9-й Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии

Подождите немного. Документ загружается.

331

( ) 2 ( )

y t t t n

= ∆ δ − τ

, (16)

причем коэффициент «2» в (16) обусловлен согласно

(1) переключением НЭ с уровня «–1» к уровню

= +

»;

0,1,2,3...

– целые числа; смещения

( )

t x n x

∆ = τ

(17)

зависят в формуле (17) от вариаций входного

сигнала

вх

( ) ( ) ( )

x t f t x t

= −

и от скорости

( )

x x t

= −

& &

в момент переключения НЭ, причем

знакопеременность вариаций в (17) приводит к

знакопеременности вариаций в (16).

С учетом (16), (17) приходим к выводу, что

поведение системы необходимо анализировать в

дискретные моменты времени

t n

= τ

, что

фактически соответствует уравнениям ДЦ:

0 0 0

( ) 2 [ ( ) ( )]

y n x n x n

−

ξ ξ

τ = ε δ τ + τ

;

( ) ( ) ( )

X s Y s H s

ξ ξ

, (18)

или, переходя в (18) к

-преобразованию [5],

получим для дискретных моментов времени

t n

= τ

0 0

( ) 2 [ ( )]

Y z x X z

−

ξ ξ

= ε +

;

( ) ( ) ( )

X z Y z H z

ξ ξ

. (19)

Передаточную функцию ДЦ

( )

H z

в (19) с

учетом дельта-функций в (16) логично искать

методом соответствия импульсных характеристик

при переходе от аналоговой цепи (2) к ДЦ в (19), т. е.

( ) ( )

h n h t

τ =

t n

= τ

. (20)

Далее находим ПФ «замкнутой» ДЦ (19):

0 д

0 0 д

( )

2 ( )

( )

1 2 ( )

X z

x H z

H z

x H z

−

= =

ε −

, (21)

при этом знаменатель ПФ (21) – это

характеристический полином ДЦ:

0 д

( ) 2 ( ) 0

P z x H z

= − =

. (22)

Корни

уравнения (22) определяют

устойчивость ДЦ: если

≤

, (23)

то ДЦ устойчива, поскольку на основании (21), (23)

вариация

( )

k k

x n D z

τ = ε

∑

, (24)

причем

в (24) – это коэффициенты разложения

ПФ (21) по полюсам

Примечания: 1) формула (24) при

t n

= τ

соответствует условию устойчивости по Ляпунову

(3); 2) при записи уравнений (16) – (19) и переходе от

вариаций аналоговой системы к уравнениям ДЦ, а

также при переходе от вариаций моментов

переключения НЭ к вариациям координаты

( )

y n

фактически использована характерная для

линеаризации по Ляпунову замена ряда Тейлора для

вариаций с учетом только линейных членов ряда.

Разработка метода анализа устойчивости АК

при их анализе через период

Фактически основные формулы предлагаемого

нового метода соответствуют описанным в п. 3.

Отличия касаются замены полупериода

периодом

в (16), (17), (18) и иного способа формирования

ИХ ДЦ в (20). Формулы (19), (21) – (23) не

изменяются, а в (24) следует заменить

на

Как показано в [2, 3], при анализе устойчивости

АК через половину периода среди корней полинома

(22) обязательно будет корень

= −

, что как раз

соответствует в (24) симметричным АК через

половину периода

τ =

со сменой знака, как

указано в (5).

Логично предположить, что в разрабатываемом

методе анализа АК через период

обязательно

должен присутствовать корень

, что

физически соответствует повторяемости АК через

период

. Фактически это и должно быть критерием

правомерности любого расчета устойчивости АК

разрабатываемым методом, что и будет показано

ниже.

Особенности определения ИХ ДЦ в

разрабатываемом методе

Поскольку внутри периода

происходит

переключение НЭ в момент

, то ИХ ДЦ в

предлагаемом методе должна формироваться в

отличие от (20) как разность двух смещенных ИХ

исходной ЛЧ:

д0

( ) ( ) ( )

h nT h nT h nT

= − −τ

. (25)

Кроме того, в соответствии с указанием авторов

в [3], из нее следует вычесть начальное значение

характеристики (25), т.е. уточненная ИХ ДЦ

д д0 д0 0

( ) ( ) (0) ( )

h nT h nT h nT

= − δ =

[

]

( ) ( ) (0) ( ) ( )

h nT h nT h h nT

= − −τ − − −τ δ

(26)

причем

( )

в (26), как и в (18), – дискретная

дельта-функция [5].

