Минск
Minsk
Минск
Minsk
С помощью компьютерного моделирования исследованы спектрально-зарядовые свойства гетероструктуры пленки диоксида титана (TiO2) n-типа проводимости толщиной 100 нм на кремниевой подложке p-типа проводимости в диапазоне 300—1200 нм солнечного излучения. Учтено наличие ловушечных состояний в пленке TiO2, способствующих локализации носителей заряда. Моделирование проводилось с использованием модели Андерсона для полупроводниковых гетеропереходов, решения уравнения Пуассона, уравнений непрерывности для электронов и дырок и уравнений Максвелла для электромагнитных волн в программном пакете Comsol Multyphysics. Рассчитаны распределение скоростей генерации и концентрации носителей заряда в гетероструктуре, распределение плотности заряда и электрического потенциала от длины волны l падающего на пленку TiO2 солнечного излучения, а также от энергии ловушечных состояний Et, которая задавалась внутри запрещенной зоны, считая от дна зоны проводимости. Интегральная плотность солнечного излучения 1 кВт/м2 принималась одинаковой для всех длин волн. Выявлены немонотонные зависимости скорости генерации носителей заряда в TiO2 в области l = 325—375 нм. Установлено, что для относительно мелких ловушек (Et = 0.2—0.3 эВ) в объеме пленки TiO2 формируется положительный заряд с плотностью 1.6 мКл/см3, слабо зависящий от длины волны. С ростом энергии ловушек объемная плотность заряда в пленке TiO2 снижается и меняет знак, достигая –3.4 мКл/см3 при Et = 0.8 эВ и l = 900 нм. Плотность поверхностного заряда на пленке TiO2 отрицательная, ее величина возрастает с ростом энергии ловушек Et и длины волны излучения, достигая –2.8 · 10-4 мкКл/см2 при Et = 0.8 эВ и l = 900 нм. Полученные результаты объясняются взаимосвязью процессов интерференции в TiO2 падающей и отраженной от границы раздела волн, разделением генерированных солнечным светом носителей заряда на этой границе, а также локализацией электронов на поверхностных состояниях TiO2.
The spectral-charge properties of the heterostructure of a 100-nm-thick n-type titanium dioxide (TiO2) film on a p-type silicon substrate in the solar radiation wavelength range of 300–1200 nm studied by computer simulation. The presence of trap states in the TiO2 film, which contribute to the localization of charge carriers, is taken into account. The simulation has been carried out using the Anderson model for semiconductor heterojunctions, the solution of the Poisson equation, the continuity equations for electrons and holes, and the Maxwell equations for electromagnetic waves in the Comsol Multyphysics software package. We have calculated the distribution of the generation rates and concentration of charge carriers in the heterostructure, the distribution of charge density and electric potential on the wavelength l of solar radiation incident on the TiO2 film, and also on the energy of trap states Et, which has been set inside the band gap, counting from the bottom of the conduction band. The integral density of solar radiation 1 kW/m2 is assumed to be the same for all wavelengths. Nonmonotonic dependences of the generation rate of charge carriers in TiO2 in the wavelength range l = 325–375 nm are revealed. It has been established that for relatively shallow traps (Et = 0.2–0.3 eV) a positive charge with the density of 1.6 mC/cm3 is formed in the volume of a TiO2 film, which weakly depends on the radiation wavelength l. As the trap energy increases, the volume charge density in the TiO2 film decreases and changes sign, reaching –3.4 mC/cm3 at Et = 0.8 eV and l = 900 nm. The surface charge density on the titanium dioxide film is negative, its value increases with increasing the trap energy Et and the radiation wavelength l, reaching –2.8 × 10–4 μC/cm2 at Et = 0.8 eV and l = 900 nm. We explain the results obtained by the interrelation between the interference processes in TiO2 of the incident and reflected waves from the interface, the separation of charge carriers generated by sunlight at this interface, and also by the localization of electrons on the surface states of TiO2.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.