化学法制备的（p）Si/（n）Bi2S3异质结的温度依赖

主办方：埃及基础科学与应用科学杂志3（2016）314-321完整文章化学法制备的（p）Si/（n）Bi 2S 3异质结的温度依赖的Amir Hussain*高哈蒂大学物理系，Guwahati，Assam 781014，印度A R T I CL EI N F OA B S T R A C T文章历史记录：2015年10月4日收到，2016年6月18日收到修订版2016年6月21日接受2016年7月1日上线关键词：纳米异质结硅串联电阻光伏采用化学浴沉积法在掺硼单晶（p）Si衬底上沉积Ni掺杂Bi 2S 3纳米晶薄膜，形成（p）Si/（n）Bi2S3异质结结构。在300K-340K温度范围内对（p）Si/（n）Bi2S3异质结进行了电学表征，并在300K下测量了频率为1KHz时的电容-电压特性。从I-V特性计算了各种结参数。理想因子被发现是大于单位与高串联电阻。随着温度的升高，理想因数和串联电阻减小，饱和电流密度光照下的（p）Si/（n）Bi 2S 3异质结中存在较高的理想因子和大量的界面态，降低了光伏转换效率。© 2016曼苏拉大学.由Elsevier B. V.制作和托管。这是一个CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1.介绍硫化铋是V-VI族半导体化合物中的一员体相Bi2S3的玻尔激子半径为28.9nm [4]，这意味着在相对大的Bi2S3纳米颗粒上可以观察到显著的量子限制效应。Bi2S3是已知最早表现出光电导特性的材料之一[5]。由于其显著的热电效应，这种材料在热电应用方面也很重要[6]。广泛应用于光电子学、光电化学装置、热电制冷器、电气开关、太阳能选择性涂层和装饰性涂层[5，7]。Bi2S3纳米结构在电化学储氢、氢传感器、X射线计算机断层成像、生物分子检测和光响应材料等方面具有潜在的应用[8]。采用化学沉积[9-16]、真空蒸发[17-20]、阴极电沉积[21]、阳极电沉积[22]、热壁法[23]、溶液-气体界面法[24]、喷雾沉积[7，25 -28]、紫外-可见分光光度法[25]等沉积技术制备Bi2S3薄膜，并对其性能和应用进行了大量的研究跨音速方法[29，30]，微波辐射[31，32]，* 电子邮件地址：hussainmakak@gmail.com。http://dx.doi.org/10.1016/j.ejbas.2016.06.0032314- 808 X/© 2016曼苏拉大学。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirect杂志主页：http://ees.elsevier.com/ejbas/default.asp埃及基础科学与应用科学杂志3（2016）314315水热合成[33-有关制备的文献有限860 nm PbS量子点的效率为1.6%，1300 nm PbS量子点的效率超过1%和Bi2S3异质结的表征。Pineda等人[37]制备的结构为ITO/Bi2S3/P3 OT/Au [（P3 OT）是聚3-辛基噻吩聚合物]的混合太阳能电池。他们研究了太阳能电池的光伏性能，并报告说，使用厚度为50nm的Bi2S3膜的电池具有440 mV的最高开路电压和0.022 mA/cm 2的 短 路 电 流 密 度。最近，Martinez et al.[38]采用Bi2S3、NCs和P3 HT聚（3-己基噻吩）聚合物制备了功率转换效率为1%的混合异质结。Becerra等人[39]已经分析了将p-Si与n-Bi2S3薄膜结合以在（p）Si上使用蒸发的（n）Bi 2 S3形成薄膜太阳能电池的 可 行 性。他们报道了3mA/cm 2的短路电流密度、360 mV的开路电压和0.5%的效率，在合成气体中加热电池后，其分别提高到7.2mA/cm 2、485 mV和1.7%。