Примечание. Коррекция в [3] физически

обосновывается тем, что фактически сигнал на

выходе НЭ – это прямоугольные импульсы, а не

дельта-функции. Поэтому (а также с учетом

m n

≤ −

) при

сигнал

( ) 0

x t

на входе НЭ.

Найдем составляющие в (26). С учетом (10)

( ) ( )

s t

i i

h t h t B s e

′

= =

∑

, т.е. в дискретные

моменты времени

t nT

332

(

)

( ) ( )

i i

s nT s T

i i i i

h nT B s e H z B s z z e

= ÷ = −

∑ ∑

Далее определяем:

( )

i i

s s nT

i i

s T

B s e z

h nT B s e e

z e

− τ

−τ = ÷

−

∑ ∑

Кроме того с учетом

m n

≤ −

в (2) имеем

(0) ( ) 0

h sH s

= =

при

→∞

; тогда при

получаем

( ) ( )

i i

h nT h B s e

− τ

−τ = −τ =

∑

Таким образом, ИХ (26) ДЦ будет

д д

( ) ( )

i i

s T

B s z

h nT H z

z e

÷ = −

−

∑

i i

s T

B s e z

B s e

z e

− τ

− +

−

∑ ∑

Ограничившись, как указано выше,

рассмотрением проверочной ситуацией

= τ

окончательно получим

д д

( )

( ) ( )

i i

s T

B s z e

h nT H z

z e

−

÷ =

−

∑

. (27)

Данные анализа устойчивости АК

Чтобы вычислить характеристический полином

(22), необходимо найти начальные значения

скорости

. С учетом (2), условия

m n

≤ −

формулы

(0) ( )

f sF s

при

→∞

, а также

формы АК (4) приходим к заключению о

непрерывности скорости изменения координаты

(0 ) (0 )

x x x

+ = − =

& & &

в момент переключения НЭ.

Тогда, используя формулу (14), описывающую

изменение координаты при

< < τ

, получим

(

)

(0) 2 1

i i

s s

i i

x x B s e e

− τ − τ

= = +

∑

& &

. (28)

С учетом (27), (28) записываем

характеристический полином (22) ДЦ:

( ) 2 ( ) 0

P z x H z

= − = =

2 2 ( )

i i

s s

i i i i

s s T

B s e B s z e

e z e

− τ − τ

− τ

−

= − =

+ −

∑ ∑

( ) (1 )( )

(1 )( )

i i i i

i i

s s s s

i i

s s T

ze e e e z

B s

e z e

− τ τ − τ τ

− τ

− + + −

+ −

∑

, (29)

или

1 0

i i i i

s s s s

ze e e z ze

− τ τ τ − τ

− + − + − =

следовательно, один из корней характеристического

полинома обязательно будет

т.е. является единичным. Это и было предсказано в

п. 4, поскольку в разрабатываемом методе

анализируется устойчивость АК через период

, т.е.

повторяемость составляющей процесса АК (вида (24)

при замене

на

) должна быть обязательной и

при проверке на устойчивость АК.

Заключение

Разработанные основы метода анализа

устойчивости АК в РС через период АК, позволят

использовать метод и для анализа несимметричных

АК, и для анализа АК сложной формы. Проверка

основных характеристик нового метода, проведенная

для случая симметричных АК (как частного случая

несимметричных АК), показала полное соответствие

результатов данным [2, 3]. Для расширения сферы

использования метода в случае несимметричных АК

необходимо уточнить формулу (27), преобразование

(29) и иметь данные типа (15) для расчета

параметров АК.

Литература

1. Чернышев Э.П., Мясоедов Г.Б., Ружников

В.А. Метод точного расчета автоколебаний в

электрических цепях, содержащих нелинейные

элементы с релейной гистерезисной характеристикой

/ Известия вузов «Электромеханика», 1987, № 11, с.

125 – 127.

2. Ружников В.А., Силина М.В., Чернышев

Э.П. Особенности проектирования устойчивых

моделей автоколебательных радиоэлектронных и

электротехнических систем / Сборник научных

трудов 5-го Международного симпозиума по

электромагнитной совместимости и

электромагнитной экологии. СПб; Изд. СПбГЭТУ

«ЛЭТИ», 2003, с. 250 – 253.

3. Ружников В.А., Соклакова М.В., Чернышев

Э.П. Особенности применения теории дискретных

цепей при исследовании устойчивости

автоколебаний в релейных

электрорадиоэлектронных системах. / Труды 8-го

международного симпозиума по электромагнитной

совместимости и электромагнитной экологии, СПб,

изд. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009, с. 283 – 286.

