Фоточувствительность GaAs- и CdSe-электродов, модифицированных фуллеритами
Изучены фотоэлектрохимические процессы на GaAs-электродах и электродах на основе поликристаллических пленок CdSe, поверхность которых модифицирована фуллеритами. Показано, что модифицирование электродов приводит к увеличению их фоточувствительности. Проанализированы причины увеличения эффективности...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Дата: | 2008 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2008
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76202 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Фоточувствительность GaAs- и CdSe-электродов, модифицированных фуллеритами / Г.Я. Колбасов, В.М. Огенко, И.А. Русецкий, О.В. Набока, И.А. Слободянюк // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 4. — С. 1129-1135. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859973926754451456 |
|---|---|
| author | Колбасов, Г.Я. Огенко, В.М. Русецкий, И.А. Набока, О.В. Слободянюк, И. А. |
| author_facet | Колбасов, Г.Я. Огенко, В.М. Русецкий, И.А. Набока, О.В. Слободянюк, И. А. |
| citation_txt | Фоточувствительность GaAs- и CdSe-электродов, модифицированных фуллеритами / Г.Я. Колбасов, В.М. Огенко, И.А. Русецкий, О.В. Набока, И.А. Слободянюк // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 4. — С. 1129-1135. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| description | Изучены фотоэлектрохимические процессы на GaAs-электродах и электродах на основе поликристаллических пленок CdSe, поверхность которых модифицирована фуллеритами. Показано, что модифицирование
электродов приводит к увеличению их фоточувствительности. Проанализированы причины увеличения эффективности преобразования, связанные, в основном, с уменьшением скорости поверхностной рекомбинации.
Вивчено фотоелектрохемічні процеси на GaAs-електродах і електродах на
основі полікристалічних плівок CdSe, поверхню яких модифіковано фуллеритами. Показано, що модифікування електрод призводить до збільшення їхньої фоточутливости. Проаналізовано причини збільшення ефективности перетворення, які пов’язані, в основному, зі зменшенням
швидкости поверхневої рекомбінації.
Photoelectrochemical processes occurred on GaAs electrodes and electrodes
based on polycrystalline CdSe films with surface modified with fullerites are investigated.
As shown, the electrode modification causes an increase in their photosensitivity.
Reasons for conversion-efficiency enhancement are conditioned
mainly by deceleration of surface recombination.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:22:19Z |
| format | Article |
| fulltext |
1129
PACS numbers: 81.16.Hc, 82.45.Aa, 82.45.Fk, 82.45.Mp, 82.45.Yz, 82.47.Jk, 84.60.Jt
Фоточувствительность GaAs- и CdSe-электродов,
модифицированных фуллеритами
Г. Я. Колбасов, В. М. Огенко, И. А. Русецкий, О. В. Набока,
И. А. Слободянюк
Институт общей и неорганической химии НАН Украины,
просп. Акад. Палладина, 32/34,
03680, ГСП, Киев-142, Украина
Изучены фотоэлектрохимические процессы на GaAs-электродах и элек-
тродах на основе поликристаллических пленок CdSe, поверхность кото-
рых модифицирована фуллеритами. Показано, что модифицирование
электродов приводит к увеличению их фоточувствительности. Проанали-
зированы причины увеличения эффективности преобразования, связан-
ные, в основном, с уменьшением скорости поверхностной рекомбинации.
Вивчено фотоелектрохемічні процеси на GaAs-електродах і електродах на
основі полікристалічних плівок CdSe, поверхню яких модифіковано фул-
леритами. Показано, що модифікування електрод призводить до збіль-
шення їхньої фоточутливости. Проаналізовано причини збільшення ефе-
ктивности перетворення, які пов’язані, в основному, зі зменшенням
швидкости поверхневої рекомбінації.
Photoelectrochemical processes occurred on GaAs electrodes and electrodes
based on polycrystalline CdSe films with surface modified with fullerites are in-
vestigated. As shown, the electrode modification causes an increase in their pho-
tosensitivity. Reasons for conversion-efficiency enhancement are conditioned
mainly by deceleration of surface recombination.
Ключевые слова: селенид кадмия, арсенид галлия, фуллериты, фото-
электрохимические процессы, преобразование солнечной энергии.
(Получено 23 ноября 2007 г.)
1. ВВЕДЕНИЕ
Для использования в качестве электродов электрохимических пре-
образователей солнечной энергии перспективными являются полу-
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2008, т. 6, № 4, сс. 1129—1135
© 2008 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
1130 Г. Я. КОЛБАСОВ, В. М. ОГЕНКО, И. А. РУСЕЦКИЙ и др.
