Стаціонарна та розділена в часі фотолюмінесценція наноструктурованих плівок сульфіду олова
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe71.4.331Ключові слова:
фотолюмiнесценцiя, кiнетика, заборонена зона, дефекти, фазовий стан, наноструктурованi плiвкиАнотація
B роботi дослiджено оптичнi властивостi, включно зi спектрами фотолюмiнесценцiї та їхньою кiнетикою, товстих плiвок SnS орторомбiчної фази з низьким рiвнем мiкродеформацiї. Вони мають склад, близький до стехiометрiї. Крiм того, цi плiвки мiстять невелику кiлькiсть iнших кристалiчних фаз, а саме: фаз SnS, SnS2, SnO2 та, iмовiрно, фази Sn2S3. Вивчення спектрiв першої та другої похiдних вiд коефiцiєнта поглинання, тобто спектрiв ACFD i ACSD, дало нам змогу точно визначити ширину забороненої зони рiзних кристалiчних фаз. Аналiз спектрiв ACSD також уможливив отримання iнформацiї щодо однорiдностi дослiджуваних наноматерiалiв, що дуже важливо для оптимiзацiї їхньої кристалiчної й оптичної якостi. Вивчення спектрiв фотолюмiнесценцiї дало нам змогу отримати iнформацiю про енергетичну структуру наноструктурованих плiвок SnS, природу їхнiх дефектiв. На основi вимiрювань кiнетики затухання фотолюмiнесценцiї було дослiджено розподiли часу життя для рiзних процесiв рекомбiнацiї в SnS2 i SnO2. Такi дослiдження дало змогу визначити час життя для рiзних процесiв рекомбiнацiї i таким чином отримати додаткову iнформацiю про їхню природу, пов’язану з певним типом оптичних переходiв, яка визначається енергiєю таких переходiв. Було показано, що час життя збуджених станiв в дослiджуваних плiвках мiститься в наносекундному дiапазонi. Таким чином, отриманi результати можуть допомогти в розробцi нових швидкодiйних ефективних наноматерiалiв, придатних для створення на їхнiй основi екологiчних абсорбуючих шарiв для сонячних елементiв.
Посилання
1. M.A. Green, E.D. Dunlop, M. Yoshita, N. Kopidakis, K. Bothe, G. Siefer, X. Hao, J.Y. Jiang. Solar cell efficiency tables (Version 66). Progress in Photovoltaics: Res. Appl. 33, 795 (2025).
https://doi.org/10.1002/pip.3919
2. https://www.longi.com/en/news/.
3. B.M. Kayes, H. Nie, R. Twist et al. 27.6% conversion efficiency, a new record for single-junction solar cells under 1 sun illumination. In: Proceedings of the 37th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (2011).
https://doi.org/10.1109/PVSC.2011.6185831
4. M. Nakamura, K. Yamaguchi, Y. Kimoto, Y. Yasaki, T. Kato, H. Sugimoto. Cd-free Cu (In, Ga)(Se, S)2 thin-film solar cell with a new world record efficacy of 23.35%. In: 46th IEEE PVSC, Chicago, IL, June 19, 2019 (see also http://www.solar-frontier.com/eng/news/2019/0117_press.html).
https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2937218
5. M.J. Keevers, T.L. Young, U. Schubert, M.A. Green. 10% efficient CSG minimodules. In: 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milan (2007).
6. L. Han, A. Fukui, Y. Chiba et al. Integrated dye-sensitized solar cell module with conversion efficiency of 8.2%. Appl. Phys. Lett. 94, 013305 (2009).
https://doi.org/10.1063/1.3054160
7. L. Han, A. Fukui, Y. Chiba et al. Integrated dye-sensitized solar cell module with conversion efficiency of 8.2%. Appl. Phys. Lett. 94, 013305 (2009).
https://doi.org/10.1063/1.3054160
8. J. Faisst, E. Jiang, S. Bogati et al. Organic solar cell with an active area >1 cm2 achieving 15.8% certified efficiency using optimized VIS-NIR anti-reflection coating. Solar RRL 7, 2300663 (2023).
https://doi.org/10.1002/solr.202300663
9. S. Sohila, M. Rajalakshmi, Chanchal Ghosh, A.K. Arora, C. Muthamizhchelvan. Optical and Raman scattering studies on SnS nanoparticles. J. Alloys and Compounds 509, 5843 (2011).
