Tokyo Tech araştırmacılarının yakın zamanda gösterdiği gibi, alkali metal safsızlıklarının eklenmesi, p-tipi tek değerlikli bakır yarı iletkenlerde taşıyıcı konsantrasyonunu ve iletkenliği önemli ölçüde artırabilir. Teorik hesaplamalar, izovalent ve daha büyük boyutlu alkali metal iyonlarıyla katkılamanın serbest yük taşıyıcılarının konsantrasyonunu nasıl artırdığını açıklamaya yardımcı oldu. Fotovoltaik cihazlardaki uygulamalarla, taşıyıcı katkılama teknolojisi, yüksek taşıyıcı konsantrasyonu ve yüksek hareketlilik ile çözelti işleminden p-tipi ince filmler üretmeyi mümkün kılmaktadır.
Yeni nesil fotovoltaik cihazları geliştirmek için perovskit güneş pilleri kapsamlı araştırmaların odak noktası olmuştur. Ancak teorinin uygulamaya geçirilebilmesi için hala aşılması gereken pek çok engel var. Bunlardan biri, fotovoltaik hücrelerde ışıkla üretilen delikleri elektroda taşıyan p-tipi yarı iletken delik taşıma katmanıyla ilgilidir. Delik katkı maddeleri, geleneksel p-tipi organik taşıma yarı iletkenlerinde kimyasal olarak reaktiftir ve güneş cihazına zarar verir. Tipik inorganik p-tipi yarı iletkenlerin üretimi yüksek sıcaklıkta işlem gerektirirken, kimyasal olarak kararlı olan inorganik p-tipi yarı iletkenler ilgi çekici alternatiflerdir. Bu bağlamda, olağanüstü delik taşıma özelliklerine ve düşük üretim sıcaklığına sahip p-tipi inorganik yarı iletkenler aranmaktadır.
Yarı İletkenlerde Performans Artıyor
Fotovoltaik cihaz uygulamalarında bu tür delik taşıma malzemeleri için en iyi adaylardan biri inorganik p-tipi bakır iyodür (CuI) yarı iletkenidir. Bu malzemedeki yerel kusurlar yük dengesizliğine ve serbest yük taşıyıcılarına neden olur. Bununla birlikte, toplam hata sayısı tipik olarak optimum cihaz performansı için çok düşüktür.
Yarı iletkenlerin taşıma özelliklerini ve cihazların performansını artırmak için altın standart teknik, alıcı (pozitif yüklü) veya verici (negatif yüklü) niteliklere sahip safsızlıkların eklenmesini içeren “safsızlık katkısıdır”. Bu tür safsızlıklar olarak, geleneksel teknikler, bileşen atomlardan daha düşük değerliğe sahip iyonları kullanmıştır.
Bakır bileşiklerinde p-tipi katkılama kanıtlanmamıştır çünkü Cu(I)-tabanlı yarı iletkenlerde tek değerlikli bakır iyonlarından (sıfır değerlik) daha düşük değerliğe sahip bir iyon yoktur.
Japonya ve ABD’den araştırmacılar son zamanlarda CuI’de p-tipi katkılama için yeni bir taşıyıcı katkılama tasarımı önermek amacıyla bakır oksit (Cu2O) ve Cu(In,Ga)Se2’de delik katkılama için deneysel olarak kullanılan alkali safsızlık etkisine odaklandılar.
Japonya, Tokyo Teknoloji Enstitüsü’nden (Tokyo Tech) Dr. Kosuke Matsuzaki liderliğindeki ekip, Journal of the American Chemical Society’de yayınlanan bir çalışmada, bakırla aynı değerliğe sahip ancak daha büyük boyutlu alkali iyon safsızlıklarıyla p-tipi katkılamanın Cu(I)-tabanlı yarı iletkenlerde iletkenliği artırabileceğini deneysel olarak gösterdi. Teorik analizler, bakır iyonu boşlukları ve alkali iyon safsızlıklarından oluşan kompleks kusurların delik oluşumunun (p-tipi iletkenlik) kaynağı olduğunu göstermektedir.
Alkali metal safsızlıklarının bakır oksitteki taşıyıcı konsantrasyonunu artırdığı iyi bilinmesine rağmen, altta yatan süreç şimdiye kadar araştırmacıların dikkatinden kaçmıştı. Dr. Matsuzaki, artık bu mekanizmanın açıklığa kavuştuğunu belirtiyor: “Deneysel çalışmalar ve teorik analizlerin bir kombinasyonunu kullanarak Cu(I) tabanlı yarı iletkenlerdeki alkali safsızlıkların etkisini belirleyebildik. Cu2O kusur kompleksleri, alkali metal Na safsızlığının yakındaki Cu iyonları ile etkileşimi sonucu oluşur. Buna karşılık, kompleksler delik üreten bir kaynak haline gelir.”
Kristal yapıya bir safsızlık eklendiğinde meydana gelen elektrostatik Coulomb itmesi sonucu çoklu alıcı tipi bakır boşlukları oluşur ve yakındaki Cu iyonlarını ve Cu atomlarını yerlerinden çıkarır. Sonuç olarak, p-tipi taşıyıcıların toplam konsantrasyonu yükselir ve p-tipi iletkenlik artar. “Simülasyonlarımız, kristal örgüdeki boş bölgelerin elektrostatik itmeyi tetiklemesi için safsızlığın önemli ölçüde daha büyük olması gerektiğini gösteriyor. Lityum gibi daha küçük alkali safsızlıklar, kristal kafesin yeterince deforme olmamasına neden olur, çünkü safsızlık iyonları ara boşluklara düşer” diye ekliyor Dr. Matsuzaki.
Araştırmacılar, -CuI’deki potasyum, rubidyum ve sezyum (Cs) gibi daha büyük alkali iyonlar olan alıcı safsızlıklarını, alıcı tipi Cu boşluk kusur kompleksi oluşturmak için p-tipi katkılama işlemine dayanarak inceledi. Hem tek kristallerde hem de çözeltiden yapılan ince filmlerde kararlı yük taşıyıcılarının (1013 – 1019 cm-3) konsantrasyonunu daha da artırmak için, Cs iyonları aralarına daha fazla Cu boşluğu ekleyebilir. “Bu, tekniğin belirli cihazlar ve uygulamalar için düşük sıcaklıkta işleme sırasında taşıyıcı konsantrasyonlarını hassas bir şekilde kontrol etmek için uygulanabileceği anlamına geliyor. Sonuç olarak, bu p-tipi malzemeler için çok çeşitli yeni uygulamalar mümkün olacaktır” diyor Matsuzaki.
Gerçekten de bu ilerleme bakır(I)-tabanlı yarı iletkenler için önemli bir adım olabilir ve yakında güneş pillerinde ve diğer optoelektronik bileşenlerde yaygın olarak kullanılmalarıyla sonuçlanabilir.
Kaynak: titech