проводниковые материалы, имеющие высокое значение коэффици-
ента поглощения света в видимой области спектра, в частности
GaAs и CdSe. Для повышения эффективности фотопреобразования
могут быть использованы различные методы модифицирования их
поверхности, например, осаждение наночастиц металлов и прово-
дящих полимеров, создание на их основе полупроводниковых нано-
гетероструктур и других наноструктурных систем. Нами изучены
монокристаллические эпитаксиальные пленки n-GaAs и поликри-
сталлические пленки CdSe, поверхность которых модифицирова-
лась фуллеритами. Для повышения эффективности преобразования
солнечного света перспективно модифицировать поверхность полу-
проводников фуллеритами в связи с их высоким сродством к элек-
трону (2,6—2,8 эВ для С60). Также фуллерены обладают целым ря-
дом уникальных физико-химических свойств, зависящих от со-
держания атомов углерода в молекулах [1, 2]. Было показано, что
пленки и растворы индивидуальных фуллеренов являются пер-
спективными для получения новых оптических устройств, сверх-
проводящих материалов и самоорганизующихся структур [1].
Можно предположить, что смеси фуллеренов будут более равномер-
но покрывать поверхность и проявлять синергизм свойств.
2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Пленки CdSe получали путем пульверизации суспензии мелкодис-
персных порошков CdSe и CdCl2 на Ti-подложку и последующего их
спекания в инертной атмосфере при 600—650°С в течение 15—30 мин
[3]. Размер кристаллитов в пленке СdSe после рекристаллизации
составлял 1—2 мкм.
Для модифицирования поверхности был использован бензоль-
ный экстракт фуллеренов, полученный дуговым методом. Из ис-
следований масс-спектров получено, что в растворе находились
преимущественно фуллерены C60, C70, C84.
Для модифицирования CdSe высушенный экстракт сублимирова-
ли на охлаждаемую CdSe-подложку в вакууме при 600°С в течение 30
мин. Модифицирование GaAs фуллеритами производили путем еди-
ничного нанесения капель разбавленного экстракта на обезжирен-
ную поверхность. Удаление растворителя проводили в режиме быст-
рой сушки на воздухе в течение 1—2 мин. Разбавление экстракта
производили до тех пор, пока при высушивании растворителя в об-
ласти трехфазного контакта не происходило преимущественного об-
разования кристаллов размером до 15 нм с незначительным наличи-
ем кристаллов размером 50—500 нм, характеризующихся пластин-
чатой формой и отстоящих друг от друга на 500—1000 нм. Нано-
структурированная поверхность полупроводников изучалась мето-
дами АСМ (рис. 1) и СЭМ. Спектральные зависимости фотоэлектро-
ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ GaAs- И CdSe-ЭЛЕКТРОДОВ С ФУЛЛЕРИТАМИ 1131
химического тока измеряли на установке, аналогичной описанной в
[4], в состав которой входили монохроматор МДР-2, а источником
света являлась ксеноновая лампа ДКСШ-1000 со стабилизирован-
ным током разряда. Количество квантов света, падающих на элек-
трод, определяли при помощи термоэлектрического преобразователя
РТН-10С. Вольт-емкостные измерения и измерения частотной зави-
симости емкости электродов проводили с помощью моста переменно-
го тока ВМ 401 (TESLA). Для изучения кинетики релаксации фото-
потенциала использовали импульсный азотный лазер ЛГИ-21
(λ = 0,337 мкм, Ри = 1300 Вт/см
2, τи = 15 нс). Временное разрешение
измерительной установки составляло 50 нс.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Фоточувствительность электродов определялась в полисульфидном
растворе, в котором изучаемые электроды относительно стабильны
[5, 6]. На рисунке 2 показаны вольт-амперные характеристики
электродов при освещении. Видно, что модифицирование поверх-
ности фуллеритами приводит к увеличению фоточувствительности
электродов. Увеличение фотоэлектрохимического тока I после мо-
дифицирования поверхности фуллеритами можно объяснить сле-
дующим образом. Как показано в [5], для случая сильного погло-
щения света вблизи поверхности полупроводника n-типа величина
I описывается выражением:
= Φ −
+
a
s
na
p s
k
I e I
S k
, (1)
где Ф – интенсивность освещения; ks
a
и Sp – соответственно скоро-
сти анодной и реакций и поверхностной рекомбинации; In – ток ре-
акции с участием основных носителей заряда (электронов). В случае,
когда скорость поверхностной рекомбинации Sp сопоставима с вели-
чиной ks
a, фототок может существенно уменьшиться. Для соединений
а б
Рис. 1. Микрофотография (АСМ) поверхности арсенида галлия: а – чис-
тая поверхность; б – поверхность,модифицированная фуллеренами.