4. Цыпкин Я.З. Релейные автоматические

системы. М.: Наука, 1955.

5. Бычков Ю.А., Золотницкий В.М., Чернышев

Э.П. Основы теории электрических цепей. СПб.:

Издательство «Лань», 2005.

333

АЛГОРИТМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ

СОВМЕСТИМОСТИ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

СЕТИ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА

В.

РХИПКИН

ОССИЯ

МГИЭТ (ТУ), e-mail: lets.get.it.all@gmail.com

Аннотация. Данная работа посвящена разработке алгоритма обеспечения электромагнитной

совместимости в сетях беспроводного доступа путем подбора оптимальных мест расположений

базовых станций по критерию большего значения допустимой мощности помехи по отношению к

величине ожидаемой мощности помехи.

Abstract. This work covers an algorithm of ensuring the EMC by choosing the right places of installation of

base stations. The main criterion is the bigger meaning of acceptable interference power than the expected

one.

Одновременная работа нескольких устройств

сети беспроводного доступа с общей зоной покрытия

может сопровождаться комплексом типичных для

радиоаппаратуры проблем. Одной из таких проблем

является проблема электромагнитной совместимости.

Условие электромагнитной совместимости считается

выполненным, если будет обеспечена одновременная

работа каждой станции сети беспроводного доступа,

рассматриваемой как потенциальный источник и

приемник помех.

В данной работе приводится частный случай сети

беспроводного доступа, состоящей из трех подвижных

базовых станций с мачтами, обеспечивающими

прямую видимость, и установленными на них

секторными антеннами. Каждая базовая станция

снабжена также GPS/GLONASS приемником для

определения своих географических координат, которые

затем будут использованы для расчетов длин трасс

пролетов, а также азимутов для точной юстировки

антенн друг на друга.

Предлагаемый алгоритм описывает метод

частотно-территориального планирования,

применение которого дает возможность

рекомендовать наиболее благоприятные, с точки

зрения электромагнитной совместимости, места

расположения базовых станций, а также, давать

практические рекомендации об изменении частотного

диапазона или уменьшении мощностей передачи. В

рассматриваемой системе из трех базовых станций,

проводится последовательный анализ влияния одной

базовой станции как «помеховой» на две другие.

Последовательность анализа определяется тем, что в

качестве «помеховой» базовой станции по очереди

рассматривается каждая из трех.

Необходимым условием выполнения

электромагнитной совместимости является большее

значение уровня допустимой мощности помехи по

основному или побочному каналу приема в

приемнике, чем ожидаемое значение мощности

помехи, создаваемой «помеховой» базовой станцией

по блокированию элементов приемного

высокочастотного тракта в точке его расположения.

Для определения ожидаемой мощности помехи в

точке приема используются известные модели

распространения радиоволн для данного диапазона

частот, параметры оборудования и, при

необходимости, цифровые карты местности. При

определении допустимого уровня помех также

учитываются характеристики приемо-передающего

тракта. Для определения мест расположения

предлагается алгоритм, приведенный на рис. 1.

На первом этапе работы алгоритма проводится

определение географических координат мест

расположений базовых станций с помощью

GPS/GLONASS устройств, которыми они снабжены.

Данные о географических координатах будут

использованы на следующем этапе для расчета

расстояния между базовыми станциями.

На следующем этапе принимается решение о

выборе одной базовой станции в качестве «помеховой»

и рассчитываются ожидаемые мощности помех (I

ож

) от

нее на входах приемников двух остальных. На этом же

этапе проводится расчет допустимых уровней

мощности помехи (I

доп

) для проверки выполнения

условия электромагнитной совместимости.

После выполнения вычислений ожидаемых

мощностей помех и допустимых уровней мощности

помехи проводится анализ полученных данных по

результатам которого принимается решение о

необходимости изменения координат одной из

базовых станций, для чего выбирается расстояние и

направление смещения. На следующем шаге вся

приведенная последовательность действий и

расчетов повторяется. При удовлетворении условию

ож

доп

) принимается решение о выборе

следующей базовой станции в качестве «помеховой»

и повторении работы алгоритма. После

рассмотрения всех базовых станций в качестве

334

«помеховых», проводится финальный анализ всего

комплекса результатов расчетов.

Результатом работы алгоритма для практики

является принятие заключения возможности

решения задачи электромагнитной совместимости

методом изменения мест расположений базовых

станций с принятием решения о координатах их

установки. Предлагаемый алгоритм может быть

использован при разворачивании подвижной сети

радиосвязи и может быть адаптирован под работу

более чем с тремя базовыми станциями.

