Посилання
M.K. Pham, P.H. Dang, and T.V. Huynh, “Studying the structural, optical, and electrical characteristics of Zn2SnO4 films using a direct current magnetron sputtering method,” Ceramics International, 50(4), 6824-6835 (2023). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.12.026
N.M. Martin, T. Törndahl, M. Babucci, F. Larsson, K.A. Simonov, D. Gajdek, L.R. Merte, et al., “Atomic Layer Grown Zinc Tin Oxide as an Alternative Buffer Layer for Cu2ZnSnS4-Based Thin Film Solar Cells: Influence of Absorber Surface Treatment on Buffer Layer Growth,” ACS Applied Energy Materials, 5(11), 13971–13980 (2022). https://doi.org/10.1021/acsaem.2c02579
E. Gnenna, N. Khemiri, and M. Kanzari, “Development and characterization of (Zn,Sn)O thin films for photovoltaic application as buffer layers,” SN Appl. Sci. 2(2), 1–9 (2020). https://doi.org/10.1007/S42452-020-1971-5
Z.X. Mirzajonov, K.A. Sulaymonov, T.I. Rakhmonov, F.T. Yusupov, D.Sh. Khidirov, and J.S. Rakhimjonov, “Advancements in Zinc Oxide (ZnO) thin films for photonic and optoelectronic applications: a focus on doping and annealing processes,” E3S Web of Conferences, 549, 03013 (2024). https://doi.org/10.1051/e3sconf/202454903013
N.A. Sultanov, Z.X. Mirzajonov, F.T. Yusupov, and T.I. Rakhmonov, “Nanocrystalline ZnO Films on Various Substrates: A Study on Their Structural, Optical, and Electrical Characteristics,” East European Journal of Physics, (2), 309-314 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-2-35
F.T. Yusupov, T.I. Rakhmonov, M.F. Akhmadjonov, M.M. Madrahimov, and S.S. Abdullayev, “Enhancing ZnO/Si Heterojunction Solar Cells: A Combined Experimental and Simulation Approach,” East European Journal of Physics, (3), 425 434 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-3-51
N.E. Sung, H.K. Lee, K.H. Chae, J.P. Singh, and I.J. Lee, “Correlation of oxygen vacancies to various properties of amorphous zinc tin oxide films,” J. Appl. Phys. 122, 085304 (2017). https://doi.org/10.1063/1.5000138
Shajan, Nirmal and Dhanasingh, Bharathi Mohan, “RF magnetron sputtering of Zn2SnO4 thin films: optimising microstructure, optical and electrical properties for photovoltaics,” Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 35, 882 (2024). https://doi.org/10.1007/s10854-024-12648-8
V.V. Ganbavle, M.A. Patil, H.P. Deshmukh, and K.Y. Rajpure, “Development of Zn2SnO4 thin films deposited by spray pyrolysis method and their utility for NO2 gas sensors at moderate operating temperature,” J. Anal. Appl. Pyrolysis, 107, 233 241 (2014). https://doi.org/10.1016/j.jaap.2014.03.006
B. Zaidi, N. Houaidji, A. Khadraoui, S. Gagui, C. Shekhar, Y. Özen, K. Kamli, et al., “Structural, Optical and Electrical Properties of ZnxSn1-xS Thin Films Deposited by Chemical Spray Pyrolysis,” Journal of Nano Research, 61, 72–77 (2020). https://doi.org/10.4028/WWW.SCIENTIFIC.NET/JNANOR.61.72
X. Li, Z. Su, S. Venkataraj, S.K. Batabyal, and L.H. Wong, “8.6% Efficiency CZTSSe solar cell with atomic layer deposited Zn–Sn–O buffer layer,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 157, 101–107 (2016). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2016.05.032
M.K. Jayaraj, K.J. Saji, K. Nomura, T. Kamiya, and H. Hosono, “Optical and electrical properties of amorphous zinc tin oxide thin films examined for thin film transistor application,” J. Vac. Sci. Technol. B, 26, 495 (2008). https://doi.org/10.1116/1.2839860
R. Ramarajan, M. Kovendhan, D.T. Phan, K. Thangaraju, R.R. Babu, K.J. Jeon, and D.P. Joseph, “Optimization of Zn2SnO4 thin film by post oxidation of thermally evaporated alternate Sn and Zn metallic multi-layers,” Appl. Surf. Sci. 449, 68-76 (2018). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.01.029
M.S. Abd Aziz, M.S. Salleh, G. Krishnan, N. Mufti, M.F. Bin Omar, and S.W. Harun, “Structural, Morphological and Optical Properties of Zinc Oxide Nanorods prepared by ZnO seed layer Annealed at Different Oxidation Temperature,” Malaysian Journal of Fundamental and Applied Sciences, 18(3), 383–392 (2022). https://doi.org/10.11113/mjfas.v18n3.2538
S.W. Chang, K. Ishikawa, and M. Sugiyama, “RF magnetron sputtering deposition of amorphous Zn–Sn–O thin films as a buffer layer for CIS solar cells,” Phys Status Solidi C, 12, 688–691 (2015). https://doi.org/10.1002/pssc.201400255
J.Y. Hwang, and S.Y. Lee, “Effect of Annealing Temperature on Electrical Properties and Stability of Si–Zn–Sn–O Thin Film Transistors Under Temperature Stress,” Transactions on Electrical and Electronic Materials, 19(1), 15–19 (2018). https://doi.org/10.1007/S42341-018-0011-2
R. Acharya, Y.Q. Zhang, and X.A. Cao, “Characterization of zinc–tin–oxide films deposited by thermal co-evaporation,” Thin Solid Films, 520, 6130–6133 (2012). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2012.05.087
K. Ellmer, “Hall Effect and Conductivity Measurements in Semiconductor Crystals and Thin Films,” in: Characterization of Materials, (2012), pp. 1–16. https://doi.org/10.1002/0471266965.COM035.PUB2
A. Treglia, F. Ambrosio, S. Martani, G. Folpini, A.J. Barker, M.D. Albaqami, F. De Angelis, et al., “Effect of electronic doping and traps on carrier dynamics in tin halide perovskites,” Materials Horizons, 9(6), 1763–1773 (2022). https://doi.org/10.1039/d2mh00008c
D. Rode, and J. Cetnar, “Electron mobility of heavily doped semiconductors including multiple scattering by ionized impurities,” Journal of Applied Physics, 134, 075701 (2023). https://doi.org/10.1063/5.0165201
N. Sultanov, Z. Mirzajonov, and F. Yusupov, “Technology of production and photoelectric characteristics of AlB 10 heterojunctions based on silicon,” E3S Web of Conferences, 458, 01013 (2023). https://doi.org/10.1051/e3sconf/202345801013
J.H. Lee, B.H. Lee, J. Kang, M.S. Diware, K. Jeon, C. Jeong, S.Y. Lee, and K.H. Kim, “Characteristics and Electronic Band Alignment of a Transparent p-CuI/n-SiZnSnO Heterojunction Diode with a High Rectification Ratio,” Nanomaterials, 11(5), 1237 (2021). https://doi.org/10.3390/NANO11051237
Авторське право (c) 2025 Фахріддін Т. Юсупов, Тохірбек І. Рахмонов, Дадахон Ш. Хідіров, Шахноза Ш. Ахмаджонова, Жавохірбек А. Ахмадалієв
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
