การเติมสารพาหะใหม่ในเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์เซลล์แสงอาทิตย์โดยการเพิ่มความเข้มข้นของรู

สารกึ่งตัวนำไอโอไดด์ทองแดงชนิด p อนินทรีย์ (CuI) เป็นตัวเลือกชั้นนำสำหรับวัสดุการขนส่งรูดังกล่าวในการใช้งานอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ ในเนื้อหานี้ ข้อบกพร่องดั้งเดิมก่อให้เกิดความไม่สมดุลของประจุและตัวพาประจุฟรี อย่างไรก็ตาม จำนวนข้อบกพร่องโดยรวมโดยทั่วไปต่ำเกินไปสำหรับประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่น่าพอใจ การเพิ่มสิ่งเจือปนด้วยคุณสมบัติตัวรับ (ประจุบวก) หรือตัวบริจาค (ประจุลบ) หรือที่เรียกว่า "การเติมสิ่งเจือปน" เป็นวิธีมาตรฐานทองคำสำหรับเสริมคุณสมบัติการขนส่งของเซมิคอนดักเตอร์และประสิทธิภาพของอุปกรณ์ ในวิธีการทั่วไป ไอออนที่มีวาเลนซ์ต่ำกว่าอะตอมที่เป็นองค์ประกอบถูกใช้เป็นสารเจือปนดังกล่าว อย่างไรก็ตาม ในเซมิคอนดักเตอร์ที่มีพื้นฐานเป็น Cu(I) ไม่มีไอออนที่มีเวเลนซ์ต่ำกว่าไอออนของทองแดงโมโนวาเลนต์ (เวเลนซ์เป็นศูนย์) ดังนั้นจึงไม่มีการสร้างสารเจือชนิด p ในสารประกอบทองแดง เพื่อเสนอการออกแบบยาสลบพาหะใหม่สำหรับการเติมยาสลบชนิด p ใน CuI นักวิจัยจากประเทศญี่ปุ่นและสหรัฐอเมริกาเพิ่งมุ่งเน้นไปที่ผลกระทบของสารเจือปนอัลคาไล ซึ่งถูกนำมาใช้ในเชิงประจักษ์สำหรับการเติมยาสลบในสารกึ่งตัวนำทองแดงโมโนวาเลนต์ คอปเปอร์ออกไซด์ (Cu 2 O) และ Cu (อิน,กา)เส2 . ในแนวทางใหม่ที่ระบุไว้ในการศึกษาที่ตีพิมพ์ในวารสารAmerican Chemical Societyทีมงานซึ่งนำโดย Dr. Kosuke Matsuzaki จาก Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) ประเทศญี่ปุ่น ได้สาธิตการทดลองว่าการเติม p-type กับสารเจือปนอัลคาไลไอออน ซึ่งมีวาเลนซ์เท่ากับทองแดงแต่มีขนาดใหญ่ขึ้น สามารถปรับปรุงการนำไฟฟ้าในเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ Cu(I) ได้ การวิเคราะห์ทางทฤษฎีแสดงให้เห็นว่าข้อบกพร่องที่ซับซ้อน ซึ่งประกอบด้วยสิ่งเจือปนไอออนอัลคาไลและไอออนทองแดงที่ว่าง เป็นแหล่งกำเนิดของการเกิดรู (การนำไฟฟ้าแบบ p) แม้ว่าสิ่งเจือปน โลหะแอลคาไล จะเพิ่มความเข้มข้นของพาหะในคอปเปอร์ออกไซด์ กลไกพื้นฐานยังคงเป็นปริศนาสำหรับนักวิทยาศาสตร์จนถึงปัจจุบัน กลไกนี้ได้รับการอธิบายแล้ว ดังที่ดร. มัตสึซากิอธิบายว่า "โดยใช้การศึกษาทดลองและการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีร่วมกัน เราจัดการเพื่อเปิดเผยผลกระทบของสิ่งเจือปนอัลคาไลในเซมิคอนดักเตอร์ที่มีเบสเป็น Cu(I) สิ่งเจือปนของโลหะอัลคาไล Na ทำปฏิกิริยากับ ไอออน Cu ที่อยู่ใกล้เคียงใน Cu 2 O เพื่อสร้างสารประกอบเชิงซ้อนที่บกพร่อง ในทางกลับกัน สารประกอบเชิงซ้อนจะนำไปสู่แหล่งที่มาของรูพรุน" เมื่อมีการเพิ่มสิ่งเจือปนเข้าไปในโครงสร้างผลึก การผลักประจุไฟฟ้าสถิตระหว่างสิ่งเจือปนและไอออน Cu ที่อยู่ใกล้เคียงจะผลักอะตอมของ Cu ออกจากตำแหน่งในโครงสร้างและนำไปสู่การเกิดตำแหน่งว่างของทองแดงประเภทตัวรับหลายตำแหน่ง ในทางกลับกัน สิ่งนี้จะเพิ่มความเข้มข้นของพาหะประเภท p ทั้งหมด และเป็นผลให้ค่าการนำไฟฟ้าชนิด p เพิ่มขึ้น "การจำลองของเราแสดงให้เห็นว่าสิ่งเจือปนนั้นค่อนข้างใหญ่สำหรับพื้นที่ว่างในตาข่ายคริสตัลเพื่อกระตุ้นไฟฟ้าสถิต สำหรับสิ่งเจือปนอัลคาไลที่มีขนาดเล็กกว่า เช่น ลิเธียม ไอออนของสิ่งเจือปนจะตกลงไปยังพื้นที่คั่นระหว่างหน้า และไม่เพียงพอที่จะทำให้คริสตัลเสียรูป ขัดแตะ" ดร. มัตสึซากิอธิบายอย่างละเอียด จากกลไกการเติม p-type เพื่อสร้างสารตัวรับชนิด Cu vacancy defect complex ทีมงานได้ตรวจสอบไอออนอัลคาไลน์ขนาดใหญ่ เช่น โพแทสเซียม รูบิเดียม และซีเซียม (Cs) เป็นสารเจือปนในตัวรับใน ?-CuI ในหมู่พวกมัน ไอออน Cs สามารถจับกับตำแหน่งที่ว่างของ Cu ได้มากขึ้น ซึ่งนำไปสู่ความเข้มข้นที่มากขึ้นของตัวพาประจุที่เสถียร (10 13 -- 10 19 cm -3 ) ทั้งในผลึกเดี่ยวและฟิล์มบางที่เตรียมจากสารละลาย "สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าวิธีการนี้สามารถนำมาใช้เพื่อปรับความเข้มข้นของพาหะอย่างละเอียดภายใต้การประมวลผลที่อุณหภูมิต่ำสำหรับการใช้งานและอุปกรณ์เฉพาะ ซึ่งจะช่วยให้มีการใช้งานที่หลากหลายสำหรับวัสดุประเภท p เหล่านี้" Matsuzaki สรุป อันที่จริง การพัฒนาอาจเป็นก้าวกระโดดที่สำคัญสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ทองแดง (I) และอาจนำไปสู่การใช้งานจริงในเซลล์แสงอาทิตย์และอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในไม่ช้า