Литература

1. Л.Я. Родос, Электродинамика и распространение

радиоволн, Санкт-Петербург, СЗТУ, 2007

2. Н.А. Малков, А.П. Пудовкин, Электромагнитная

совместимость радиоэлектронных средств, Тамбов,

ТГТУ, 2007.

Ввод технических характеристик приемо-передающих устройств

Загрузка ЦКМ

Ввод высот подвеса антен

Определение географических координат по

данным GPS устройств

Расчет расстояния между базовыми станциями

Определение допустимых мощностей помех на приемниках (Iдоп)

Расчет ожидаемых мощностей помех (Iож)

Выбор одной из базовых станций в качестве «помеховой»

Решение о перемещении

базовой станции, создающей

помехи, определение

направления и расстояния

перемещения

Переход к

следующей базовой

станции,

рассматриваемой в

каченстве

«помеховой»

Все базовые станции

рассматривались в

качестве помеховых

Решение о выборе мест размещений базовых станций на основе анализа

проведенных расчетов

Принятие решения о возможном переходе к другим процедурам по улучшению

ЭМС системы

Iож Iдоп

нет

да

Рис.1 Алгоритм выбора мест расположения базовых станций для обеспечения ЭМС.

335

A NEW METHOD OF DUPLEX COMMUNICATION

М.

А.

ЫХОВСКИЙ

ОССИЯ

ФГУП Научно-исследовательский институт радио, e-mail: mark_bykh@hotmail,com

Аннотация. Предлагается новый вид дуплексной связи, основанный на разделении передаваемого и при-

нимаемого на станции сигналов по направлению их распространения. Он основан на применении на каждой

станции компенсаторов помех, подавляющих в тракте приема помеху, создаваемую в нем сигналом, передавае-

мым с данной станции на другую станцию. Дана оценка необходимого числа компенсаторов помех, обеспечи-

вающих необходимое подавление помехи.

One of the major problems in radio communica-

tion is enhancement of the efficiency of radio-

frequency spectrum usage.

Modern systems of “two-way street” communica-

tion use either frequency-division duplexing (FDD),

which uses two frequency channels for signal transmis-

sion in each direction, or time division duplexing

(TDD), which uses only one frequency channel, subdi-

vided in time slots, to transmit signals in both the

downstream and upstream directions.

The proposed method makes it possible to double

the efficiency of usage of a frequency band of a com-

munication channel due to the fact that signal transmis-

sion in each direction in this channel is carried out con-

tinuously and simultaneously. To separate the signal

being transmitted from the one being received, each

station uses differences of propagation directions of

received and transmitted signals.

This proposed method of two-way communication

can be called Directional Division Duplex, or DDD.

Description of the proposed method of duplex

communication

The proposed method is outlined in Fig. 1 below.

Notes: 1 - Antenna, 2 - Y- Circulator, 3 - Receiver, 4 -

Transmitter.

As shown on Fig. 1, the signal received by an-

tenna from an adjacent station is attenuated in radio-

channel and the attenuation coefficient in the channel is

approximately 10lg(k

)

≈-100 dB.

The signals S

(t) or S

(t), formed in Transmitters

4, are broadcasted through Antenna 1 to adjacent sta-

tions, using a shared frequency channel, in the opposite

directions. At each station, Y – Circulators are used to

separate transmitted signals (S

(t) and S

(t)) from re-

ceived signals (kS

(t) and kS

(t)). Transmitted signal is

routed to the Port A of the circulator, passes though its

Port B and then is sent to Antenna 1 where it is trans-

mitted by it to the adjacent station.

The signal received by Antenna 1 from the adja-

cent station is sent to the Port B of the circulator, is

then passed on to the Port C and is further transmitted

to the input of the Receiver 3. Ideal circulator would

enable complete isolation of Ports A, B and C, and

therefore, complete isolation of transmitted and re-

ceived signals at both stations.

Thus, it is possible to implement this suggested

method of duplex communication and, as a result, to

double the efficiency of radio-frequency spectrum us-

age.

336

However, ideal circulators which would enable

complete isolation of signals received on its ports do

not exist. Real circulators manufactured by the industry

can provide isolation of Y – Circulator ports of only -

25 ÷-40 dB. This is why in Figure 1, port C of each

circulator in the front end (the output of which is con-

nected to the Receiver 3) also receives, apart from use-

ful signal (as is shown in Figure 2), an attenuated by

Circulator 2 signal of Transmitter 4 (hS

(t) and hS

(t)).