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.02.141
10. G.H. Yue, W.Wang, L.S. Wang, X. Wang, P.X. Yan, Y. Chen, D.L. Peng. The effect of anneal temperature on physical properties of SnS films. J. Alloys and Compounds 474, 445 (2009).
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.06.105
11. Juran Kim, Jayeong Kim, Seokhyun Yoon, Jeong-yoon Kang, Chan Wook Jeon, William Jo. Single phase formation of sns competing with SnS2 and Sn2S3 for photovoltaic applications: Optoelectronic characteristics of thinfilm surfaces and interfaces. J. Phys. Chem. C 122 (6), 3523 (2018).
12. Yu. Kumagai, L.A. Burton, A. Walsh, F. Oba. Electronic structure and defect physics of tin sulfides: SnS, Sn2S3, and SnS2. Phys. Rev. Appl. 6, 014009 (2016).
13. Md A.M. Patwary, Md A.Hossain, B.C. Ghos, J. Chakrabarty, S.R. Haque, S.A. Rupa, J. Uddin, T. Tanaka. Copper oxide nanostructured thin films processed by SILAR for optoelectronic applications, RSC Advances 12, 32853 (2022).
https://doi.org/10.1039/D2RA06303D
14. X. Han, L. Wang, H. Ling, Z. Ge, X. Lin, X. Dai, H. Chen. Critical review of thermochemical energy storage systems based on cobalt, manganese, and copper oxides. Renewable and Sustainable Energy Reviews 158, 112076 (2022).
https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112076
15. A.S. Zoolfaka, R.A. Rani, A.J. Morfa, A.P. O'Mullane, K. Kalantar-zadeh. Nanostructured copper oxide semiconductors: a perspective on materials, synthesis methods and applications, J. Mater. Chem. C 2, 5247 (2014).
https://doi.org/10.1039/C4TC00345D
16. D. Cabrera-Germana, J.A. Garc'ıa-Valenzuelab, M. CotaLeala, M. Mart'ınez-Gila, R. Acevesd, M. Sotelo-Lerma. Detailed characterization of good-quality SnS thin films obtained by chemical solution deposition at different reaction temperatures. Mater. Sci. Semicond. Process. 89, 131 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.09.009
17. I. Ammar, A. Gassoumi, A. Akkari, F. Delpech, S. Ammar, N. Turki-Kamoun. Deposition of SnS thin films by chemical bath deposition method: Effect of surfactants. Eur. Phys. J. Plus. 134, 505 (2019).
https://doi.org/10.1140/epjp/i2019-12976-3
18. W. Shan, Z. Fu, M. Ma, Z. Liu, Z. Xue, J. Xu, F. Zhang, Yo. Li. Facile Chemical bath synthesis of sns nanosheets and their ethanol sensing properties. Sens. 19, 2581 (2019).
https://doi.org/10.3390/s19112581
19. E. Sutter, J. Wang, P. Sutter. Surface passivation by excess sulfur for controlled synthesis of large, Thin SnS flakes. Chem. Mater. 32 (18), 8034 (2020).
https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c03297
20. K.J. Yu, Z. Yan, M. Han, J.A. Rogers. Inorganic semiconducting materials for flexible and stretchable electronics. npj Flexible Electronics 1, 4 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41528-017-0003-z
21. G. Qinglei, Di Zengfeng. Inorganic Flexible Electronics: Materials, Strategies, and Applications. Editor by Yongfeng Mei, Gaoshan Huang, Xiuling Li (Wiley, 2022).
https://doi.org/10.1002/9783527813933.ch4
22. S. Huang, Y. Liu, Y. Zhao, Z. Ren, C.F. Guo. Flexible Electronics: Stretchable electrodes and their future. Adv. Funct. Mater. 29, 1805924 (2019).
https://doi.org/10.1002/adfm.201805924
23. P. Pramanik, P.K. Basu, S. Biswas. Preparation and characterization of chemically deposited tin(II) sulphide thin films. Thin Solid Films 150, 269 (1987).
https://doi.org/10.1016/0040-6090(87)90099-X
24. G. Valiukonis, D.A. Guseinova, G. Krivaite, A. Sileica. Optical spectra and energy band structure of layertype AIVBVI compounds. Phys. Status Solidi B 135, 299 (1986).
