migliore efficienza di drogaggio migliori propriètà di trasporto
Post on 31-Jan-2016
46 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Caratterizzazione strutturale, ottica ed elettrica di film nanostrutturati di
silicio-carbonioLaboratorio semiconduttori amorfi
U. Coscia- G. Ambrosone
I materiali costituiti da nanocristalli (nc) di silicio immersi in una matrice dielettrica
consentono:
migliore efficienza di drogaggio
migliori propriètà di trasporto
minore degradazione delle prestazioni all’esposizione alla luce
I nanocristalli con dimensioni < 10 nm si comportano come quantum dots a causa del confinamento
quantico dei portatori di carica in tre dimensioni.
La presenza dei quantum dots permette :
Modifica della struttura a bande (formazione di minibande e allargamento della band-gap)
Trasporto di cariche per tunneling ( mobilità dei portatori dipendente dall’ altezza della barriera e dalla distanza intercorrente tra i quantum dots)
TRIPLE JUNCTION SOLAR CELLTRIPLE JUNCTION SOLAR CELL
EFFICIENCY> 20 %EFFICIENCY> 20 %
Matrici dielettriche amorfe
ossido di silicio SiO2 (Eg ~9.0 eV)nitruro di silicio Si3N4 (Eg ~ 5.3 eV) silicio carbonio SiC (Eg ~2.5 eV)
bassa barriera di potenziale
maggiore mobilità.
Sistemi deposizione
1) Annealing ad alta temperatura di precursori amorfi:
nc-Si immersi in una matrice di SiC sono stati ottenuti mediante trattamento termico a ~1100°C di SiC amorfo deposto per magnetron cosputtering.
2) Deposizione diretta con sistema plasma enhanced chemical vapour deposition PECVD
LIMITI: Piccola area di deposizione (1 cm x 1 cm) Alta temperatura di annealing (>1000 °C) (Substrato ad alto costo-Diffusione di impurezze)
VANTAGGI : Larga area di deposizione (>30 cm x 30 cm) Bassa temperatura di deposizione (150-
400°C) Substrati basso costo (vetro, plastica)
Con la tecnica PECVD è possibile deporre direttamente film nano-strutturati di
silicio-carbonio a basse temperature, usando una miscela di silano-metano (SiH4+CH4) altamente diluita in idrogeno
È possibile controllare la dimensione dei cristalli durante la crescita variando opportunamente la potenza di radiofrequenza (rf).
Gas:SiH4+CH4
1) DecomposizioneSiH4 = SiH3+H e CH4 =CH3+H
2) SiH3 , CH3 interagiscono con la superficie3) Formazione a:SiC:H
Gas: SiH4+CH4+H2
Alta concentrazione di H atomico
Ricopre la superficie
Rompe i legami deboli (amorfi)
Legami Si-Si forteNucleazione
Effetto alta diluizione H2
CH3a-SiC:H
Flusso di CH4 0.7 sccm
Flusso di SiH4 0.7 sccm
Flusso di H2 222 sccm
Temperatura del substrato 250 °C
Pressione 249 Pa
Temperatura del substrato 250 °C
Distanza tra gli elettrodi 2.3 cm
Potenza rf 10, 20, 30, 40, 45, 50, 60, 70, 80 W
Diluizione H2 (H2/(CH4+SiH4) 158.6
Parametri di deposizione
Caratterizzazioni spettri Raman
spettrofotometro Perkin Elmer 2000 FTIR
STRUTTURALE
OTTICAspettrofotometro Perkin Elmer Lambda 900
ELETTRICA
spettri IR
microscopioRaman inVia Reflex della Renishaw
spettri di trasmittanza e riflettanza nella regioneUV- Vis-NIR
fotoconducibilità in presenza di luce bianca
fotoconducibilità spettrale
lampada alogena elettrometro Keithley
Apparato fotoconducibilità (monocromatore, lock-in..) oFiltri interferenziali
Spettri Raman
200 400 600 800
Inte
ns
ity
(a
.u.)
