Lokale VOC-metingen door Kelvin Probe Force Microscopy toegepast op P-I-N Radial Junction Si Nanowires

Resultaten en discussie

Alvorens te starten met I-V- en KPFM-metingen is de impact van de LBBDS van de AFM onderzocht. Er is inderdaad al aangetoond dat de golflengte van de LBBDS een significante interactie kan hebben met fotovoltaïsche monsters [8,9,10] en dus de metingen van elektrische eigenschappen met de AFM kan beïnvloeden. Afbeelding 2 illustreert de macroscopische I‑V-metingen van een voltooide SiNW RJ-apparaat uitgevoerd onder donkere omstandigheden (LBBDS uitgeschakeld) en wanneer de LBBDS ingeschakeld blijft. Zoals eerder vermeld, zijn er ook metingen uitgevoerd in een andere AFM-opstelling met een golflengte van 690 nm in plaats van 1310 nm voor de LBBDS. De IV-curves verkregen onder donkere omstandigheden en met de LBBDS op 1310 nm zijn bijna identiek. Alleen bij zoomen rond de oorsprong kan men een zeer kleine verschuiving waarnemen voor de metingen die zijn uitgevoerd met de LBBDS ingeschakeld, wat kan worden uitgedrukt door zeer kleine waarden in termen van V_OC (0,5 mV) en kortsluitstroom, I_SC, (1 n.v.t.). Ter vergelijking:de I-V-curve gemeten met het systeem met een golflengte van 690 nm voor de LBBDS vertoont een significant fotovoltaïsch effect, met waarden van V_OC en ik_SC van respectievelijk 545 mV en 28 μA. Dit bewijst duidelijk het verstorende effect van een LBBDS met een lasergolflengte in het zichtbare bereik. Deze resultaten laten zien hoe moeilijk het is om KPFM-metingen uit te voeren onder echte donkere omstandigheden, wanneer in het bijzonder de LBBDS-golflengte kan interageren met het monster. De volgende geïllustreerde resultaten zijn allemaal uitgevoerd met de LBBDS van de AFM op 1310 nm, beschreven in de Kelvin-Probe-paragraaf.

IV-curven verkregen op een SiNW RJ-apparaat onder donkere omstandigheden (zwarte cirkels), met de 1310 nm laserstraal van de TRIOS AFM (blauwe ononderbroken lijn) en met de 690 nm laserstraal van de Enviroscope AFM (rode stippellijn). De hoofdgrafiek illustreert de log |I|-V-curven in het bereik − 1 V en + 1 V, en de ingevoegde grafiek geeft een vergroting weer van de lineaire I-V-curven tussen − 5 mV en + 5 mV

Een voorbeeld van fotovoltaïsche meting in een voltooid SiNW RJ-apparaat wordt weergegeven in Fig. 3. In het bijzonder macroscopische IV-metingen onder verschillende vermogensverlichtingen (70, 150, 270 en 560 μW) worden weergegeven in Fig. 3.a. De I-V-curven tonen een typisch werkingsgedrag van PV-cellen waarbij I_SC en V_OC toenemen met het invallende lichtvermogen. Figuur 3.b toont een voorbeeld van KPFM-toewijzing die van links naar rechts de topografie, de CPD onder donker en de CPD onder 488 nm verlichting vertegenwoordigt. De topografische scan onthult NW's met een hoogte van enkele honderden nanometers en een dichtheid per oppervlakte-eenheid van ongeveer 10 ⁹ cm ^-2 . De CPD-scans tonen lokale potentiaalvariaties van ongeveer ±10 mV die voornamelijk plaatsvinden aan de NW-randen. Deze variaties kunnen worden beschouwd als artefacten vanwege de snelle verandering in topografie waar de AFM-tip doorheen gaat tijdens de scanbeweging en in het bijzonder wanneer deze tussen twee NW's passeert. De plaatsen die zijn vrijgesteld van een dergelijk artefact zijn de top van de NW's waar de topografische hoogteverandering verwaarloosbaar blijft. Alle CPD-waarden die hieronder worden gepresenteerd, zijn geëxtraheerd aan de bovenkant van de NW's.

een Macroscopische IV-curves gemeten onder verschillende vermogensverlichtingen (66, 5, 149, 268 en 555 μW bij 488 nm); b van links naar rechts:topografie, CPD onder donkere omstandigheden en CPD onder verlichting (270 μW bij 488 nm), respectievelijk