1132 Г. Я. КОЛБАСОВ, В. М. ОГЕНКО, И. А. РУСЕЦКИЙ и др.
типа A
IIBVI
величина может достигать значений ∼ 105
см/с [3]. Увели-
чение фототока после осаждения фуллеритов мы объясняем тем, что
они осаждаются на поверхностные активные центры, являющиеся
центрами рекомбинации фотогенерированных носителей заряда, и
уменьшают их активность в процессах рекомбинации.
Влияние модифицирования поверхности полупроводников фул-
леритами на их поверхностный заряд определялось из исследования
величины потенциала плоских зон Епз, где значения Епз получали из
измерений вольт-емкостных характеристик слоя Шоттки [7] по за-
висимости обратного квадрата высокочастотной емкости (f = 20 кГц)
от потенциала (рис. 3). Кроме того, для пленок CdSe изменение заря-
да поверхности оценивали из зависимости фотонапряжения V между
пленкой и вспомогательным электродом (Cu2S) от потенциала Е при
мощности освещения ∼ 50 мВт/см
2
при изменении сопротивления
нагрузки от 108
Ом до 10−1
Ом. Нами найдено, что как величина по-
тенциала плоских зон Епз, так и величина V практически не изменя-
лись после модифицирования электрода фуллеритами в водных рас-
творах с рН = 6—12, то есть, поверхностный заряд изучаемых полу-
проводниковых электродов не изменялся.
Для изучения рекомбинационных процессов исследовалась кине-
тика релаксации фотопотенциала Еф после освещения полупровод-
ников импульсным азотным лазером (рис. 4). Найдено, что кинетика
спада фотопотенциала Еф(τ) зависела от состояния поверхности GaAs.
При измерении кинетики процесса релаксации наблюдались 2 участ-
ка (рис. 4) на Еф—τ-зависимости (τ1/2 ≤ 300 нс и τ1/2 ≥ 40 мкс), характе-
ризующие «быстрые» и «медленные» центры рекомбинации на GaAs-
электроде. Увеличение влияния участка быстрой рекомбинации на
Рис. 2. Зависимость фототока ј от потенциала Е для исходного CdSe-элек-
трода (1) и модифицированного фуллеритами (2) в растворе 1 М Na2S + 1 М
NaOH + 1 М S. Мощность освещения 44,12 мВт/см
2. Потенциал Е измерен
относительно хлорсеребряного электрода сравнения.
ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ GaAs- И CdSe-ЭЛЕКТРОДОВ С ФУЛЛЕРИТАМИ 1133
кинетику процесса релаксации фотопотенциала было более сильным
при катодных потенциалах, что указывает на возрастание скорости
поверхностной рекомбинации при уменьшении потенциального
барьера для электронов, согласно теории мономолекулярной реком-
бинации для полупроводника n-типа. Природа локальных центров на
GaAs-электроде, ответственных за наблюдаемые эффекты, может
быть обусловлена адсорбированным на поверхности кислородом, а
также поверхностными оксидами, имеющими сложную структуру,
диссоциация которых при больших рН приводит к увеличению плот-
ности «быстрых» центров рекомбинации [7]. Модифицирование по-
верхности фуллеритами приводило к уменьшению потерь фотогене-
рированных носителей заряда на рекомбинацию, что проявлялось в
увеличении характеристического времени «быстрой» и «медленной»
релаксации и возрастании амплитуды фотопотенциала, т.е. повыше-
нии фоточувствительности электрода. Время спада фотопотенциала
на участке более медленной релаксации определяется подводом элек-
тронов к поверхности [8]. При небольшой амплитуде импульсного
возбуждения (малой величине фото-э.д.с. Еф < 1kT/e) зависимость
времени релаксации τ от поверхностного изгиба зон Ys при лимити-
рующей стадии доставки электронов к поверхности определяется из
выражения [8]
0
41
exp
n s
s
e Y
Y
π μ
=
τ εε
, (2)
где μn – подвижность электронов; ε – статическая диэлектриче-
� �� �
V
,
В
Рис. 3. Зависимость обратного квадрата дифференциальной емкости С
−2
для GaAs (1, 2) в 1 н KCl и фотонапряжения V между пленкой CdSe (3, 4) и
вспомогательным электродом в полисульфидном растворе от потенциала Е
для исходных GaAs- и CdSe-электродов (1, 3) и для модифицированных
фуллеритами (2, 4).
