Спектрально-зарядовые свойства гетероструктуры диоксид титана/кремний при облучении солнечным светом

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 E_t, 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 (E_t = 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 E_t = 0.8 эВ и l = 900 нм. Плотность поверхностного заряда на пленке TiO₂ отрицательная, ее величина возрастает с ростом энергии ловушек E_t и длины волны излучения, достигая –2.8 · 10^-4 мкКл/см² при E_t = 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.

1. Доклад о разрыве в уровнях выбросов 2019 года. Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде, Найроби, ЮНЕП (2019)

2. В. М. Иевлев, C. Б. Кущев, А. Н. Латышев, Л. Ю. Леонова, О. В. Овчинников, М. С. Смирнов, Е. В. Попова, А. В. Костюченко, С. А. Солдатенко. ФТП, 48, № 7 (2014) 875—884

3. Р. Хела, Л. Боднарова. Строит. материалы, 722, № 2 (2015) 77—81

4. O. Ola, M. M. Maroto-Valer. J. Photochem. Photobiology C: Photochem. Rev., 24 (2015) 16—42

5. L. M. Ahmed, I. Ivanova, F. H. Hussein, D. W. Bahnemann. Int. J. Photoenergy, 3 (2014) 1—9

6. O. S. Smirnova, A. G. Grebenyuk, V. V. Lobanov. Surface, 9, N 24 (2017) 44—56

7. V. V. Novopashin, L. A. Skvortsov, M. I. Skvortsova. J. Opt. Tech., 85, N 12 (2018) 77—82

8. С. А. Горбачев, И. И. Осовская. Диоксид титана. Повышение его фотокаталитической активности: уч. пособие, Санкт-Петербург, ВШТЭ СПбГУПТД (2019)

9. Sh. Fukuzumi. Biochim. Biophys. Acta (BBA) – Bioenergetics, 1857, N 5 (2016) 604—611

10. M. Ijaz, M. Zafar. Int. J. Energy Res., 45, N 3 (2020) 1—21

11. M. Bowker, C. O’Rourke, A. Mills. Top. Current Chem., 380, N 17 (2022) 1—30

12. Б. И. Беляев, М. Ю. Беляев, Л. В. Десинов, А. А. Казак, Л. В. Катковский, А. В. Роговец. Журн. прикл. спектр., 79, № 4 (2012) 669—675

13. A. Watanabe, G. Qin. Appl. Phys. A, 116 (2014) 1281—1285

14. H. K. Kaplan, A. Olkun, S. K. Akay. Opt. Quantum Electron., 53, N 248 (2021) 1—16

15. Arvind Kumar, K. K. Sharma, Subhash Chand, Ashwani Kumar. Superlattices and Microstructures, 122 (2018) 304—315

16. J. Arun, S. Nachiappan, G. Rangarajan, R. P. Alagappan, K. P. Gopinath, E. Lichtfouse. Environ. Chem. Lett., 21 (2023) 339—362

17. Q. Guo, C. Zhou, Z. Ma, X. Yang. Adv. Mater., 31, N 50 (2019) 1901997

18. A. C Papageorgiou, N. S. Beglitis, Ch. L. Pang, G. Teobaldi, G. Cabailh, Q. Chen, A. J. Fisher, W. A. Hofer, G. Thornton. Proc. Nat. Acad. Sci., 107, N 6 (2010) 2391—2396

19. Н. А. Поклонский, Н. И. Горбачук, А. И. Сягло, С. В. Шпаковский. Исследование переходных процессов в полупроводниковых структурах, Минск, БГУ (2009) 18—21

20. IEC International Standard 60904-3 Ed. 2: “Photovoltaic Devices, pt. 3: Measurement Principles for Terrestrial Photovoltaic (PV) Solar Devices with Reference Spectral Irradiance Data”, Geneva (2008)

21. S. M. Sze, K. Ng. Kwok. Physics of Semiconductor Devices, Hoboken, John Wiley & Sons (2006)

22. J. Zhang, P. Zhou, J. Liub, J. Yu. Phys. Chem. Chem. Phys., 4 (2014) 20382—20386

23. M. A. Green. Solar Energy Mater. Solar Cells, 92 (2008) 1305—1310

24. S. Sarkar, V. Gupta, M. Kumar, J. Schubert, P. T. Probst, J. Joseph, T. A. F. König. ACS Appl. Mater. Interfaces, 11 (2019) 13752—13760

25. V. Kavaliunas, Y. Hatanaka, Y. Neo, G. Laukaitis, H. Mimura. ECS J. Solid State Sci. Tech., 10 (2021) 015005