В настоящее время, энергичной проблемой является глобальная проблема. Поэтому задача, которая стоит перед людьми, это поиск новых экологически чистых источников энергий в качестве традиционных топлив. Среди наиболее перспективных источников экологически чистой энергии важное место занимают фотоэлектрические полупроводниковые преобразователи (ФЭПП) солнечной энергии. Достоинством этих устройств является безотходность технологии преобразования энергии и относительно простая конструкция, что позволяет использовать их в самых различных климатических условиях, включая работу на космических аппаратах. К недостаткам ФЭПП, следует отнести низкие значения коэффициента полезного действия и высокую стоимость получаемой энергии.
Выходом из сложившийся ситуации является применение новых полупроводниковых материалов в качестве поглощающего слоя. В ряде исследований [1, 2] было установлено, что Cu2SnS3 является хорошим кандидатом на использование в качестве р – полупроводникового поглощающего свет слоя.
В настоящей работе описана технология получения и приведены результаты исследования температурных зависимостей электропроводности поликристаллических образцов Cu2SnS3.
Эксперимент
Синтез Cu2SnS3 был осуществлён методом пиролитического разложения стехиометрической смеси солей CuCl2∙H2O (0,0855 г), SuCl2∙H2O (2,26 г), SC(NH2)2 (2,28 г) путём растворения их в 50 %-м этиловом спирте при интенсивном перемешивании до однородного раствора. Полученный раствор подвергался сушке при температуре 75 °С в течение двух суток. Для гомогенизации, сухой порошок был измельчён в ступке. Затем полученный порошок отжигали в вакуумной печи при 400 °С в течение получаса.
Был проведен рентгенофазовый анализ образца на диффрактометре Rigaku IV на порошке, съёмка θ –2θ, в диапазоне углов 10-100 град., шаг 0,04 град., скорость 2 град./мин., фильтр Ni (Kβ), Cu Kα λ = 1,54056 Å, без монохроматора, в геометрии Брен-Брентано. Полученная порошковая диффрактограмма приведена на рис. 1.
Электропроводность была исследована на прессованных поликристаллических образцах в форме прямоугольного параллелепипеда 2,66×8×1,3 мм. Измерения были проведены четырёхзондовым методом, в диапазоне температур от 10 до 320 К.
а 
б
Рис. 1. Спектр порошковой дифракции образца Cu2SnS3:а – рентгеновский спектр Cu2SnS3 в работе [3]; в – рентгеновский спектр синтезированного материала Cu2SnS3
Результаты эксперимента и обсуждение
При сравнении графиков представленных на рис. 1 мы видим, что положение основных пиков зависимости полученной в работе [3] (см. рис. 1(а)) и полученной нами (см. рис. 1(в)) полностью совпадают. Этот факт подтверждает факт синтеза Cu2SnS3 методом пиролитического разложения стехиометрической смеси хлоридов компонентов и тиомочевины.
Результаты исследования зависимости удельного сопротивления от температуры образца поликристаллического Cu2SnS3представлены в рис. 2.
Рис. 2. Зависимость удельного сопротивления образца Cu2SnS3от температуры в диапазоне 10–320 K
Как видно из рис. 2 в исследованном диапазоне температур можно выделить 2 участка удельной электропроводности. На первом участке в интервале от 10 до 170 K с увеличением температуры удельное сопротивление уменьшается. Такое поведение характерно для примесных полупроводников и связано с активацией примеси. На втором участке, удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры, обычно в полупроводниках этот участок соответствует процессу истощения примеси.
Электропроводность в сильно легированных, неупорядоченных и аморфных полупроводниках часто связана с различными механизмами прыжковой проводимости.
Анализ низко температурного участка, электропроводности полупроводника Cu2SnS3 был сделан в предположении преобладания механизма прыжковой проводимости, то есть механизма проводимости, при котором перенос заряда осуществляется путём квантовых туннельных переходов («прыжков») носителей заряда между различными локализованными состояниями [4].
Зависимость удельного сопротивления полупроводника в области прыжковой проводимости описывается формулой:
(1)
где ApTm постоянный предэкспоненциальный множитель, p и m выбирается в зависимости от типа «прыжков» электрона. Величины p = 1, 2, 4 определяют соответственно прыжковую проводимость через ближайших соседей, прыжковую проводимость с переменной длиной прыжка по Шкловскому-Эфросу, прыжковую проводимость с переменной длиной прыжка по Моту [5, 6].
Для того чтобы определить механизм прыжковой проводимости образца Cu2SnS3 мы линеаризовали зависимость ρ(T) методом выбора соответственных пар p и m. В результате линеаризации, был построен график ln ρ(T–m) от T–1/p[6], и было установлено, что проводимость при низких температур подчиняется механизму прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка по Мотту, что соответствует p = 4 и m = 1/4.
Были получены, некоторые характеристические величины, которые представлены в таблице
Параметры механизма прыжковой проводимости в интервале температур от 10 до 170 K
|
A4 (ΩcmK–1/4) |
Tv (K) |
Tm (K) |
T04 (K) |
W0 (meV) |
|
1,516⋅10-3 |
170 |
40 |
348,608 |
17,56 |
Примечания: где Tv – наибольшая температура, при которой ещё справедлив механизм прыжковой проводимости по Моту;
Tm – наименьшая температура, при которой ещё справедлив механизм прыжковой проводимости по Мотту;
T04 – характеристическая температура прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка по Мотту;
W0 – параметр, определяющий проводимость установлен по формуле:
(2)
где k – постоянная Больцмана.
Заключение
В настоящей работе мы сообщаем о результатах синтеза Cu2SnS3 методом пиролитического разложения стехиометрической смеси хлоридов компонентов и тиомочевины при температуре 400 °С. Успешный синтез подтверждён исследованиями фазовой структуры образца хорошо совпадающими с литературным данными. В результате исследования температурной зависимости удельного сопротивления образца Cu2SnS3 от температуры в диапазоне 10 до 320 K было установлено что, при низких температурах, проводимость определяется механизмом прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка по Мотту (в области температур от 10 до 170 K).
Часть результатов приведенных в настоящей работе была получена в рамках выполнения Государственного задания 2.3309.2011.