ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Исследования кристаллической структуры и микроструктуры

Методы рентгенографии [33—37] относятся к наиболее точ­ным методам исследования кристаллической структуры твердых гел, не требующим, как правило, тщательной подготовки об­разца, и, что особенно важно, являются неразрушающими. Тон­кие поверхностные пленки толщиной до 100 нм могут изучаться с применением электронографии [38—40], однако процесс под­готовки образца оказывается довольно сложным, так как пленку необходимо отделить от подложки и укрепить на сетчатом дер­жателе электронного микроскопа. Для исследования более тол­стых пленок можно использовать дифракцию электронов высо­ких энергий. Анализ дифракционных картин, получаемых этими методами, и их сравнение со стандартными данными ASTM (Американского общества по испытанию материалов) позво­ляют выявить различные кристаллические фазы в пленке, их относительное содержание, параметры кристаллической решетки и преимущественную ориентацию. По ширине дифракционных полос можно определить средний размер зерен в пленке [33]. Относительно новый метод исследования кристаллической структуры с пространственным разрешением около 1 мкм, ос­нованный на анализе процесса каналирования электронов [41], требует использования растрового электронного микроскопа. Общую картину кристаллической структуры можно получить путем изменения направления падения электронного луча для фиксированной точки на поверхности образца. Просвечиваю­щий растровый электронный микроскоп позволяет изучать обла­сти структуры размером 5. ..10 нм.

Исследование микроструктуры

Для изучения морфологии и структуры фотоэлектрических приборов наряду с простыми методами оптической микроско­пии— наблюдения в отраженном и проходящем свете — могут применяться методы интерференционного и фазового контраста [42, 43]. Метод сканирования поверхности солнечного элемента световым пятном можно использовать для исследования эле­мента непосредственно в рабочем режиме. Однако все оптиче­ские методы имеют невысокий предел разрешения, ограничен­ный несколькими десятыми долями микрометра.

Существует довольно много электронно-лучевых методов, обеспечивающих повышенную разрешающую способность. Наи­более высокой информативностью обладает метод растровой электронной микроскопии. Его достоинствами являются обес­печение большого расстояния между системой магнитных линз и поверхностью образца, что удобно для работы оператора, и возможность непосредственного изучения практически любой свободной поверхности. Растровые электронные микроскопы мо­гут работать в нескольких режимах [38]. Чаще всего исследу­ется изображение, формируемое с помощью вторичных электро­нов; при этом обеспечиваются предел разрешения менее 10 нм, практически неограниченная глубина проникновения поля и вы­сокий контраст изображения основных составляющих солнеч­ного элемента [44—47]. При использовании относительно про­стого дополнительного оборудования можно регистрировать от­раженные электроны и катодолюминесценцию, что позволяет изучать изменение состава и обеспечивает более контрастное изображение различных фаз. Картина распределения тока, воз­буждаемого электронным лучом [45], а также изображение, по­лучаемое методом вольтова контраста [48], дают наглядное пред­ставление об электронных процессах в приборе. Возможные виды информации, получаемой при различных режимах работы растрового электронного микроскопа, представлены в табл. 1.1.

Просвечивающие электронные микроскопы обладают более высокой разрешающей способностью по сравнению с растро­выми микроскопами. Однако при использовании просвечиваю­щих электронных микроскопов необходимо подготовить образцы толщиной менее 100 нм. В том случае, когда исследуемый эле­мент имеет многослойную структуру, приготовление образца представляет собой довольно сложную проблему; однако если это препятствие преодолено, то детали структуры образца можно изучать с разрешением, достигающим атомных размеров. В по­следние годы разработаны оригинальные методы приготовления образцов, которые позволяют исследовать морфологию и де­фекты структуры на границе раздела двух слоев и в активной области элемента. При рассмотрении соответствующих методов получения образца для иллюстрации будут приведены примеры, связанные с изучением тонкопленочных солнечных элементов с гетеропереходом Cu₂S — CdS.

