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