Перспективные фотовольтаические среды на основе оксидных гетероструктур

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12/2015 ISSN 2410-6070

УДК 53.06

Н.В. Мухин

к.т.н., ассистент кафедры квантовой электроники и оптико-электронных приборов Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

им. В.И. Ульянова (Ленина) Б.Д. Клименков

студент 2 курса магистратуры факультета электроники Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

им. В.И. Ульянова (Ленина), г. Санкт-Петербург, РФ

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЕ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ ОКСИДНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР

Аннотация

В статье дан обзор возможных применений оксидных гетероструктур в устройствах памяти, солнечных элементах и адаптивных сенсорах. Использовались материалы литературных источников, включая результаты полученные в СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Ключевые слова

Оксидные полупроводники, гетероструктуры, солнечные элементы, память с оптическим

считыванием, адаптивные сенсоры.

Оксидная электроника является активно развивающимся научным направлением. Оксидные полупроводники и гетероструктуры на их основе используются в приборах преобразования солнечной энергии в электричество, таких как солнечные батареи и фотоэлектрические преобразователи. Такое их применение обусловлено неограниченностью запасов солнечной энергии, экологичностью генерации, автономностью. Для повышения эффективности преобразования солнечной энергии необходимо решить ряд фундаментальных и технологических вопросов.

В данной статье мы ограничимся рассмотрением оксидных полупроводников и гетероструктур на их основе, используемых для создания следующих устройств: устройств памяти с оптическим считыванием; солнечных элементов; адаптивных сенсоров. Рассмотрим более подробно каждое из них.

Сегнетоэлектрическая память с неразрушающим оптическим считыванием информации. Память с произвольным доступом на основе сегнетоэлектрических конденсаторов (FRAM) - новое поколение энергонезависимой памяти, которое объединяет высокую скорость записи/чтения данных и низкое энергопотребление. В качестве основных проблем, с которыми сталкиваются сегнетоэлектрические элементы памяти, следует отнести проблему уменьшения величины переключаемого заряда с ростом числа циклов переключения, проблему длительного сохранения текущего состояния, а также проблему униполярности, т.е. разницу в величине переключаемого заряда при различном направлении поляризующего поля [1]. Уменьшить проблему многократного числа циклов переключения можно, предложив способ неразрушающего оптического считывания, при котором нет необходимости заново поляризовать ячейку после считывания информации, а направление тока будет зависеть от направления предварительной поляризации.

В ряде работ, посвященных сегнетоэлектрическим материалам, предлагается считывание, основанное на изменении оптических свойств сегнетоэлектрика: изменение показателей преломления на основе эффектов Поккельса и Керра. В таких устройствах предлагается производить запись путем реориентации спонтанной поляризации во внешнем поле или используя фоторефрактивный эффект, а возникающие при этом изменения оптических параметров можно считывать светом, поляризованным ортогонально по отношению к исходным, записывающим голограмму световым пучкам [2].

В работе [3] предложен способ записи и считывания с помощью лазерного луча. При записи облучение лазерным лучом позволяет снизить значение коэрцитивного поля и использовать меньшее напряжение записи. Считывание производится на основании того, что при нагреве лазерным лучом направление пиротока зависит от направления сегнетоэлектрической поляризации. В таком виде памяти быстродействие зависит от скорости локального нагрева, а плотность записи - от диаметра лазерного луча.

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12/2015 ISSN 2410-6070

Другим вариантом ячейки сегнетоэлектрической памяти с неразрушающим считыванием информации может быть тонкопленочный конденсатор с гетерофазной пленкой ЦТС. Реализация этого технического решения может дать большие преимущества сегнетоэлектрической памяти с неразрушающим считыванием по сравнению с другими конкурирующими видами энергонезависимой памяти.

В работах [4, 5] продемонстрирован метод считывания информации из сегнетоэлектрической ячейки памяти по величине и направлению фототока.