Figuur 4 vergelijkt de V_OC en SPV-waarden geëxtraheerd uit de macroscopische I-V- en de KPFM-metingen als functies van het invallende verlichtingsvermogen. Deze vergelijking werd uitgevoerd voor twee verschillende voltooide apparaten en geïllustreerd in een semi-logschaal. Het maximale verschil tussen de Voc- en SPV-curves is minder dan 5% voor het laagste verlichtingsvermogen (~70 μW) en wordt minder dan 2% voor een hoger verlichtingsvermogen. Het is belangrijk op te merken dat de foutbalk die is gekoppeld aan de experimentele evaluatie van het invallende lichtvermogen toeneemt wanneer het verlichtingsvermogen afneemt, wat het verschil van 5% tussen V_OC kan verklaren en eerder genoemde SPV. Voor beide grafieken zijn de SPV en V_OC waarden volgen een logaritmisch gedrag met waarden in het bereik van 500-600 mV. De hellingen van Voc en SPV geven een idealiteitsfactor (n) van respectievelijk 1,5 ± 0,1 voor apparaat 1 en 1,75 ± 0,25 voor apparaat 2. Deze waarden komen goed overeen met waarden die in de literatuur worden vermeld voor a-Si:H P-I-N-overgangen die in het bereik van 1,5-2 liggen [12,13,14]. In Fig. 5 illustreren we metingen van SPV versus lichtvermogen uitgevoerd op geïsoleerde SINW RJ-apparaten. De term geïsoleerd verwijst hier naar het feit dat de nanodraad-RJ's niet bedekt zijn met ITO, dus ze zijn niet elektrisch verbonden via de bovenste geleidende laag. Als referentiegids werd de eerder verkregen SPV-curve voor het voltooide RJ-apparaat in Fig. 4.a ook getoond in Fig. 5. De gerapporteerde SPV-waarden komen overeen met een gemiddelde waarde die resulteert uit verschillende NW's voor scangroottes van 3x3 μm². De SPV-metingen op geïsoleerde apparaten werden eerst uitgevoerd met een AFM-punt in de vorm van een pijl (ARROW-EFM) en een verlichting die van de bovenkant kwam, net zoals de SPV-meting werd uitgevoerd op het voltooide apparaat. De zeer lage SPV-waarden voor deze curve (Fig. 5.a, vierkanten) en de helling onder 1 (~0,4) suggereren een schaduweffect vanwege de AFM-tip. Door dezelfde bovenverlichting te behouden en de AFM-tip te vervangen door een gekantelde sonde (ATEC-EFM), konden we een toename van 40% van de SPV-waarden waarnemen voor hetzelfde bereik van vermogensverlichting (Figuur 5.b, driehoek). Vergelijkbare resultaten werden verkregen bij het veranderen van de verlichting van boven naar de zijkant en het vervangen van de AFM-tip ATEC door de initiële AFM-tip PIJL (Fig. 5.c, blauwe stippen). Hoewel de SPV-waarden aanzienlijk zijn gestegen in vergelijking met de metingen met topverlichting en ARROW-EFM-tip, blijven ze onder de referentiewaarde terwijl ze vergelijkbare hellingen behouden (~ 1,3- 1,4). Merk op dat dit schaduweffect niet waarneembaar was in het geval van voltooide apparaten, omdat voor deze configuratie de SPV de fotospanning van het hele apparaat in beeld brengt:duizenden nanodraden die met elkaar zijn verbonden door het ITO-frontcontact.

V _OC en SPV versus lichtvermogen voor twee verschillende apparaten:dev 1 (a ) en ontwikkelaar 2 (b )

SPV versus lichtvermogen verkregen op geïsoleerde RJ NW's. De metingen zijn uitgevoerd met verschillende AFM-puntvormen (ARROW-EFM en ATEC-EFM) en verschillende lichtrichtingen (boven- en zijkant). Het referentie-RJ-apparaat duidt het apparaat 1 aan dat is geïllustreerd in figuur 4a. De AFM-afbeelding rechtsonder toont een voorbeeld van de topografie gemeten op geïsoleerde NW's