Moreno-Garcia等人[40]采用化学CBD法制备了（n）Bi2S3/（p）PbS太阳能电池。他们进行了广泛的研究，以探索每个薄膜组件的相关性，并提出了改善电池参数的方法。最佳的（n）Bi2S3/（p）PbS结的开路电压为280mV，短路电流密度为6 mA/cm 2，能量转换效率为0.5%。同一研究小组[41]通过在其太阳能电池结构中引入CdS和ZnS窗口层扩展了他们在（n）Bi2S3/（p）PbS太阳能电池上的工作，并报告了各种结参数的改进。Kachari等人[42]报道了用真空蒸发法制备Al/（p）Bi2S3肖特基势垒结他们已经从结的I-V特性评估了各种结参数。此外，他们还研究了结的光伏性能Bao等人[43]报道了Bi2S3纳米线和金（Au）电极之间肖特基接触的形成。研究了Bi2S3纳米线的光开关导电性，指 出 了 Bi2S3 纳 米 线 在 光 电 子 器 件 中 的 可 能 应 用 。Bessekhouad等人[44]通过直接混合两种组分并通过Bi2S3与不同浓度的商业TiO2沉淀来制备（n）Bi 2S 3 /（n）TiO 2异质结。他们用紫外-可见光谱分析了（n）Bi2S3/（n）TiO2结，并确定该结能吸收800 nm的光。Moreno-García等人[45]制备CdS/（n）Bi2S3/（p）PbS太阳能电池，并报道开路电压为250mV，短路电流密度为3.45 mA/cm 2。引入Bi2S3膜基本上是为了保证CdS/PbS结的稳定性。Wang等人[46]合成了Bi2S3纳米棒和纳米线。此外，他们通过将Bi2S3纳米棒或纳米线与MDMO-PPV聚合物（聚[2-甲氧基-5-（3′，7 ′-二甲基辛氧基）-1，4-亚苯基亚乙烯基]）共混来制造本体混合异质结太阳能电池。 Ladhe等人[47]已经化学制备了（n）Bi2S3和（p）CuSCN层，以在氟掺杂氧化锡（FTO）涂覆的玻璃衬底上制造（n）Bi2S3/（p）CuSCN异质结。他们成功地将异质结用作室温下的液化石油气（LPG）传感器Rath等人[48]报道了第一种基于p型PbS量子点和n型Bi2S3纳米晶体的溶液处理异质结太阳能电池。在这种太阳能电池中，纳米结构的n型Bi2S3被用作电子受体。他们报告说有能量转换2.（p）Si/（n）Bi2S3异质结用淀积法制备了（p）Si/（n）Bi 2S3异质结采用化学浴沉积法在掺硼p型硅片制备了掺1.5wt%Ni的Bi2S3用于制作异质结结构的硅晶片为镜面p型（100）取向，电阻率为1 -10Ωcm，厚度为350±25μm。为了在硅片上沉积Ni掺杂的Bi2S3膜，将5ml溶解在2ml三乙醇胺（TEA）中的0.5M Bi（NO3）3和4ml 1MCH3CS·NH2混合在一起，并向所得溶液中加入1.wt%的Ni（NO3）3作为Ni 3+源。将所得溶液在室温下搅拌20分钟以得到均匀的混合物溶液。最后，向所得溶液中加入39 ml蒸馏水以获得50 ml的总体积。将硅衬底垂直浸入烧杯壁支撑的溶液中，在318K下加热20 min，所得溶液由棕色变为深棕色，这表明Bi2S3膜的形成开始。将溶液在室温下保持2小时以进一步沉积。沉积完成后，将镀有纳米晶Ni掺杂Bi2S3薄膜的Si衬底取出，用蒸馏水清洗并在露天干燥。在稀硝酸的帮助下除去沉积在Si衬底的抛光表面上的膜，沉积在Si衬底上的Bi2S3膜的厚度通过Tolansky方法测量，如我们早期发表的论文[49]中所讨论的。通过真空蒸发将铝作为上电极的金属铝“Al”电极通过合适的欧姆接触掩模真空沉积在Bi 2S 3薄膜上，形成如图1所示的Al/（p）Si/（n）Bi 2S 3 /Al结构。因此，九个异质结的每一个相等的面积为0.04厘米2的获得。使用在20 kV下操作的JEOL-JSM 6360研究沉积在Si衬底上的膜的表面形貌Keithley图1(a)从上面看，（b）侧视图。3316埃及基础科学与应用科学杂志3（2016）314表1-典型的（p）Si/（n）Bi 2S 3结制备的细节。