Солнечные элементы. В настоящее время на рынке солнечной энергетики преобладают кремниевые солнечные элементы [6]. Перспективными материалами являются оксиды различных металлов, например Cu2O,CuO, ZnO и др. и гетероструктуры на их основе. В виду того, что эти материалы низкой себестоимости, широко распространены на Земле, обладают шириной запрещенной зоны в диапазоне 1,2 - 2,1 эВ и относительно высоким коэффициентом спектрального поглощения солнечного света.

Возможность использования фотовольтаического эффекта в тонких сегнетоэлектрических пленках для создания солнечных элементов обсуждается в работе [7]. Величина фото-ЭДС в тонких сегнетоэлектрических пленках не ограничена шириной запрещенной зоны, как в случае с полупроводниковыми материалами. В работе [8] авторы исследовали удалось получить фото-ЭДС, равную 7 В, на пленках толщиной 0,42 мкм, заполяризованных параллельно поверхности пленки Однако, при использовании этого способа увеличения фото-ЭДС, при слишком большом расстоянии между электродами становится невозможным качественно заполяризовать сегнетоэлектрическую пленку.

Коэффициент полезного действия сегнетоэлектрических пленок существенно ниже, чем у полупроводниковых материалов, к тому же область собственного поглощения большинства сегнетоэлектриков соответствует ультрафиолетовому диапазону спектра. Однако в работе [9] авторы наблюдали фотовольтаический эффект на тонких пленках BiFeÜ3 в видимом диапазоне. Наблюдаемый фототок определялся направлением сегнетоэлектрической поляризации и был противоположен направлению вектора сегнетоэлектрической поляризации. В работе [10] были предложены методики по улучшению величины фото-ЭДС тонких пленок ЦТС, легированных лантаном.

Сегнетоэлектрические тонкие пленки могут быть использованы также для улучшения уже существующих полупроводниковых солнечных элементов [11]. Следствием введения дополнительного фотопреобразующего слоя является повышение эффективности преобразования солнечного излучения за счет повышения значений встроенных полей, связанных с увеличенными размерами кристаллитов и однородностью стехиометрического состава по толщине фотопреобразующих слоев. В работе [12] описываются методики улучшения характеристик полупроводникового солнечного элемента с канавками для верхнего электрода.

Использование сегнетоэлектрической пленки позволяет избавиться от поверхностной рекомбинации, вызванной большим количеством оборванных связей, за счет создания сильного поля, которое разделяет свободные носители заряда, не давая им рекомбинировать. Использование сегнетоэлектрической пленки у нижнего электрода позволяет избавиться от алюминиевого слоя, который ранее использовался для создания встречно-включенного поля и формирования потенциального барьера для свободных носителей заряда. К недостаткам подобного подхода следует отнести сложный многостадийный процесс формирования необходимой структуры.

Адаптивные сенсоры. Основной задачей приемников оптического сигнала является детектирование сигнала и его трансформация в электрическую форму. Основными требованиями, предъявляемыми к сенсорам оптического излучения, являются: наличие большого отклика на входное воздействие оптического сигнала; низкий уровень собственных шумов; широкая полоса пропускания, согласованная со спектром входного сигнала; линейность характеристик.

Использование сегнетоэлектрических материалов в качестве сенсоров оптического излучения позволяет получить ряд преимуществ по сравнению с полупроводниковыми сенсорами оптического излучения, среди которых наиболее важной является возможность изменения полярности и амплитуды фотоотклика. Данное отличие позволяет использовать датчик на основе сегнетоэлектрической пленки в цепях с различными требованиями к сигналу, выдаваемому датчиком[13].

В настоящее время в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» ведутся активные исследования по применению оксидных гетероструктур. Кроме указанных выше источников [4, 5, 11], можно обратить внимание на работы [14, 15].

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12/2015 ISSN 2410-6070 Список использованной литературы:

1. Ferroelectric memory based on nanostructures / X. Liu, Y. Liu, W. Chen, et al. // Nanoscale research letters, 2012. 7:285.