As was mentioned earlier, 10lg(h

)

≈-25 ÷-40 dB.

As a result, signals existing at the front ends of

both stations could be recorded in the following way:

(t) = kS

(t) +hS

(t), W

(t) = kS

(t) +hS

(t)

The signals hS

(t) and hS

(t) have level which is

substantially higher than the level of signals kS

(t) and

(t) (because h»k), and as such, they create substantial

interferences in their reception. Therefore, for efficient

implementation of the proposed method of duplex com-

munication it is necessary to lower interference level

which is created by mixing of the particular transmitter’s

signal into the front end of the given station.

Each station has the exact copy of interference

which is mixing with useful signals in the receiver

front ends. This property allows installing at each sta-

tion several blocks of Interference Cancellers (IC) at

the front-ends; such IC blocks attenuate the interfer-

ence level in the front-end to a level necessary for the

required quality of useful signals’ reception.

Block scheme illustrating the process of interfer-

ence suppression in the RF front end using IC is de-

picted in Figure 2, where there are also noted 5 - Direc-

tional coupler, 6 – Attenuator and Phase Shifter.

A directional coupler is installed at the output of

the Transmitter and is used to redirect a small amount

of transmission power to the interference compensation

circuit, where an Attenuator (AT) and a Phase Shifter

(PS) are installed. Parameters of AT and PS are se-

lected so that at the output of this block at each station

the condition V

≈h is met for compensating signals

(t) and V

(t). This means that in the subtractor in

Fig. 2 interference compensation is taking place. Thus,

the signals at the IC output become equal:

1IC1

(t) = kS

(t) + (h-V

) S

(t) =kS

(t)+h

(t),

2IC1

(t) =kS

(t) + (h-V

) S

(t) =kS

(t)+h

(t).

In the formulas above h

»h

. With existing IC

blocs it is possible to attenuate the interference by 30 ÷

40 dB, i.e. 10lg(h

) ≈ 30 ÷ 40 dB. By using several

(n) consequently connected IC blocks, as it is shown in

Figure 3, it is possible to achieve the required level of

interference attenuation at the front-end of the receiver.

If at the m-th IC block parameters AT and PS are se-

lected so that V

≈ h

(m+1)

, then at the output of the n-th

IC block the following signals will be present:

1ICn

(t) = kS

(t)+h

(t), W

2ICn

(t) =kS

(t)+h

(t).

337

Estimation of the number of interference can-

cellers’ blocks required in the device using ddd

It should be noted that at each IC block, the inter-

ference is attenuated by 30 ÷ 40 dB, i.e. 10lg(h

(m+1)

) ≈ (30 ÷ 40) dB. Therefore,

10lg (h

) ≈ – (30 ÷ 40) n+10lg (h

) dB = – [(30 ÷

40) n + (25 ÷ 40)].

The number of ICs that is needed to achieve the

required signal-to-noise ratio A at the output of the

device in Figure 3 can be determined from the follow-

ing condition:

≥А

or 10lg (k

) - 10lg (h

) ≥10lg (A

If, for example, 10lg(A

)=25 dB, then the number

of IC blocks can be determined from the equation:

–100 + [(30 ÷ 40) n + (25 ÷ 40)] ≥25.

From which it is found:

n ≥ [12,5 - (2,5 ÷ 4)]/(3 ÷ 4) = (10÷ 8,5)/(3 ÷ 4) =

(4÷ 3).

Thus, in the described device by using standard

elements (circulators and interference cancellers) with

typical parameters, four IC blocks are sufficient to en-

sure quality reception of the useful signals. If high-

quality elements are used, three IC blocks will suffice.

Closing remarks

1. There are losses of power of useful signal in the

circulator and in each of the ICs. In existing devices,

these losses can amount up to 0.5 dB. Thus, in the de-

scribed device, where three or four IC blocks are

needed, such losses can be up to 2 dB.

2. In the described system, automated device

could be used as an interference canceller - Intermedi-

ate Frequency Sidelobe Canceller). (Patent US 202990,

H01Q3/26, H04B1/26, P.W. Howells).

3. The advantage of the described method of du-

plex communication over FDD is that it uses only one

frequency channel to transmit signals in both directions.

Thus, the measurement of this channel’s characteristics

can be done only at one end of communication line

since according to reciprocity principle such character-

istics are identical in both directions. TDD has the

same advantage over FDD.

