Введение
Глава 1. Литературный обзор 6
1.1. Фотовольтаический эффект в солнечном элементе, основанном на p-n
переходе 6
1.2. Материалы для формирования фотопреобразователей 9
1.3. Солнечные элементы на основе перовскитов 11
1.4. Структура, свойства манганитов перовскитов LCMO 14
1.5. Электропроводность твердых растворов La1-xCaxMnO3. Механизм
двойного обмена 18
Выводы к главе 1 22
Глава 2. Методы получения и анализа использованные при исследовании образцов Lа1-хCахMnOх 23
2.1. Получение объёмных образцов La1.хCaхMnOх, рентгенофазовый анализ
образцов 23
2.2. Получение гетероструктур на основе La1-xCaxMnO3, определение
толщины методом атомно-силовой микроскопии 25
2.3. Исследование электропроводности и магнетосопротивления 29
2.3.1. Теория прыжковой проводимости 29
2.3.2. Четырех зондовый метод 32
2.4. Исследование ВАХ гетероструктуры 34
Выводы к главе 2 35
Глава 3. Обсуждение результатов исследования свойств объёмных образцов
LCMO и гетероструктуры на их основе 36
3.1. Исследование механизмов электропроводности и микропарамеров
La0.7Ca0.3MnO3 и La0.3Ca0.7MnO3 36
3.2. ВАХ гетероструктуры 42
Выводы к главе 3 44
Заключение 45
Список использованной литературы 46
В настоящее время, кризис энергетических и минеральных ресурсов является глобальной проблемой. Другой не менее важной проблемой является глобальное потепление. Существует мнение, что глобальное потепление является результатом промышленной деятельности человечества. Мы наблюдаем как химическое, так и тепловое загрязнение планеты в результате сжигания топлива (на сегодняшний день,более 70 % электроэнергии вырабатывается за счёт сжигания минерального и органического топлива). Поэтому перед людьми стоит задача поиска новых экологически чистых высокоэффективных источников энергии, не зависящих от наших планетарных ресурсов.
Среди наиболее перспективных источников экологически чистой энергии важное место занимают фотоэлектрические полупроводниковые преобразователи (ФЭПП) солнечной энергии. Использование этого вида энергии не загрязняет окружающую среду и не нарушает тепловой баланс планеты. ФЭПП обладают следующими основными преимуществами:
• Неограниченность запаса солнечной энергии;
• Отсутствие вредных твердых отходов и выбросов в окружающую среду;
• Относительно простая конструкция, что позволяет использовать их в самых разных климатических условиях;
• Высокая надёжность;
Однако, высокая стоимость электроэнергии выше, чем у произведённой на традиционных видах топлива и низкие значения коэффициента полезного действия материалов и устройств ФЭПП являются основным препятствием их широкого применения. С 2010 года, наблюдается быстрое улучшение характеристик перовскитных солнечных элементов, что делает перовскиты перспективными материалами для использования в тонких поглощающих солнечную энергию слоях при создании фотовольтаических структур [1]. Обширное семейство перовскитов характеризуется сходством кристаллической структуры аналогичным структуре CaTiO3 [2]. К этим материалам относится четверное соединение La1-xCaxMnO3 (LCMO), которое обладает высоким коэффициентом поглощения света c шириной запрещённой зоны ~ 1.2 эВ [3, 4]. Достоинством этих материалов является низкая цена и отсутствие токсичности.
Цель работы:
Целью настоящей работы является изучение свойств манганитов перовскитов и гетероструктур на их основе, что является предпосылкой для производства солнечных элементов из перовскитных манганитов. В настоящее время, отсутствие надежной информации о свойствах, методах получения и технологии получения, основанной на физических свойствах LCMO является одним из основных факторов, сдерживающих прикладные разработки на основе этих материалов. Исходя из цели исследований были сформулированы следующие задачи: получение образцов твердого раствора манганитов La0.3Ca0.7MnO3 и La0.7Ca0.3MnO3, получение гетерструктур на их основе и исследование их электрических свойств. Для достижения поставленной цели и реализации задач было необходимо:
1. Применить твердотельную керамическую технологию к получению объёмных образцов La0.3Ca0.7MnO3 и La0.7Ca0.3MnO3 и провести характеризацию синтезированного материала.
2. Подготовить подложки La0.7Ca0.3MnO3для вч-магнетронного
напыления.
3. Подготовить твердотельные керамические мишени La0.3Ca0.7MnO3 для напыления тонких плёнок методом вч-магнетронного напыления.
4. Исследовать механизмы электропроводности и магнетосопротивление объёмных образцов La0.3Ca0.7MnO3 и La0.7Ca0.3MnO3.
5. Получить методом вч-магнетронного напыления гетероструктуру на основе твёрдых растворов La0.3Ca0.7MnO3 и La0.7Ca0.3MnO3.
6. Исследовать вольт-амперные характеристики гетероструктуры Cu/n- Еа0,7Са0.зМпОз/р-Га0.зСао.7МпОз/Ад.
7. Определить основные физические характеристики полученных плёнок и объёмных образцов:
- Исследовать состав и структуру полученных образцов.
- Исследовать оптические и электрические свойства.
- Провести исследование температурных зависимостей электропроводности магнетосопротивления и определение механизмов проводимости керамических образцов.
В результате выполнения настоящей магистерской диссертации были проведены технологические работы и эксперименты по получению объёмных образцов, подложек, твердотельных мишеней, тонких плёнок и гетероструктур. Твердотельная керамическая технология была применена для получения объёмных образцов La0.3Ca0.7MnO3 и La0.7Ca0.3MnO3, затем была проведена характеризация и контроль качества синтезированного материала. Были подготовлены подложки La0.3Ca0.7MnO3 для вч- магнетронного напыления и подготовлены твердотельные керамические мишени La0.7Ca0.3MnO3 для напыления тонких плёнок методом вч- магнетронного напыления. В настоящей магистерской диссертации подробно описаны эксперименты и изложены результаты исследования температурных зависимостей удельной электроповодности объёмных керамических образцов La0.3Ca0.7MnO3 и La0.7Ca0.3MnO3. На основании этих исследований были рассчитаны следующие микропараметры: ширина кулоновской щели, в нулевом внешнем магнитном поле, составляла А = 0.22 эВ и 0.42 эВ, значение жесткой щели в ПЛС составило д = 0.049 эВ и 0.055 эВ соответственно для La0.3Ca0.7MnO3 и La0.7Ca0.3MnO3. Полученные результаты не противоречат информации известной нам из научной литературы посвящённой исследованию манганитов перовскитов. Установлено, что методом вч-магнетронного напыления можно получить гетероструктуру с нелинейной вольт-амперной характеристикой диодного типа. Исследование ВАХ полученных р-n переходов позволяет предположить возможность получения в дальнейшем на основе применения технологии вч- магнетронного напыления и твёрдых растворов La1-xCaxMnO3 фотовольтаических структур для солнечной энергетики.