2. Воротилов К.А., Мухортов В.М., Сигов А.С. Интегрированные сегнетоэлектрические устройства: Монография. / под ред. А.С. Сигова. М.: Энергоатомиздат, 2011. — 175 с.

3. Ferroelectricpolymers : chemistry, physics, and applications / H. Nalwa. — NewYork: M. DekkerInc., 1995. — 912 c.

4. А. Б. Козырев, В. П. Афанасьев и др. Технология, свойства и применение сегнетоэлектрических пленок и структур на их основе. - СПб.: «Элмор», - 2007, 247 стр.

5. Патент РФ на изобретение № 2338284 / Афанасьев П.В., Афанасьев В.П., Грехов И.В., Делимова Л.А., Крамар Г.П., Машовец Д.В., Петров А.А. Сегнетоэлектрический элемент для запоминающего устройства с оптическим считыванием информации. Опубл. 10.11.2008. Классы МПК : G11C, H01G.

6. M. A. Green Thin-film solar cells: review of materials, technologies and commercial status / J Mater Sci: Mater Electron, 18. p.15-19. — 2007.

7. Photovoltaic mechanisms in ferroelectric thin films with the effects of the electrodes and interfaces / M. Qin, K. Yao, Y. C. Liang// Appl. Phys. Lett. 95, c. 022912. — 2009.

8. Large photo-induced voltage in a ferroelectric thin film with in-plane polarization / K. Yao, B.K. Gan, M. Chen, S. Shannigrahi // Appl. Phys. Lett. — Vol. 87, № 21. — c. 212906. —2005.

9. Bulk Photovoltaic Effect at Visible Wavelength in Epitaxial Ferroelectric BiFeÜ3 Thin Films [Текст] / W. Ji, K. Yao, Y.C. Liang // Advanced Materials— Vol. 22, № 15. — c. 1763-1766. — 2010.

10.High efficient photovoltaics in nanoscaled ferroelectric thin films / M. Qin, K. Yao, Y.C. Liang // Applied Physics Letters. — Vol. 93, № 12. — c. 122904. — 2008.

11. Полезная модель № 129708 / Афанасьев П.В., Афанасьев В.П., Солнечный элемент. Опубл. 27.06.2013. Классы МПК: H01L31, B82B1.

12. Solar cell using ferroelectric material^m^ 6639147 B2 / Dong-seop Kim, Ji I., Soo-hongLee.; опубл. 28.10.2003. — 7 с.

13. Optically addressed ferroelectric memory with nondestructive readout / S. Thakoor, A.Thakoor // Applied Optics IP. — Т. 34, № 17. — С. 3136.

14. Афанасьев, В.П. Фотоэлектрические свойства гетерофазных наноструктурированных пленок на основе цирконата-титаната свинца / В.П. Афанасьев, П.В. Афанасьев, А.А. Петров, К.А. Федоров // Приложение к Вестнику РГРТУ №4 (выпуск 30), - с. 87-92. - 2009.

15. Неразрушающее оптическое считывание информации в конденсаторной структуре сегнетоэлектрик-полупроводник / К.А. Федоров, Н.В. Мухин, В.П. Афанасьев // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. Ч. 2. М.: Энергоатомиздат, с. 46-50. - 2010.

© Мухин Н.В., Клименков Б.Д., 2015

УДК 550.832

В.Ф. Назаров

д.т.н., профессор кафедры геофизики Башкирский государственный университет

В.К. Мухутдинов ассистент кафедры геофизики Башкирский государственный университет, г. Уфа, Российская Федерация

КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ И НКТ В НАГНЕТАТЕЛЬНЫХ СКВАЖИНАХ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ КОМПЛЕКСНОЙ АППАРАТУРОЙ

Аннотация

Показано, что большие нарушения герметичности НКТ могут выступать в роли гидропескоструйного перфоратора. В результате нарушается герметичность обсадной колонны в нагнетательной скважине. Для