Введение
Использованию солнечной энергии уделяется огромное внимание в последние годы. Перспективно ее прямое преобразование в электрическую, что осуществляется с помощью ФЭП различного типа. ФЭП – важнейший источник электроэнергии, и в наземных солнечных электростанциях, и в космических аппаратах. Их широкое применение, однако, ограничивается довольно высокой стоимостью. Для снижения стоимости ФЭП активно исследуется применение пленочных наноструктурированных гетерофазных оксидных материалов. Перспективными фотовольтанческими средами для создания ФЭП являются пленочные системы на основе оксидных композиций сегнетоэлектрополупроводников и оксидных гетероструктуры.
Такими средами являются, к примеру, гетерофазные оксидные системы Pb(Zr,Ti)O3/PbO и гетероструктуры CuO/ZnO. В первой реализуется фотовольтаический эффект за счет сегнетоэлектрической поляризации, разделяющей фотогенерированные носители в PbO фазе, во второй работает гетероконтакт, создающий область объемного заряда в слое оксида меди.
Для создания конкурентноспособных ФЭП на основе пленочных наноструктурированных гетерофазных оксидных материалов необходимо проводить тщательный контроль электрофизических параметров и фазового состава при их получении; исследовать механизмы формирования, процессы переноса, образование областей объемного заряда в этих системах.
Оптические, фотоэлектрические свойства полупроводников близи края фундаментального спектра поглощения
Для дальнейшего рассмотрения пленочных наноструктурированных гетерофазных оксидных материалов на примере Cu2O необходимо для начала рассмотреть общее представление взаимодействия света с полупроводником. Рассмотреть за счет каких взаимодействий света с кристаллической решеткой полупроводника формируется фундаментальный спектр поглощения. Какие особенности этот спектр имеет представлено схематически на рис1.
Рис1. Схема поглощения света в полупроводниках.
Проблему пропускания (поглощения) света будем рассматривать в двух аспектах: феноменологическом и микроскопическом (квантово-механическом). Сначала рассмотрим феноменологический аспект.
Свет, попадая в твердое тело, вступает с ним во взаимодействие, связанное с обменом энергией. Обозначим через J интенсивность света, т.е. количество световой энергии, проходящей в единицу времени через нормальное единичное сечение. На границе вакуум - твердое тело свет отражается. Коэффициент отражения R определяет долю энергии, которая отражается на границе тела:
Зависимость коэффициента отражения от частоты R(ω) или длины волны R(λ) называется спектром отражения. Интенсивность, попавшая на твердое тело, ослабляется им в соответствии с законом Бугера-Ламбера:
где x- расстояние от границы тела до данной точки вдоль луча, α называется коэффициентом поглощения, обратная к нему величина α-1 численно равна толщине слоя, по прохождении через который интенсивность света уменьшается в e раз. Зависимость коэффициента поглощения от частоты α (ω) или длины волны α (λ) называется спектром поглощения тела.
Закон Бугера-Ламбера может быть получен на основе самых общих физических принципов. Рассмотрим слой вещества (x, x+dx), через который проходит свет. Количество поглощенной энергии в слое толщиной dx должно быть пропорционально толщине слоя dx и количеству падающей на слой световой энергии J(x). Если обозначить коэффициент пропорциональности между поглощенной энергией и падающей через α, то можно записать
.
Поскольку взаимодействие света с телом приводит к ослаблению интенсивности света, то перед dJ стоит знак минус (dJ<0). Таким образом, коэффициент α показывает, на сколько ослабилась энергия из пучка единичной интенсивности в слое единичной толщины. Уравнение легко интегрируется:
.
Величине α можно придать более наглядный смысл. С этой целью выразим интенсивность J через число фотонов объема пучка через q1, то за единицу времени через единичную площадку пройдет q1с фотонов, которые несут энергию q1сћω=qћω, где q= q1с есть поток фотонов, следовательно,
.
Ослабление интенсивности J с точки зрения потока фотонов означает, что число фотонов в пучке уменьшается. Ослабление пучка света может быть связано с рассеянием фотонов или их поглощением. Обозначим вероятность поглощения однофотонного потока на одном поглощающем центре через σ, число поглощающих центров в единице объема через N. В слое изменение поглощенных фотонах в единицу времени будет равно
.
Интегрируя уравнение, получим
Умножая равенство на энергию фотона ћω:
Мы видим, что соотношение представляет собой закон Бургера-Ламберта, причем коэффициент поглощения связан с концентрацией поглощающих центров и эффективным сечением поглощения одного фотона в единицу времени:
α = σN
Если взять величину (σN)-1, то ее можно назвать средней длиной свободного пробега lфот фотона в поглощающей среде:
lфот=(σN)-1= α-1.
Величина α – коэффициент поглощения – есть вероятность поглощения фотона на единице длины. Эффективное сечение σ зависит от энергии фотона и природы поглощающих центров. Если в полупроводнике имеются поглощающие центры Ni различной природы, характеризующиеся своими эффективным сечением σi(ω), то
αi= σi(ω)Ni.
Полный коэффициент поглощения α есть сумма парциальных коэффициентов поглощения (вероятность независимых процессов складывается):
.
Таким образом, полный спектр поглощения складывается из спектров поглощения различных поглощающих центров.
Основными видами поглощения называют:
1. Собственное, или фундаментальное, поглощение света приводит к переходу электрона из валентной зоны в зону проводимости. Свободное поглощение возможно при условии, что ћω ≥ E0. Она наблюдается в видимой и ближней инфракрасной областях в зависимости от ширины запрещенной зоны.
2. Примесное поглощение вызвано ионизацией атомов примеси, т.е. или переходом электронов от атома примеси в зону проводимости, или из валентной зоны на уровни примеси.
3. Поглощение свободными носителями заряда обусловлено их движением под действием электрических полей световой волны. На ускорение свободных носителей заряда волны отдает часть своей энергии, что приводит к ослаблению волны.
4. Световая волна вступает во взаимодействие с колебаниями решётки, изменяя число оптических фотонов. Это поглощение носит название поглощения колебаниями решётки, или решеточным поглощением.
5. Если происходит образование связанной пары электрон – дырка, то такое поглощение называется экситонным.
6. Внутризонное поглощение наблюдается в веществах, имеющих сложную структуру зон, подобно валентной зоне германия и кремния.
7. Поглощение света совокупностью свободных электронов и дырок называется плазменным поглощением.
Получить зависимость коэффициента поглощения от частоты можно только в рамках квантово-механического рассмотрения. Основной принцип поглощения заключается во взаимодействии тела с электрической составляющей поля электромагнитной волны.