Raman Shift (cm-1)
80 W
50 W
40 W
30 W
20 W
70 W
60 W
10 W
w < 30 W PRESENZA DI UNA FASE
CRISTALLINA
w ≥ 30WPRESENZA DI UNA FASE
NANOCRISTALLINA
NON SONO PRESENTI CRISTALLITI DI SiC o C
180 nm
Film
c-Si substrate
10 nm
Frazione cristallina e dimensioni
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
fra
zio
ne
cri
sta
llin
a
potenza rf (W)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900
5
10
15
20
25
dim
en
sio
ne
de
i g
ran
i (n
m)
potenza rf (W)
480517510
517510
IIIII
f
FILM MICROCRISTALLINI w < 30W
frazione cristallina > 50 %dimensioni cristalliti ≈ 20 nm
FILM NANOSTRUTTURATI w ≥ 30 W
frazione cristallina < 50% dimensioni cristalliti < 10 nm
Spettri IR s
500 750 1000 1250
(c
m-1)
numero d'onda (cm-1)
Si-Hw
Si-Cs
Si-Hn
80 W
1000 2000 3000
Abs
orpt
ion
coef
ficie
nt (c
m-1
)
wavenumber (cm-1)
80 W
70 W
60 W
50 W
40 W
30 W
Regioni di assorbimento di interesse 2800-3100 cm-1 stretching C-H
2000-2100 cm-1 stretching Si-H 700-800 cm-1 stretching Si-C
SPETTRI IR
IL CARBONIO SI LEGA PREFERENZIALMENTE AL SILICIO ED E’ PRESENTE SOLO NELLA MATRICE DIELETTRICA AMORFA
Concentrazione dei legami Si-H e Si-C
30 40 50 60 70 80
2
4
6
8
10
12
bo
nd
den
sity
(cm-3
)
potenza rf
NSi -C
NSi -H
d)(
KN YSiYSi
Spessore d
d varia tra 250 e 400 nm
Spettro di trasmittanza di un film di SiC
Indice di rifrazione nf
nf( w) diminuisce da 3.4 a 2.9
500 1000 1500 2000 2500
0
30
60
90
trasm
ittan
za (%
)
lunghezza d'onda (nm)
campione 30 W substrato Corning
2
so
so
2
sf
fs
2
of
of
nn
nn1
nn
nn1
nn
nn1T
)(n2d
21
21
f
Calcolo dell’energia di gap Eg
T
R
d
1ln
1
0,5 1,0 1,5 2,0 2,50
200
400
1/2(c
m-1e
V)1
/2
energia(eV)
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0
1x105
2x105
3x105
(cm-1)
energia (eV)
)()( 2/1gEEAE
T
R
d
1ln
1
L’ aumento di Eg è correlato alla dimensione dei cristalliti
EFFETTO DI CONFINAMENTO QUANTICO
30 40 50 60 70 80 90
1.8
1.9
2.0
2.1
2.2
Eg (
eV
)
potenza rf(W)
Confinamento quantico per nanocristalli di dimensioni < 10 nm
2bulkgg
CEE
Eg-bulk= (1.7±0.4) eV
C = (1.8±0.3) eVnm2
R = 0.98
2 3 4 5 6 71.7
1.8
1.9
2.0
2.1
2.2
1.8 1.9 2.0 2.10.0
0.1
0.2
0.3
Eg
Eg(e
V)
(nm)
1/2
MISURE DI FOTOCONDUCIBILITA’
0 10 20 30 40 50 60 70 8010-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
d
ph
d,
ph (
cm)
-1
potenza rf (W)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0
50
100
150
200
250
ph/
dpotenza rf (W)
d film nanostrutturati > d film silicio carbonio amorfo
FASE NANOCRISTALLINA DI Si
d film nanostrutturati > d film silicio carbonio amorfo
FASE NANOCRISTALLINA DI Si
Fotosensività (ph/d) film nanostrutturati > 100
MIGLIORE RISPOSTA ALLA RADIAZIONE INCIDENTE
Fotosensività (ph/d) film nanostrutturati > 100
MIGLIORE RISPOSTA ALLA RADIAZIONE INCIDENTE
Fotoconducibilità in presenza di luce bianca P = 100 mW/cm2
10-5 10-4 10-3 10-2 10-1
10-12
10-11
10-10
10-9
I ph (A
)
P flusso luminoso (W/cm2)
Campione deposto a 80 W
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
rf potenza (W)
PI ph
10
parametro di ricombinazione dei portatori fotogenerati NEI FILM NANOCRISTALLINI
LA RICOMBINAZIONE HA INFLUENZA MINORE SULLE PROPRIETA’ DI TRASPORTO
Fotoconducibilità spettrale
1013 1014 1015 101610-13
10-12
10-11
10-10
I ph(A
)
F flusso fotoni (cm-2s-1)
= 540 nm
F=P/hc
300 400 500 600 700 800 900 1000 11000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
lunghezza d'onda (nm)