（p）Si晶片的厚度（n）Bi2S3的厚度（nm）浓度（Na）1016/cm3浓度（Nd）1016/cm3350 ± 252285.62.622使用静电计（6514）和Rishabh万用表（14 S）测量（p）Si/（n）Bi2S3异质结的I-V特性和使用SystronicsLCR-Q计（928）测量C-V特性。沉积在Si衬底上的膜被发现是n型的热探针法确定。样品表面的温度由Instron（In-303）数字温度控制器使用PT-100传感器测量对于正向偏置，电压源的正端子和负端子连接到上部和下部的细节图 2-纳米Bi 2 S 3的SEM照片。制备的样品在表1中给出。3.结果和讨论3.1.反应机理Bi2S3薄膜的沉积过程是基于溶液中Bi3+和S2 −离子的缓慢释放，然后在掺硼的p-Si衬底表面一个离子接一个离子或一个团簇地凝聚。溶液中Bi 3+和S2 −离子的浓度控制着Bi2S3的生成速率。TEA控制Bi3+离子的速率，形成配合物Bi[（TEA）n]3+。在Bi_2S_3薄膜中加入1.5wt%的硝酸镍Ni（NO_3）_2，制备了Ni掺杂Bi_2S_3薄膜，其反应机理为：集群从照片中还可以明显看出膜中小微晶的聚集这种团聚现象使得难以从SEM图像上评价晶粒尺寸从这幅图中还可以清楚地看出，球形颗粒有一个共同的特征。3.3.（p）Si/（n）Bi 2S 3异质结的伏安特性图3显示了典型的（p）Si/（n）Bi 2S 3结在黑暗和光照（1100 Lux）下的发现该结具有整流特性，反向电流很小，表明在Si片和Bi2S3膜之间存在势垒.研究了不同温度下，BNO。5HOTEBiTE5HN（一）在黑暗中研究了准备好的结332Bi2 3（二）温度范围为300 - 340 K。正向偏置电流-电压特性的温度依赖性如图所示。 四、在较高的偏置电压下，电流CH3CSNH2羟丙基甲基纤维素CH3CONH2羟丙基甲基纤维素（3）SH2，4-二羟基苯磺酸（四）NiNO32Ni2NO（5）那么整体的化学反应如下Bi3Ni2SBi2xNix S3（6）3.2.表面形态学研究用扫描电子显微镜（SEM）研究了在硅衬底上沉积的掺Ni的Bi2S3薄膜的表面形貌，加速电压为20kV。可以看出，表面被很好地覆盖，没有任何空隙或针孔，具有随机尺寸的不规则形状的颗粒。这些随机尺寸的不规则形状的颗粒彼此互连以形成一个或多个颗粒。图典型（p）Si/（n）Bi2S3结在黑暗和光照下的3- I-V特性埃及基础科学与应用科学杂志3（2016）314317已经观察到随着温度的升高而更快速地增加。在低温下，载流子没有足够的能量来跨越高势垒，但它们能够跨越较低的势垒。因此，电流将流过肖特基势垒高度较低的贴片[50]。随着温度的升高，越来越多的电子有足够的能量穿过更高的势垒。因此，电流trans-port是占主导地位的电流流过较高的障碍。因此，主要的势垒高度随温度而增加[51]。图5示出了在不同温度下在黑暗中典型的（p）Si/（n）Bi2S3异质结的lnJ对V曲线。lnJ对V的直线拟合表明，异质结势垒上的电流传输机制主要是电子机制，电流J J qV（七）图4其中V是施加的电压，Js是饱和电流密度，给出为JsqA*TVbiexpqV（八）k图典型的（p）Si/（n）Bi2S3异质结的5- ln J-V曲线。其中A* 是理查森常数，Vbi是内建势，k是玻尔兹曼常数，T是温度。分别从这些图的斜率和截距计算理想因子（n）和饱和电流密度（JS）表2给出了典型（p）Si/（n）Bi2S3异质结在不同温度下的二极管理想因子和饱和电流密度的估算值。饱和电流密度Js和理想因子n与温度有关. 理想因子值大于1的原因是界面层的存在、内建势的象力降低、耗尽区电子和空穴的复合、隧道效应和势垒等高度不均匀性[53根据不同温度下J s的测量值，绘制了ln（Js/T）与T-1的关系图，如图所示。