https://doi.org/10.1002/pssb.2221350130
25. T. Jiang, G.A. Ozin, A. Verma, R.L. Bedard, Adsorption and sensing properties of microporous layered tin sulfide materials. J. Mater. Chem. 7, 1649 (1998).
https://doi.org/10.1039/a801501e
26. L.A. Burton, D. Colombara, R.D. Abellon, F.C. Grozema, L.M. Peter, T.J. Savenije, G. Dennler, A. Walsh. Synthesis, characterization, and electronic structure of single crystal SnS, Sn2S3, and SnS2. Chem. Mater. 25, 4908 (2013).
https://doi.org/10.1021/cm403046m
27. Juran Kim, Jayeong Kim, Seokhyun Yoon, Jeong-yoon Kang, Chan Wook Jeon, William Jo. Single phase formation of SnS competing with SnS2 and Sn
2S3 for photovoltaic applications: Optoelectronic characteristics of thinfilm surfaces and interfaces. J. Phys. Chem. C 122 (6), 3523 (2018).
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b00179
28. Yu. Kumagai, L.A. Burton, A. Walsh, F. Oba. Electronic structure and defect physics of tin sulfides: SnS, Sn2S3, and SnS2, Phys. Rev. App. 6, 014009 (2016).
29. L.A. Burton, D. Colombara, R.D. Abellon, F.C. Grozema, L.M. Peter, T.J. Savenije, G. Dennler, A. Walsh. Synthesis, characterization, and electronic structure of single crystal SnS, Sn2S3, and SnS2. Chem. Mater. 25, 4908 (2013).
https://doi.org/10.1021/cm403046m
30. G.L. Arauujo, A. Marti. Absolute limiting efficiencies for photovoltaic energy conversion. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 33, 213 (1994).
https://doi.org/10.1016/0927-0248(94)90209-7
31. A.R. Garcia-Angelmo, R. Romano-Trujillo, J. CamposAlvarez, O. Gomez-Daza, M.T.S. Nair, P.K. Nair. Thin film solar cell of SnS absorber with cubic crystalline structure. Phys. Status Solidi A 212 (10), 2332 (2015).
https://doi.org/10.1002/pssa.201532405
32. Yu.P. Gnatenko, A.P. Bukivskii, V.Yu. Yevdokymenko, A.S. Opanasyuk, P.M. Bukivskij, S.A. Iliash, I.G. Vertegel, O.I. Ovcharenko, R.V. Gamernyk. Optical and photoelectric properties of nanostructured SnS films obtained by spraying ink using a nanoparticle suspension. Mater. Res. Express 11 (12), 125002 (2024).
https://doi.org/10.1088/2053-1591/ad9b73
33. V. Yevdokymenko, R. Pshenychnyi, О. Dobrozhan, A. Opanasyuk, Yu. Gnatenko, P. Bukivskij, O. Klymov, V. Mu˜noz-Sanjos'e. Structural, microstructural, and optical properties of SnS films deposited by spraying the nanoink with post-growth temperature treatment. Appl. Phys. A 130, 593 (2024).
https://doi.org/10.1007/s00339-024-07752-9
34. https://www.edinst.com/product/advanced-fast-software/.
35. FAST Advanced Analysis of Fluorescence Kinetics (Edinburgh Instruments Ltd, 2011).
36. A.P. Bukivskii, Yu.P. Gnatenko, Yu.P. Piryatinski. Photoluminescence lifetime studies of PbI2 nanoclusters and microcrystallites in Pb0.30Cd0.70I2 alloys. J. Phys. Chem. Sol. 120, 147 (2018).
https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2018.04.039
37. A.P. Bukivskii, Yu.P. Gnatenko. Study of the photoluminescence kinetics of heterogeneous nanostructured Pb0.30Cd0.70I2 solid solutions. Mater. Chem. Phys. 199, 577 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2017.07.045
38. Yu.P. Gnatenko, P.M. Bukivskij, Yu.P. Piryatinski, A.P. Bukivskii, P.A. Skubenko, R.V. Gamernyk. Time-resolved photoluminescence spectroscopy of excitons in layered semiconductor PbI2 nanoclusters. J. Appl. Phys. 112, 093708 (2012).