1134 Г. Я. КОЛБАСОВ, В. М. ОГЕНКО, И. А. РУСЕЦКИЙ и др.
ская проницаемость полупроводника; ε0 – диэлектрическая про-
ницаемость вакуума. Мы получили, что время медленной релакса-
ции фотопотенциала также зависит от наличия фуллеренов на по-
верхности полупроводника, однако эта зависимость более слабая,
чем для участка быстрой релаксации. Таким образом, кинетика ре-
лаксации поверхностной фото-э.д.с. подтверждает данные о влия-
нии поверхностной рекомбинации на величину фототока. Об
уменьшении скорости поверхностной рекомбинации, т.е. измене-
нии плотности поверхностных электронных состояний после моди-
фицирования электродов фуллеритами, свидетельствовало также
уменьшение частотной зависимости дифференциальной емкости
электродов измеренной по параллельной схеме замещения на низ-
кой частоте (f = 120 Гц) [9].
Следует отметить также, что модифицирование поверхности
полупроводников фуллеритами приводило к увеличению кванто-
вого выхода фотоэлектрохимического тока в широкой спектраль-
ной области (hν = 2—5 эВ).
Полученные результаты можно объяснить как взаимодействием
фуллеренов с медленными центрами рекомбинации, так и рядом
фотохимических реакций, протекающих под воздействием УФ из-
лучения. Так, известно, что при взаимодействии фуллерена С60 с
поверхностью n-GaAs происходит небольшой перенос заряда к С60
(≤ 0,02 электрона на молекулу [10]). Возможно, такое смещение
способно инактивировать медленные центры рекомбинации, пред-
положительно являющиеся заряженными. Кроме того, локально
образующиеся при УФ облучении фотополимеры фуллеренов могут
существенно влиять на электрон-транспортные процессы вследст-
вие проявления отличных от исходных фуллеренов свойств (к при-
а б
Рис. 4. Релаксация фотопотенциала на GaAs-электроде (а – быстрая, б –
медленная) в растворе 1 н KCl (1) и после наноструктурирования поверх-
ности (2).
ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ GaAs- И CdSe-ЭЛЕКТРОДОВ С ФУЛЛЕРИТАМИ 1135
меру, в [11] показано, что двухмерный гексагональный фотополи-
мер С60 обладает сопротивлением на несколько порядков ниже со-
противления неполимеризованного С60).
4. ВЫВОДЫ
Установлено, что увеличение эффективности фотопреобразования
после наноструктурирования поверхности GaAs- и CdSe-электродов
фуллеритами связано с уменьшением поверхностной рекомбина-
ции. Полученные значения фотопотенциала показывают, что эти
электроды перспективны для использования в электрохимических
системах для преобразования солнечной энергии.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. J. R. Baena, M. Gallego, and M. Valcárcel, Trends in Analytical Chemistry, 21,
No. 3: 187 (2002).
2. C. Zhou, J. Wu, B. Han, and S. Yao, Phys. Rev. B, 73: 195324-1 (2006).
3. Г. Я. Колбасов, И. И. Карпов, А. М. Павелец, Л. Н. Ханат, Электрохимия,
21, № 9: 1236 (1985).
4. V. S. Kublanovsky, G. Ya. Kolbasov, and K. I. Litovchenko, Polish J. Chem.,
270, No. 11: 1453 (1996).
5. Г. Я. Колбасов, А. В. Городыский, Процессы фотостимулированного пере-
носа заряда в системе полупроводник—электролит (Киев: Наукова думка:
1993).
6. Є. В. Кузьмінський, Г. Я. Колбасов, Я. Ю. Тевтуль, Н. Б. Голуб, Нетради-
ційні електрохімічні системи перетворення енергії (Київ: Академперіоди-
ка: 2002).
7. Ю. Я. Гуревич, Ю. В. Плесков, Фотоэлектрохимия полупроводников (Мо-
сква: Наука: 1983).
8. Н. Д. Дмитрук, Г. Я. Колбасов, Н. И. Тараненко, Укр. хим. журн., 65, №
12: 1295 (1989).