При исследовании морфологии границы раздела Cu₂S — CdS слой сульфида меди можно удалить травлением в растворе KCN, а затем с помощью вторичных электронов получить изоб­ражение обычно закрытой поверхности слоя сульфида кадмия, показанное на рис. 1.9, а.

Пленку Cu₂S можно получить, отделяя ее от подложки из CdS [49] путем медленного удаления CdS с помощью химиче­ского травителя, в состав которого входят, например, одна часть

концентрированной НС1 и две части Н₂0. Соляная кислота в первую очередь разрушает слой CdS на границе с подложкой и за­тем постепенно растворяет его полностью, а свободная пленка Cu₂S остается на поверхности раствора. От­деленную пленку Cu₂S ук­репляют на сетчатой под­ложке, промывают, сушат, а затем изучают в просве­чивающем или растровом электронных микроскопах. Приготовленные таким способом образцы Cu₂S можно также исследовать на оптическую прозрач­ность. Изображение сво­бодной пленки Cu₂S, полу­ченное с помощью растро­вого электронного микро­скопа, приведено на рис. 1.9, б.

Еще один способ приго­товления образцов [49] со­стоит в том, что тонкопле­ночный элемент Cu₂S—CdS с помощью компаунда при­клеивают к стеклянной пластине поверхностью Cu₂S вниз. Подложку, в не­которых случаях вместе с прилегающей к ней ча­стью пленки CdS, осто­рожно отслаивают. Неот- делившуюся часть пленки CdS затем растворяют

Рис. 1.9. Микроснимки, получен­ные с помощью растрового элект­ронного микроскопа; а) поверх­ность раздела Cu₂S—CdS после удаления Cu₂S травлением в KCN;

б)   свободная пленка Cu₂S, отде­ленная от элемента Cu₂S — CdS;'

в)   поперечное сечение пленки Cu₂S.

в НС1, в результате чего остается пленка Cu₂S, приклеенная к стеклянной пластине. Полученную пленку Cu₂S можно иссле­довать с помощью растрового электронного микроскопа.

Для изучения поперечного сечения перехода Cu₂S — CdS элемент предварительно покрывают слоем компаунда или поли­эфирной смолой, после чего делается поперечный разрез. Для того чтобы устранить поврежденный слой в области'разреза, об­разцы шлифуют и полируют. Затем свободную поверхность CdS травят в растворе 1 ч. НС1 — 2 ч. Н₂0, удаляя при этом с по­лированной поверхности CdS слой толщиной несколько микро­метров, что позволяет добиться более четкого изображения слоя Cu₂S и области перехода при исследовании в растровом элект­ронном микроскопе. Микроснимок этого образца, полученный с помощью вторичных электронов, представлен на рис. 1.9, в.

Поскольку в обычных тонкопленочных элементах на основе Cu₂S — CdS толщина слоя Cu₂S мала (~200 нм), для увели­чения эффективной толщины слоя при наблюдении в микроскоп в некоторых случаях создают косой шлиф под очень малым уг­лом к переходу Cu₂S — CdS. У образцов с косым шлифом струк­тура перехода исследовалась с помощью растрового электрон-

ного микроскопа методом вольтова контраста [48] и при воз­буждении катодолюминесценции [47]. Следует также упомянуть работу Тичмарша и др. [50], которые для получения поперечных сечений нескольких многослойных гетероструктур впервые при­менили метод утонынения образцов с помощью разбрызгивае­мого химического реактива и при использовании растрового электронного микроскопа получили микроснимки дефектов на различных границах раздела.

И наконец, необходимо отметить, что наиболее важные до­стоинства просвечивающего растрового электронного микро­скопа, в котором сочетаются особенности как просвечивающего, так и растрового микроскопов, заключаются в возможности его использования в режимах пропускания и сканирования, а также в более высокой по сравнению с растровым электронным микро­скопом разрешающей способности при исследовании поверхно­сти и в возможности получения электронограмм и проведения анализа химического состава областей малого размера (5.. .10 нм).