Спонтанное, стимулированное излучение и лазерная генерация в кристаллах и тонких пленках CuInSe₂

Представлены результаты исследования спектров излучения кристаллов и тонких пленок CuInSe₂ при непрерывном (2 Вт/см²) и наносекундном импульсном лазерном возбуждении в диапазоне плотности мощности возбуждения ~1–100 кВт/см² и температурах 10–160 К. Обнаружено, что в кристаллах CuInSe₂ стимулированное излучение возникает в спектральной области 1,033 эВ с минимальным уровнем пороговой накачки 9,8 кВт/см², а при уровнях накачки 36–76 кВт/см² наблюдается лазерное излучение. Установлено, что для тонких пленок CuInSe₂, сформированных на стеклянных подложках с предварительно осажденным на стекло слоем молибдена (структура CuInSe₂/Mo/стекло), характерно появление только стимулированного излучения в области энергий 1,014–1,097 эВ с минимальным уровнем пороговой накачки 30 кВт/см² при температуре 10 К. Обсуждаются механизмы возникновения стимулированного и лазерного излучения в соединении CuInSe₂.

1. Dielectric function of Cu(In,Ga)Se2-based polycrystalline materials / S. Minoura [et. al.] // J. Appl. Phys. – 2013. – Vol. 113, № 6. – P. 063505-1–063505-14. https://doi.org/10.1063/1.4790174

2. Optical properties and band gap energy of CuInSe2 thin films prepared by two-stage selenisation process / M. V. Yakushev [et. al.] // J. Phys. Chem. Solids. – 2003. – Vol. 64, № 9–10. – P. 2005–2009. https://doi.org/10.1016/S00223697(03)00089-1

3. Band gap energies of bulk, thin-film, and epitaxial layers of CuInSe2 and CuGaSe2 / S. Chichibu [et. al.] // J. Appl. Phys. – 1998. – Vol. 83, № 7. – P. 3678–3689. https://doi.org/10.1063/1.366588

4. Aida, Y. Cu-rich CuInSe2 solar cells with a Cu-poor surface / Y. Aida, V. Depredurand, J. K. Larsen // Prog. Photovolt. Res. Appl. – 2015. – Vol. 23, № 6. – P. 754–764. https://doi.org/10.1002/pip.2493

5. Efficiency improvement of near-stoichiometric CuInSe2 solar cells for application in tandem devices / T. Feurer [et. al.] // Adv. Energy Mater. – 2019. – Vol. 9, № 35. – P. 1901428-1–1901428-6. https://doi.org/10.1002/aenm.201901428

6. Effects of heavy alkali elements in Cu(In,Ga)Se2 solar cells with efficiencies up to 22.6 % / P. Jackson [et. al.] // Phys. Stat. Sol. PRL. – 2016. – Vol. 10, № 8. – P. 583–586. https://doi.org/10.1002/pssr.201600199

7. High excitation photoluminescence effects as a probing tool for the growth of Cu(In,Ga)Se2 / M. Moret [et. al.] // Proc. SPIE. – 2015. – Vol. 9358. – P. 9358-A1–9358-A7. https://doi.org/10.1117/12.2076938

8. Stimulated emission and lasing in Cu(In,Ga)Se2 thin films / I. E. Svitsiankou [et. al.] // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2016. – Vol. 49, № 9. – P. 095106-1–095106-5. https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/9/095106

9. Potassium fluoride postdeposition treatment with etching step on both Cu-rich and Cu-poor CuInSe2 thin film solar cells / F. Babbe [et. al.] // Phys. Rev. Mater. – 2018. – Vol. 2, № 10. – P. 105405-1–105405-9. https://doi.org/10.1103/physrevmaterials.2.105405

10. Tomlinson, R. D. Fabrication of CuInSe2 single crystals using melt-growth techniques / R. D. Tomlinson // Solar Cells. – 1986. – Vol. 16. – P. 17–26. https://doi.org/10.1088/0379-6787(86)90072-4

11. Thermal expansion of CuInSe2 in the 11–1,073 K range: An X-ray diffraction study / W. Paszkowicz // Appl. Phys. A. – 2014. – Vol. 116, № 2. – P. 767–780. https://doi.org/10.1007/s00339-013-8146-9

12. Optical properties of high-quality CuInSe2 single crystals / A. V. Mudryi [et. al.] // Appl. Phys. Lett. – 2000. – Vol. 77, № 16. – P. 2542–2544. https://doi.org/10.1063/1.1308525

13. Magneto-photoluminescence study of radiative recombination in CuInSe2 single crystals / M. V. Yakushev [et. al.] // J. Phys. Chem. Solids. – 2003. – Vol. 64, № 9–10. – P. 2011–2016. https://doi.org/10.1016/S0022-3697(03)00090-8

14. Excitation power and temperature dependence of excitons in CuInSe2 / F. Luckert [et. al.] // J. Appl. Phys. – 2012. – Vol. 111, № 9. – P. 093507-1–093507-8. https://doi.org/10.1063/1.4709448

15. Excited states of the excitons in CuInSe2 single crystals / M. V. Yakushev [et. al.] // Appl. Phys. Lett. – 2010. – Vol. 97, № 15. – P. 152110-1–152110-3. https://doi.org/10.1063/1.3502603

16. The hunt for the third acceptor in CuInSe2 and Cu(In,Ga)Se2 absorber layers / F. Babbe et. al. // J. Phys. Condens. Matter. – 2019. – Vol. 31, № 42. – P. 425702-1–425702-9. https://doi.org./10.1088/1361-648X/ab2e24

17. Photoluminescence, stimulated and laser emission in CuInSe2 crystals / I. E. Svitsiankou [et. al.] // Appl. Phys. Lett. – 2021. – Vol. 119, № 21. – P. 212103-1–212103-5. https://doi.org/10.1063/5.0060076

18. Kawashima, T. Optical constants of CuGaSe2 and CuInSe2 / T. Kawashima, S. Adachi. // J. Appl. Phys. – 1998. – Vol. 84, № 9. – P. 5202–5209. https://doi.org/10.1063/1.368772