第六章曲线几乎是一条直线，这表明电流传输过程遵循上述关系式（7）。 根据曲线的斜率，计算结的内置电势Vbi，值在表2中给出。根据lnJ对V曲线的斜率和截距分别估算了不同温度下结的理想因子n和饱和电流密度Js。计算值列于表2中。根据估计值表2-典型（P）Si/（n）Bi 2 S 3异质结的结参数。温度（K）理想因子（n）饱和电流密度Js（10−6Acm-2）内建电位（从内置电位（从串联电阻（Ω）黑暗3003.60.220.690.6624473103.50.479323203.40.984463303.32.342603403.25.6983318埃及基础科学与应用科学杂志3（2016）314图典型（p）Si/（n）Bi2S3异质结的6- ln（J s /T）对T − 1曲线。在不同温度下的J s，lnJs/T与T −1的关系曲线如图6所示。结的内建电位V bi由曲线的斜率计算得出，数值见表2。3.4.串联电阻对（p）Si/（n）Bi 2S 3异质结I-V特性的影响如图7所示，对于更高的电压，已经观察到结的lnI对V曲线偏离线性。这种偏差给出了一个指示存在的串联电阻，与结的中性区域相关的Rs。串联电阻由接头的I vs ΔV曲线估算。图8表示典型的（p）Si/（n）Bi2S3结在300 K下在黑暗中的I与Δ V曲线，其中ΔV是由于串联电阻引起的电压。典型的（p）Si/（n）Bi2S3结在不同温度下的Rs值在2447-83 Ω之间，如表2所示。发现（p）Si/（n）Bi2S3结的串联电阻随温度的升高而减小. 随着温度的升高，自由电荷载流子的数量也会增加，这是由于它们的键断裂或通过去捕获机制[56]。结果表明，（p）Si/（n）Bi2S3结的串联电阻随温度的升高而图典型的（p）Si/（n）Bi 2S 3异质结的7埃及基础科学与应用科学杂志3（2016）314319图8通过I-V特性和势垒高度不均匀性中的图像力3.6.（p）Si/（n）Bi_2S_3异质结的光伏测量研究了（p）Si/（n）Bi2S3结在不同光强下图图10显示了典型的（p）Si/（n）Bi 2S 3结在不同光强下的J-V曲线，表明结的光伏效应很差。在光照下，当器件端子短路时，Si中的多余空穴流过外部电路，与Bi2S3侧的多余电子重新结合，这表示光电流。计算的结的光伏参数在表3中给出。开路电压和短路电流强烈依赖于串联电阻（Rs）以及根据已知等式[61]的结理想因子（n）。ISC IexpVIRS I（九）3.5.Capacitance–voltage characteristics of a在室温（300 K）下，在1 KHz频率下，测量了（p）Si/（n）Bi 2S 3结在反向偏压条件下的图图9显示了典型的（p）Si/（n）Bi2S3结的C −2-V曲线。发现从该曲线测量的内建电势Vbi为0.69 eV，其高于从表2中给出的电流-电压特性获得的值。这种差异归因于在含有缺陷的界面层存在电容[57，58]。这种差异的其他因素是势垒高度的降低kT图在300K下测量的（p）Si/（n）Bi2S3异质结的9- C − 2 -V曲线。图典型的（p）Si/（n）Bi2S3结在不同光强下的10- J-V曲线。表3- 典 型 的 （ p ） S i / （ n ） B i 2 S 3 异 质 结 的 光 伏 参 数。光照强度短路电流（JscμA/cm2）开路电压Voc（Volt）填充因子（FF）效率（%）110042.6230.2320.3900.385140050.030.2420.4360.414170058.670.2520.4520.432200067.310.2000.6050.447320埃及基础科学与应用科学杂志3（2016）314VnkTISCO（十）[12] Jana A，Bhattacharya C，Sinha S，Datta J. 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