4. The above advantage of DDD and TDD meth-

ods over FDD method has important practical signifi-

cance, in particular in MIMO systems in which, in or-

der to provide for their efficient functioning, it is nec-

essary to know characteristics of the communication

channel on both ends of the communication line.

338

FORMATION OF CRYSTAL QUALITY OF CuInS

THIN FILMS FOR

PHOTOVOLTAIC APPLICATIONS

THANH

THAI

TRAN

1,3

THI

LAN

ANH

LUU

MATEUS

MANUEL

NETO

NGOC

TRUNG

NGUYEN

THI

BICH

AND

THACH

SON

Institute of Engineering Physics, Hanoi University of Science and Technology, No. 1, Dai Co Viet Road, Hanoi,

Vietnam

Center for Quantum Electronics, Institute of Physics, VAST10, DaoTan Road, Hanoi, Vietnam

Quy Nhon University, 170 An Duong Vuong, Quynhon, Binhdinh, Vietnam

Laboratory of Photovoltaic House Luanda, University Agostinho Neto, Luanda, Angola

Abstract. CuInS

(CIS) is a promising absorber material for thin film photovoltaic which has recently

attracted considerable attention due to its suitability to reach high efficiency solar cells by using low cost

techniques. In this work, the CIS thin films have been grown by repeated spray pyrolysis (RSP) onto glass

substrates using different composition solutions. Structural, optical and electrical properties of CIS films

were analyzed by X-ray diffraction, Raman spectroscopy, optical spectroscopy and Hall-effect. Repeated

spray CIS films are polycrystalline with a chalcopyrite structure and no remains of secondary phases were

found after spraying and spraying and heat treatment in suitable conditions. An optical gap of about 1.48 eV

was found for as-sulfurized CIS films. The optical absorption coefficient was found to be about 10

-1

The results obtained in this work show the possibility of having the p-type CIS thin films with a wide range

of resistivity and suitably to be used in photovoltaic structures.

Introduction

Satisfying world’s growing energy demand is one

of the most significant challenges facing society. Today,

major share of the energy produced by mankind comes

from fossil fuels. The Earth’s fossil energies are on the

decline, and that green house gases are known to

contribute to global warming, there is urgent need to rely

on technologies that are economically feasible and

environmental friendly. The good news is that these

problems can be solved by solar energy as it is clean,

quiet and renewable [1-6]. Recently, one approach is

development of thin film solar cells based on absorber

CuInS

(CIS) and related alloys. CIS is a semiconductor

in group I-III-VI

with crystallizes in the chalcopyrite

structure. This compound exhibits optical band gap of

1.5 eV, absorption coefficient of 10

-1

in visible

spectrum range, and the environmental consideration [1-

4]. For economical reasons, it will be useful to prepare

thin films using a low-cost deposition technique. One of

such methods is spray pyrolysis technique, which is a

promising method fore scale-up production under

ambient air condition with relative simplicity and low

cost [2,3]. In the present work, we report on the growth

properties of CIS thin films with various Cu/In molar

ratios in the starting solution made by spray pyrolysis

(SP) technique. However, difficulty in the usage of this

method is in deposition of thick films (>1µm) by

spraying large volumes of solution in a single stretch.

This always results in the formation of CIS thin film

with lots of pinholes. But, a trial has been made to

deposit the film by repeated spray pyrolysis (RSP)

technique using small volumes of solution and this

technique has helped to repair all the film non-uniform

having lots of pinholes on it.

Hence in this study, properties of CuInS

films

deposited at different Cu/In ratio using RSP were

systematically studied.

Experimental

The CIS thin films were deposited from aqueous

solution containing CuCl

(MERCK), InCl

(ALDRICH)

and (NH

)

CS (MERCK). Molar ratio of precursors Cu/In

in the precursor solution was varied in the range of 0.8 - 1.2

keeping S/Cu ratio at 5. We sprayed precursors onto a glass

substrate at the constant substrate temperatures of 360

The films were kept at the same temperature for twenty

minutes after each sprayed and this process was repeated

six times. The nozzle to substrate distance was about 30 cm.

The transfer rate of aqueous solution was kept at 0.5

ml/min, and nitrogen for industry was used as a carrier gas.

After deposition, the CIS

thin films were introduced with

sulfur powder (99.99% purity) in a Pyrex tube. The films

were then annealed at 350

C for 30 min by leading the N

flow through the melted sulphur.