https://doi.org/10.1063/1.4764315
39. A.P. Bukivskii, Yu.P. Gnatenko, P.M. Bukivskij, M.S. Furier, L.M. Tarakhan, R.V. Gamernyk. Photoluminescence and photoelectric properties of CdTe crystals doped with Mo. Physica B: Condensed Matter. 546, 411737 (2020).
https://doi.org/10.1016/j.physb.2019.411737
40. J. Tauc. Optical properties and electronic structure of amorphous Ge and Si. Mater. Res. Bull. 3, 37 (1968).
https://doi.org/10.1016/0025-5408(68)90023-8
41. Yu.P. Gnatenko, P.M. Bukivskij, M.S. Furier, A.P. Bukivskii, A.S. Opanasyuk. Temperature dependence of the band gap of high optical quality CdS: Dy thin films based on exciton spectra. Mater. Res. Express 5, 125902 (2018).
https://doi.org/10.1088/2053-1591/aae298
42. Yu.P. Gnatenko, I.O. Faryna, P.M. Bukivskij, O.A. Shigiltchoff, R.V. Gamernyk, S.Yu. Paranchych, L.D. Paranchych. Optical and photoelectric properties of vanadiumdoped Cd1−xHgxTe crystals. J. Phys.: Condensed Matter 14 (29), 7027 (2002).
https://doi.org/10.1088/0953-8984/14/29/304
43. Yu.P. Gnatenko, Yu.P. Piryatinski, R.V. Gamernyk, I.O. Faryna, P.M. Bukivskij, S.Yu. Paranchych, L.D. Paranchych. Elaboration of new uncooled detector materials highly sensitive in the near-IR region. SPIE, Materials for Infrared Detectors III, V, 5209, 156 (2003).
https://doi.org/10.1117/12.516446
44. Z. Zainal, M.Z. Hussein, A. Ghazali. Cathodic electrodeposition of SnS thin films from aqueous solution. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 40, 347 (1996).
https://doi.org/10.1016/0927-0248(95)00157-3
45. W. Albers, C. Haas, H.J. Vink, J.D. Wasscher. Investigations on SnS. J. Appl. Phys. 32, 2220 (1961).
https://doi.org/10.1063/1.1777047
46. S. Lopez, A. Ortiz. Spray pyrolysis deposition of SnxSy thin films. Semicond. Sci. Technol. 9, 2130 (1994).
https://doi.org/10.1088/0268-1242/9/11/016
47. O.E. Ogah, G. Zoppi, I. Forbes, R. Miles. Thermally evaporated thin films of SnS for application in solar cell devices. Thin Solid Films 517, 2485 (2009).
https://doi.org/10.1016/j.tsf.2008.11.023
48. M. Calixto-Rodriguez, H. Martinez, A. Sanchez-Juarez, J. Campos-Alvarez, A. Tiburcio-Silver, M. Calixto. Structural, optical, and electrical properties of tin sulfide thin films grown by spray pyrolysis. Thin Solid Films 517, 2497 (2009).
https://doi.org/10.1016/j.tsf.2008.11.026
49. A.J. Ragina, K.V. Murali, K.C. Preetha, K. Deepa, T.L. Remadevi. A study of optical parameters of tin sulphide thin films using the swanepoel method. In: Optics: Phenomena, Materials, Devices, and Characterization 2011: International Conference on Light, AIP Conference Proceedings 1391, 752 (2011).
https://doi.org/10.1063/1.3643669
50. A. Voznyi, V. Kosyak, P. Onufrijevs, L. Grase, J. Vecstaudˇza, A. Opanasyuk, A. Medvid'. Laser-induced SnS2-SnS phase transition and surface modification in SnS2 thin films. J. Alloys Compd. 688, 130 (2016).