10 W 20 W 40 W 80 W
10 20 30 40 50 60 70 80
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
potenza rf (W)
luce bianca media spettrali
Per tutti i film cresce in funzione di
film nc > film c
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0100
101
102
103
104
105
106
energia (eV)
(c
m-1)
ricavata da misure spettrofotometriche)
= (o) = 104 cm-1= (o) = 104 cm-1
Determinazione del coefficiente di assorbimento mediante misure di
fotocorrente spettrale
)(/
)(
)()(
o
phoIphI
FoFo
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0100
101
102
103
104
105
106
energia (eV)
(c
m-1)
ricavata da fotocorrente ricavata da spettrofotometria
LA SENSIBILITA’DELLA PC SPETTRALE E’ MAGGIORE DI BEN 4 ORDINI DI GRANDEZZA rispetto a quella di una
misura spettrofotometrica
Calcolo del coefficiente di assorbimento con la tecnica della fotocorrente spettrale
)(/
)(
)()(
o
phoIphI
FoFo
( -SiC) ≈ ( c-Si )
(nc-SiC ) > (c-Si) in UV-Vis > (a-SiC) in IR
all’aumentare di w
(nc:SiC) a-SiC) 0.6 1.2 1.8 2.4 3.0
10-2
10-1
100
101
102
103
104
105
106 (cm-1)
energia(eV)
20W 45W 60W a-SiC:H c-Si
• E’ possibile deporre direttamente film nanostrutturatti di silicio-carbonio con la tecnica PECVD a basse temperature (250°C)
• E’ possibile controllare le dimensioni dei cristalliti variando la potenza di deposizione durante la crescita del film.
• Le proprietà di assorbimento e le proprietà di fotoconducibilità nella regione UV-Vis-NIR e la possibilità di modulare l’energia di gap attraverso il controllo delle dimensioni dei cristalli di silicio rendono i film nanostrutturati di SiC potenziali candidati per la realizzazione di celle fotovoltaiche ad alta efficienza.
GENERAZIONE E RICOMBINAZIONE DELLE CARICHE DETERMINAZIONE DEI TEMPI DI VITA MEDIA
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0.0
5.0x10-10
1.0x10-9
1.5x10-9
2.0x10-9
2.5x10-9
3.0x10-9
Iph
(A
)
time (min)
0 20 40 60 80 100 120 140 160
4.0x10-9
5.0x10-9
6.0x10-9
7.0x10-9 V = 30 Volt
curr
ent
(A)
time (min)
0 500 1000 1500
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Ino
r
time (s)
experimental data best fit
white light
f=71 mW/cm2
= 151 s
= 130 s
Inor = 1-exp(-t/
Inor = exp(-((t-to)/))
1E-3 0.01 0.110-11
10-10
10-9
10-8
10-7
Iph
(A)
Flux (W/cm2)
V =30 V white light
1E-3 0.01 0.110-11
10-10
10-9
10-8
10-7
Idar
k (A
)
Flux (W/cm2)
V = 30 V
1E-3 0.01 0.1
0.01
0.1
1
10
Iph
/Ida
rk
flux (W/cm2)
V = 30 V white light
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
= 365 nm
time (s)
Iph
(nA
)
amorphous B
0
1
2
3
4
5
=400 nm
Iph (n
A)
-50 0 50 100 150 200 250 300 350 4000.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
Ino
r
time (s)
best fit experimental data
R^2----------------------------------------0.999----------------------------------------
Parameter Value Error----------------------------------------P1 0.5476 0.0008 0.487 0.014P3 1.19 0.03 624 20----------------------------------------
Equation: Inor = P1*(1-exp(-t/) )+ P3*(1-exp(-t/))
0 500 1000 1500
0.0
0.4
0.8
experimental data best fit
Equation: Inor = exp(-(t/)^))
R^2 = 0.971 1.48 ±0.04 0.1886 ±0.0011
Ino
r
time (s)
MISURE PRESSO IL LABORATORIODI SEMICONDUTTORI AMORFI
• MISURE DI FOTOCONDUCIBILITA’ IN PRESENZA DI LUCE BIANCA E RADIAZIONE MONOCROMATICA NELL’INTERVALLO 365-1200 nm
• MISURE DI FOTOCONDUCIBILITA’ IN FUNZIONE DEL TEMPO
top related