The surface morphology and composition of the

films were characterized by Field Emission Scanning

Electron Microscopy image (FESEM; Hitachi S-4800)

and Energy Dispersive X-ray analysis (EDX; FEI-Quanta

200). X-ray diffraction (XRD) patterns were recorded

with a X’PERT PRO-PANalytical Diffractometer using

the Cu-Kα radiation (λ=1.54056 A

). The conductivity

type was determined by the hot probe method and

resistivity of the film were determined by the Hall-effect

measurements, and the band gap was determined from

optical transmittance spectra in the UV region of 200 -

900 nm as measured with a Carry 100 Spectrophotometer.

The Raman spectrum was collected on a Renishaw in via

Raman microscope at room temperature with the

339

excitation of 633 nm wavelength and laser power of 6

mW. Unresolved bands were decomposed using a curve-

fitting technique by OriginPro 8.0 software.

Results and discussion

Fig. 1 presents the effect of the chemical composition

of the starting solution on the XRD and Raman spectra of

as-deposited films prepared onto glass substrates.

According to the patterns diffraction (Fig. 1a), the

crystalline films characterized by three peaks corresponding

to (112), (204,220), and (116,312) orientations. Those main

peaks are related to the CIS phase (PDF card No. 00-027-

0159). In our case, the absence of the splitting of the

(004,200) peaks indicate that the structural phase is

sphalerite. For film with Cu/In ratio of 0.8, the addition

diffraction peaks at near 27

(mark by '∇' in Fig. 1a) is

observed and can belong to In

or CuIn

phases [4].

However, the secondary phase is vanished in the case of

Cu/In ratio more than 1.0. Similar results were recorded for

films by successive ionic layer absorption and reaction [5]

and spray pyrolysis [2].

20 25 30 35 40 45 50 55 60

0.8

1.2

1.0

(312)(116)

(112)

(220)(204)

(200)(004)

Intensity (a.u.)

2 theta (degree)

∇

Cu/In

∇

∇ −

or CuIn

150 200 250 300 350 400 450 500 550

Raman Shift (cm

-1

)

As-deposition

Intensity (a.u.)

0.8

1.2

1.0

Cu/In

Fig.1. Results of XRD (a) and Raman spectra (b)

characterized for as-deposited films from various Cu/In

in solution

The structures of the similar films of Fig. 1a

obtained were further examined using Raman

spectroscopy as shown in Fig. 1b. For all the films, the

same phases were identified. However, their some peak

positions, and the full width at the haft maximum

(FWHM), recorded after de-convolution, are different

(see in Fig. 3a). It can be seen that the most intensive

Raman band consists of two modes, the A1 mode of the

chalcopyrite (CH) structure phase at 293 cm

-1

and the

A1* mode of Cu-Au (CA) ordering phase at 304 cm

-1

[3,4,6]. The other peaks at ∼ 238 cm

-1

, B

), ∼

261 cm

-1

, B

), ∼ 322 cm

-1

, B

), and 340

-1

) represent Raman modes for CH structure

[6,7]. The peak another is detected at 359 cm

-1

for film

with Cu/In ratio of 0.8, which may assign to the CuIn

phase [1,7]. This feature also confirms the appearance of

the secondary phase in XRD result (marked by ‘∇’ in Fig

1a). The observation that the Raman peak at 359 cm

-1

disappears by increasing the Cu/In ratio in solution supports

the assumption of the CIS phase formation. From the results

of Raman spectra, we have known that CA ordering is more

dominant for all as-deposited films.

On the other hand, to improve crystalline of as-

deposited films we made these films to react in a sulfur

environment (call as-sulfurized). Fig 2a shows XRD

spectra of as-sulfurized CIS films from various Cu/In

ratios in solution.

20 30 40 50 60

Intensity (a.u.)

2 theta (degree)

(312)(116)

(112)

(224)

(220)(204)

(200)(004)

0.8

1.2

1.0

Cu/In

- CuS

(b)

150 200 250 300 350 400 450 500 550

Raman Shift (cm

-1

)

As-sulfurized deposition

CuS

Intensity (a.u.)