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.07.103
51. L. Attou, B. Jaber, H. Ez-Zahraouy. Effect of annealing temperature on structural, optical and photocatalytic properties of CuO nanoparticles, Mediterr. J. Chem. 7 (5), 308 (2018).
https://doi.org/10.13171/mjc751911261230la
52. A.E. Abdelrahman, W.M.M. Yunus, A.K. Arof. Optical properties of tin sulphide (SnS) thin film estimated from transmission spectra. J. Non-Cryst. Solids. 358, 1447 (2012).
https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2012.03.022
53. N.R. Mathews, C.C. Garc'ıa, I.Z. Torres. Effect of annealing on structural, optical and electrical properties of pulse electrodeposited tin sulfide films. Mater. Sci. Semicond. Process. 16, 29 (2013).
https://doi.org/10.1016/j.mssp.2012.07.003
54. M. Reghima, A. Akkari, C. Guasch, N. Turki-Kamoun. Structure. Surface morphology, and optical and electronic properties of annealed sns thin films obtained by CBD. J. Electron. Mater. 43, 3138 (2014).
https://doi.org/10.1007/s11664-014-3269-0
55. J. Xu, Y. Yang, Z. Xie. Effect of vacuum annealing on the properties of sputtered SnS thin films. Chalcogenide Lett. 11, 485 (2014).
56. T. Gotoh. Control of carrier concentration in SnS films by annealing with S and Sn. Phys. Status Solidi A 213, 1869 (2016).
https://doi.org/10.1002/pssa.201532986
57. P. Jain, P. Arun. Influence of grain Size on the Band-gap of Annealed SnS Thin Films. Thin Solid Films 548, 241 (2013).
https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.09.089
58. O.E. Ogah, K.R. Reddy, G. Zoppi, I. Forbes, R.W. Miles. Annealing studies and electrical properties of SnS-based solar cells. Thin Solid Films 511, 7425 (2011).
https://doi.org/10.1016/j.tsf.2010.12.235
59. N. Revathi, S. Bereznev, M. Loorits, J. Raudoja, J. Lehner, J. Gurevits, R. Traksmaa, V, Mikli, E. Mellikov, O. Volobujeva. Annealing effect for SnS thin films prepared by high-vacuum evaporation. J. Vac. Sci. Technol. A. 32, 061506 (2014).
https://doi.org/10.1116/1.4896334
60. N.K. Samani, Z.D. Tafti, H.A. Bioki, M.B. Zarandi, S. Shayegh. Annealing effect on structural and optical constants of SnS thin films for solar cells application. Optik. 131, 231 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2016.08.129
61. Yu.P. Gnatenko, O.A. Shigil'chev, E. Rutkovskii, G. Contreras-Puente, M. Cardenas-Garcia. Photoluminescence and multiphonon resonant Raman scattering in Ni-and Codoped Zn1−xMnxTe crystals. Phys. Solid State 40, 564 (1998).
https://doi.org/10.1134/1.1130353
62. Yu.P. Gnatenko, A.S. Opanasyuk, M.M. Ivashchenko, P.M. Bukivskij, I.O. Faryna. Study of the correlation between structural and photoluminescence properties of CdSe thin films deposited by close-spaced vacuum sublimation. Mater. Sci. Semicond. Proc. 26, 663 (2014).
https://doi.org/10.1016/j.mssp.2014.06.013
63. Yu.S. Yeromenko, Yu.P. Gnatenko, A.S. Opanasyuk, D.I. Kurbatov, P.M. Bukivskij, M.S. Furier, V. Kuznetsov, A.P. Bukivskii. Photoluminescence of high optical quality CdS: Dy thin films deposited by close-spaced vacuum sublimation. J. Luminescence, 197, 343 (2018).
https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2018.01.061
64. A.P. Bukivskii, Yu.P. Gnatenko, Yu.P. Piryatinskii, R.V. Gamernyk. Nature of radiative recombination processes in layered semiconductor PbCdI2 nanostructural scintillation material. J. Luminescence 185, 83 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2016.12.054
65. M. Devika1, N. Koteeswara Reddy, M. Prashantha, K. Ramesh, S. Venkatramana Reddy, Y.B. Hahn, K.R. Gunasekhar. The physical properties of SnS filmsgrown on lattice-matched and amorphous substrates, Phys. Status Solidi A 207, 1864 (2010).
https://doi.org/10.1002/pssa.200925379
66. Smritimala Sarmah, A. Kumaю Optical properties of SnO2 nanoparticles. Indian J. Phys 84, 1211 (2010).
https://doi.org/10.1007/s12648-010-0109-9
67. N.G. Deshpande, A.A. Sagade, Y.G. Gudage, C.D. Lokhande. Ramphal Sharma, Growth and characterization of tin disulfide (SnS2) thin film deposited by successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) technique. J. Alloys and Compounds 436, 421 (2007).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