9. И. А. Русецкий, Г. Я. Колбасов, Д. Б. Данько и др., Укр. хим. журн., 70, № 9:
44 (2004).
10. T. R. Ohno, Y. Chen, S. E. Harvey, G. H. Kroll et al., Phys. Rev. B, 44, No. 24:
13747 (2004).
11. J. Onoe, T. Nakayama, M. Aono, and T. Hara, J. Phys. Chem. Solids, 65: 343
(2004).
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-76202 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1816-5230 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:22:19Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Колбасов, Г.Я. Огенко, В.М. Русецкий, И.А. Набока, О.В. Слободянюк, И. А. 2015-02-08T18:17:42Z 2015-02-08T18:17:42Z 2008 Фоточувствительность GaAs- и CdSe-электродов, модифицированных фуллеритами / Г.Я. Колбасов, В.М. Огенко, И.А. Русецкий, О.В. Набока, И.А. Слободянюк // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 4. — С. 1129-1135. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 81.16.Hc,82.45.Aa,82.45.Fk,82.45.Mp,82.45.Yz,82.47.Jk,84.60.Jt https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76202 Изучены фотоэлектрохимические процессы на GaAs-электродах и электродах на основе поликристаллических пленок CdSe, поверхность которых модифицирована фуллеритами. Показано, что модифицирование электродов приводит к увеличению их фоточувствительности. Проанализированы причины увеличения эффективности преобразования, связанные, в основном, с уменьшением скорости поверхностной рекомбинации. Вивчено фотоелектрохемічні процеси на GaAs-електродах і електродах на основі полікристалічних плівок CdSe, поверхню яких модифіковано фуллеритами. Показано, що модифікування електрод призводить до збільшення їхньої фоточутливости. Проаналізовано причини збільшення ефективности перетворення, які пов’язані, в основному, зі зменшенням швидкости поверхневої рекомбінації. Photoelectrochemical processes occurred on GaAs electrodes and electrodes based on polycrystalline CdSe films with surface modified with fullerites are investigated. As shown, the electrode modification causes an increase in their photosensitivity. Reasons for conversion-efficiency enhancement are conditioned mainly by deceleration of surface recombination. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Фоточувствительность GaAs- и CdSe-электродов, модифицированных фуллеритами Photosensitivity of GaAs and CdSe Electrodes Modified with Fullerites Article published earlier |
| spellingShingle | Фоточувствительность GaAs- и CdSe-электродов, модифицированных фуллеритами Колбасов, Г.Я. Огенко, В.М. Русецкий, И.А. Набока, О.В. Слободянюк, И. А. |
| title | Фоточувствительность GaAs- и CdSe-электродов, модифицированных фуллеритами |
| title_alt | Photosensitivity of GaAs and CdSe Electrodes Modified with Fullerites |
| title_full | Фоточувствительность GaAs- и CdSe-электродов, модифицированных фуллеритами |
| title_fullStr | Фоточувствительность GaAs- и CdSe-электродов, модифицированных фуллеритами |
| title_full_unstemmed | Фоточувствительность GaAs- и CdSe-электродов, модифицированных фуллеритами |
| title_short | Фоточувствительность GaAs- и CdSe-электродов, модифицированных фуллеритами |
| title_sort | фоточувствительность gaas- и cdse-электродов, модифицированных фуллеритами |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76202 |
| work_keys_str_mv | AT kolbasovgâ fotočuvstvitelʹnostʹgaasicdseélektrodovmodificirovannyhfulleritami AT ogenkovm fotočuvstvitelʹnostʹgaasicdseélektrodovmodificirovannyhfulleritami AT ruseckiiia fotočuvstvitelʹnostʹgaasicdseélektrodovmodificirovannyhfulleritami AT nabokaov fotočuvstvitelʹnostʹgaasicdseélektrodovmodificirovannyhfulleritami AT slobodânûkia fotočuvstvitelʹnostʹgaasicdseélektrodovmodificirovannyhfulleritami AT kolbasovgâ photosensitivityofgaasandcdseelectrodesmodifiedwithfullerites AT ogenkovm photosensitivityofgaasandcdseelectrodesmodifiedwithfullerites AT ruseckiiia photosensitivityofgaasandcdseelectrodesmodifiedwithfullerites AT nabokaov photosensitivityofgaasandcdseelectrodesmodifiedwithfullerites AT slobodânûkia photosensitivityofgaasandcdseelectrodesmodifiedwithfullerites |