p형 반도체의 새로운 캐리어 도핑은 정공 농도를 증가시켜 광전지 장치 성능을 향상시킵니다.

[아름이]

p형 반도체의 새로운 캐리어 도핑은 정공 농도를 증가시켜 광전지 장치 성능을 향상시킵니다.
날짜:
2022년 9월 28일
원천:
도쿄공업대학
요약:
p형 1가 구리 반도체의 캐리어 농도와 전도도는 알칼리 금속 불순물을 추가하여 크게 향상시킬 수 있습니다. isovalent 및 더 큰 크기의 알칼리 금속 이온으로 도핑하면 자유 전하 캐리어 농도가 효과적으로 증가했으며 메커니즘은 이론적 계산에 의해 해명되었습니다. 그들의 캐리어 도핑 기술은 광전지 장치 응용과 함께 용액 공정에서 높은 캐리어 농도와 높은 이동도의 p-형 박막을 준비할 수 있도록 합니다.

페로브스카이트 태양전지는 차세대 광기전력 소자로서 많은 연구의 대상이 되어왔다. 그러나 실용화를 위해서는 넘어야 할 과제가 많다. 그 중 하나는 빛에 의해 생성된 정공을 전극으로 운반하는 광전지의 정공 수송층(p형 반도체)에 관한 것입니다. 기존의 p형 유기 수송 반도체에서 정공 도펀트는 화학적으로 반응성이 있어 광기전력 장치를 열화시킵니다. 화학적으로 안정적인 무기 p형 반도체가 유망한 대안이지만 기존의 무기 p형 반도체를 제조하려면 고온 처리가 필요합니다. 이와 관련하여 저온에서 제조가 가능하고 정공 수송 능력이 우수한 p형 무기 반도체가 요구되고 있다.

무기 p형 요오드화구리(CuI) 반도체는 광전지 장치 응용 분야에서 이러한 정공 수송 재료의 주요 후보입니다. 이 재료에서 고유 결함은 전하 불균형과 자유 전하 캐리어를 발생시킵니다. 그러나 일반적으로 전체 결함 수는 만족스러운 장치 성능에 비해 너무 적습니다.

"불순물 도핑"으로 알려진 억셉터(양전하) 또는 도너(음전하) 특성을 가진 불순물을 추가하는 것은 반도체의 수송 특성과 장치 성능을 강화하기 위한 표준 방법입니다. 종래의 방법에서는 이러한 불순물로서 구성 원자보다 원자가가 낮은 이온을 사용하였다. 그러나 Cu(I)계 반도체에는 1가 구리 이온보다 낮은 원자가(zero valence)를 갖는 이온이 존재하지 않아 구리 화합물에 p형 도핑이 확립되지 않았다.

CuI에서 p형 도핑을 위한 새로운 캐리어 도핑 설계를 제안하기 위해 일본과 미국의 연구원들은 최근 구리 1가 반도체, 구리 산화물(Cu 2 O) 및 Cu 에서 정공 도핑에 경험적으로 사용된 알칼리 불순물 효과에 초점을 맞췄습니다. (In,Ga)Se 2 .

일본 도쿄 공과대학(Tokyo Institute of Technology)의 마츠자키 코스케(Kosuke Matsuzaki) 박사가 이끄는 팀 은 미국 화학 학회 저널(Journal of the American Chemical Society ) 에 발표된 연구에 요약된 새로운 접근 방식에서 알칼리 이온 불순물로 p형 도핑이 구리와 원자가는 같지만 크기가 더 큰 , Cu(I) 기반 반도체에서 전도성을 향상시킬 수 있습니다. 이론적 분석은 알칼리 이온 불순물과 구리 이온의 결손으로 구성된 복합 결함이 정공 생성의 근원(p형 전도도)임을 보여줍니다.

알칼리 금속 불순물이 산화구리의 운반체 농도를 증가시키는 것으로 알려져 있지만, 근본적인 메커니즘은 지금까지 과학자들에게 미스터리로 남아 있었습니다. Matsuzaki 박사는 "실험 연구와 이론적 분석을 결합하여 Cu(I) 기반 반도체에서 알칼리 불순물의 영향을 밝혀냈습니다. 알칼리 금속 Na 불순물은 Cu 2 O 의 인접한 Cu 이온은 결함 복합체를 형성합니다. 복합체는 차례로 정공의 소스가 됩니다."

불순물이 결정 구조에 추가되면 불순물과 이웃하는 Cu 이온 사이의 정전기적 쿨롱 반발력이 Cu 원자를 구조의 위치에서 밀어내고 다중 억셉터형 구리 빈자리를 형성합니다. 이는 차례로 전체 p형 캐리어 농도를 증가시키고 결과적으로 p형 전도도를 증가시킵니다. "우리의 시뮬레이션은 정전기적 반발을 유발하기 위해 결정 격자의 빈 공간에 대해 불순물이 다소 더 큰 것이 중요하다는 것을 보여줍니다. 리튬과 같이 더 작은 알칼리 불순물의 경우 불순물 이온이 틈새 사이트로 떨어지고 결정을 충분히 변형시키지 않습니다. 격자"라고 Matsuzaki 박사는 설명합니다.

억셉터형 Cu 결손 복합체를 형성하는 p형 도핑 메커니즘을 기반으로, 팀은 α-CuI에서 억셉터 불순물로서 칼륨, 루비듐, 세슘(Cs)과 같은 더 큰 알칼리 이온을 조사했습니다. 그 중 Cs 이온은 더 많은 Cu 빈자리를 결합할 수 있어 용액에서 제조된 단결정과 박막 모두에서 안정적인 전하 운반체(10 13 -- 10 19 cm -3 )의 농도가 훨씬 더 높아집니다. "이는 이 방법이 특정 응용 분야 및 장치에 대한 저온 공정에서 캐리어 농도를 미세 조정하는 데 사용할 수 있음을 시사합니다. 이는 이러한 p형 물질에 대한 완전히 새로운 응용 범위를 허용할 것"이라고 Matsuzaki는 결론지었습니다.

실제로, 이 개발은 구리(I) 기반 반도체의 주요 도약이 될 수 있으며 곧 태양 전지 및 광전자 장치의 실제 응용으로 이어질 수 있습니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/