0.8

1.2

1.0

Cu/In

Fig.2. Results of XRD (a) and Raman spectra (b)

characterized for repeated-spray films after additional

sulfurization. Sulsurized films are the sample as in Fig. 1

The XRD results that CIS film is grown with good

crystalline by the sulfurization process for repeated spray-

films. For film with Cu/In ratio of 0.8, CuIn

peaks near

greatly reduce. Especially, the appearance of the

splitting of the (004,200) peaks confirm that the CIS phase

formation is tetragonal, and intensity of (112) peak are

observed to be increased drastically as Cu/In ratios is

increased. For film with Cu/In ratio of 1.2, CuS phase

peak is detected, which is marked as "*" in Fig. 2a. Fig. 2b

presents Raman spectra results of CIS films shown in Fig

2a. It is observed that CH phase and CA phase are split

clearly and A1 mode of CH is enhanced with increase in

(a)

(b)

(a)

(b)

340

Cu/In ratios. The peak at 470 cm

-1

is recorded for film

with Cu/In ratio of 1.2, which is from CuS phase [6]. This

feature corresponds to XRD results in Fig. 2a. The CuS

phase appearance in this case may be attributed to Cu

migration into the film surface during sulfurization and

formation of segregated CuS phase. This additional phase

can be removed by using etched-film in KCN solution for

several minutes [4]. Besides, another important chance in

the Raman spectra is the disappeared of peak at 359 cm

-1

for film grown at Cu/In ratio of 0.8. This feature indicates

that a crystalline CIS film was improved.

From Fig 1b and 2b, we extracted a fraction of CH

structure. We calculated the A1 mode intensity ratio into

the total intensities of A1 and A1* modes

(I(CH)/[I(CH)+I(CA)]) and FWHM of the A1 mode CH.

For exact definement of the peak positions, we fitted Raman

spectra with Lorentz contributions in the wavelength range of

200 ÷ 400 cm

-1

(Fig 3a). Fig 3b shows CH-fraction and

FWHM of the A1 mode CH before and after sulfurization.

According to Alvarez-Garcia et al. [7], this ratio is used as the

quality factor to feature the material. According to Fig. 3b, as-

deposited films present the ratio between 34 and 47%.

Annealing in the sulfur environment at 350

C has enhanced

the quality factor. Its value increases from 48 to 58 %, which

is related to its higher structural quality. Addition, as-

deposited films indicate the largest FWHM value. Besides,

sulfurization process is decreased the FWHM of A1 mode of

CH down to 9.88 and 9.23 cm

-1

, which recorded for film

deposited at Cu/In ratio of 1.0 and 1.2, respectively.

From the results of Raman spectroscopy analysis

above, it can be concluded that the increase in the

intensity of A1 mode of CH as compared to A1* mode

of CA together with the narrowing of the FWHM

indicate the formation of repeated spray CIS films with

better structural thanks to sulfurization process.

0.8 0.9 1.0 1.1 1.2

as-deposited

pos-sulfurized

FWHM(CH) (cm

-1

)

I(CH)/I(CA)+I(CH) (%)

Cu/In ratio in the starting solution

as-deposited

pos-sulfurized

Fig.3. (a) Raman decomposed bands from 200÷ 400cm

-1

and (b) Quality factor and FWHM of A1 mode of CH in

CIS before and after sulfurization.

Fig. 4 presents the cross-sectional FESEM image

of CIS thin film on glass with Cu/In ratio of 1.0 before

(a) and after (b) sulfurization process. It can be seen that

the CIS films are homogeneous with a good adherence to

the substrate and CIS/glass interfaces are clearly

discernable. That information indicated a good

microstructure of the repeated spray CIS films. The

average thickness of CIS layer is about 1.1 µm. Moreover,

the sulfurization process has a strong effect on the grains

size in films. It is known that the efficiency of

polycrystalline solar cells increases with increasing grain

size in absorber layer [8]. So in order to fabrication of

high efficiency solar cells the larger grains are required

in the layer. For as-deposited film with Cu/In ratio of

1.0, the grain size is less than 20 nm (Fig. 4a). But, the

grain size increases from 100 to 300 nm for as-

sulfurizated films (Fig. 4b).

Fig.4. FESEM cross-sectional micrographs of CIS film

grown at Cu/In ratio of 1.0: (a) as-deposited and (b) as-

sulfurized films.

On the other hand, the optical absorption

coefficient and band gap of as-deposited and as-

sulfurized films are determined from transmittance data

(a)

(b)

(a)

340

321

305

292

255

238

As-sulfurized deposition

Cu/In = 1.2

339

320

304

293

253

238

As-deposition

Cu/In = 1.2

340

316

305

292

262

245

As-sulfurized deposition

Cu/In = 1.0

342

335

304

293

262

245

As-deposition

Cu/In = 1.0

250 300 350 400

Raman Shift

(

-1

)

340

321

305

292

255

237

As-sulfurized deposition

Cu/In = 0.8

200 250 300 350 400

Raman Shift

(

-1

)

359

340

322

304

293

261

238

As-deposition

Cu/In = 0.8