Om die resultaten aan te vullen, werd kwalitatieve SPS-analyse uitgevoerd boven een aantal geïsoleerde apparaten en vervolgens boven een voltooid apparaat. Fig. 6.a toont de verkregen SPV-spectra met duidelijke verschillen over het gehele spectrum. Het is interessant om te onderstrepen dat het voltooide apparaat een verwaarloosbare SPV (~10 mV) vertoont in het nabij-infrarood (NIR) gebied met een SPV-drempel die rond 800 nm ligt en waaronder de SPV snel toeneemt tot een maximum van 560 mV bij 630 nm. Omgekeerd onthult het stel geïsoleerde apparaten een significante SPV van 80-260 mV in de NIR (800-1000 nm) die geleidelijk toeneemt met afnemende golflengte, tot 435 mV voor 665 nm. Onder 665 nm en 630 nm nemen beide SPV-curves af met afnemende golflengte, wat mogelijk verband houdt met de verwachte afname van de bestralingssterkte van de halogeenlamp die in deze opstelling wordt gebruikt (zoals hierboven vermeld, is de SPS-benadering hier gebaseerd op kwalitatieve metingen aangezien de flux niet kan constant worden gehouden). In een tweede benadering werden SPS-metingen uitgevoerd op een voltooid apparaat en na lokaal verwijderen van het ITO-topcontact met 1% HF-oplossing aangebracht als een druppel op het apparaat. Figuur 6.b illustreert deze metingen en de SPV-spectra werden specifiek verzameld net na het verwijderen van ITO en 72 uur later. Het verwijderen van de ITO-laag heeft een groot effect op het SPV-spectrum in vergelijking met het voltooide apparaat. Een sterke afname van het SPV-signaal wordt waargenomen in het bereik van 400-750 nm net na de ITO-verwijdering. Na 72 uur stabiliseert het SPV-signaal zich op een hoger niveau dat, afhankelijk van de golflengte, meer dan een factor 2 kan verschillen. Ook blijkt dat het SPV-signaal iets toeneemt bij langere golflengten (>750 nm). Als we de SPV-spectra van figuur 6 vergelijken, blijkt dat na de ITO-verwijdering geïllustreerd in figuur 6.b en vooral na 72 uur stabilisatie de NW-apparaten een vergelijkbare toestand vertonen als die welke zijn aangeduid als een stel geïsoleerde NW's in figuur 6.a, de laatste heeft nog nooit een ITO-coating gehad. Een andere belangrijke observatie betreft het SPV-signaal gemeten bij 488 nm, waarvan de waarde een factor ~1.7 lager is voor een stel geïsoleerde NW's dan voor een voltooid apparaat. Deze waarneming ondersteunt de SPV-resultaten van Fig. 5 uitgevoerd door KPFM op geïsoleerde NW RJ's met een verlichting bij 488 nm. Ondanks de optimalisatie van de vorm van de AFM-tip en de verlichtingsomstandigheden, waren de gemeten SPV-waarden inderdaad ook lager dan die van het voltooide apparaat met een factor variërend tussen 1,5 en 2, afhankelijk van het verlichtingsvermogen.

SPS-metingen uitgevoerd op a een voltooid apparaat en een aantal geïsoleerde SiNW's; b een voltooid apparaat, net na het verwijderen van ITO, en 72  uur later

De resultaten van Fig. 6 laten duidelijk zien dat het ITO-topcontact nodig is om hogere SPV-waarden te ontwikkelen (d.w.z. V_OC ) en meer specifiek blijft het belangrijkste punt de interface (n) a‑Si:H/ITO. Deze interface wordt gekenmerkt door een zeer dunne n-type a-Si:H-laag (~ 10 nm) om de optische transmissie te bevorderen. Met name het doteringsniveau van deze laag en de ITO-werkfunctie kunnen de volledige uitputting van de a-Si:H-laag veroorzaken. Er kan dus een plotselinge potentiaaldaling plaatsvinden over de interface voordat een vlakbandpotentiaal in de ITO wordt bereikt. Een dergelijke potentiaaldaling op de interface met het ITO-topcontact is al geïllustreerd in P‑I‑N a-Si:H-structuren die werden geanalyseerd door SPV-profilering [12, 15]. Dezelfde interfaces met ultradunne a-Si:H-lagen werden ook onderzocht in de zonneceltechnologie van a-Si:H/kristallijne Si-heterojunctie, waarbij opnieuw de nadruk werd gelegd op de impact van het dopingniveau en de dikte van de a-Si:H-laag op de V _OC met en zonder ITO [16, 17].

De voorgaande overwegingen geven aan dat de lokale SPV-analyse door KPFM op geïsoleerde NW RJ's de optimale waarde van V_OC niet kwantitatief kan weergeven. wegens het ontbreken van ITO. De geëxtraheerde lokale V_OC wordt hier beperkt door de buiging van de oppervlakteband als gevolg van de volledige uitputting van de n-type a-Si:H-laag en zijn oxidatie-oppervlaktetoestand. De gemeten SPV omvat niet alleen de V_OC maar ook de foto-geïnduceerde bandbuigingsverandering nabij het oppervlak van de n-type a-Si:H-laag [18].