Meten van lokale open-circuitspanning in Si nanodraad radiale juncties met Kelvin Probe Force Microscopie

Inleiding

Halfgeleider nanoestructuren, met name nanodraadarrays met radiale juncties, beloven significante winsten in lichtinvang en ladingdragercollectie, potentieel planaire architecturen overtreffend. Silicium nanodraad RJs hebben al efficiënties benaderend 9,6% bereikt wanneer gefabriceerd op dun-film platforms. Echter, het evalueren van het foto-elektrische gedrag van individuele nanodraden blijft een kritieke uitdaging voor apparaatoptimalisatie.

We gebruiken KPFM om lokale V_OC op RJ SiNWs te proeven. Terwijl KPFM-afgeleide V_OC gevalideerd is op planaire fotovoltaïca, is de toepassing op nanogestructureerde apparaten niet-triviaal omdat het afzonderlijke donkere en verlichte metingen vereist om de oppervlakte fotovoltaat (SPV) vast te leggen.

Onze eerste strategie onderzoekt voltooide RJ SiNW cellen die een ITO voorcontact omvatten. We vergelijken conventionele stroom-spanning (I-V) data met KPFM-afgeleide SPV over een bereik van verlichtingsvermogens. De tweede strategie richt zich op geïsoleerde RJ SiNWs (geen ITO) om te bestuderen hoe tip-geometrie en verlichtingshoek SPV-extractie beïnvloeden. Ten slotte leveren macroscopische Kelvin-probe metingen spectrale SPV data (SPS) op zowel geïsoleerde als voltooide apparaten.

Materialen en methoden

SiNW groei en radiale P-I-N junctie apparaatfabricatie

RJ SiNWs werden gegroeid op ZnO:Al-gecoate Corning glas (Cg) met behulp van plasma-geënhanced chemische dampfase depositie (PECVD) bij 500 °C met Sn nanodeeltjes katalysatoren. Een conformale intrinsieke laag (80 nm) gevolgd door een n-type laag (10 nm) van gehydregeerde amorfe silicium (a-Si:H) werd gedeponeerd bij 175 °C op de p-type SiNW kern. Voltooide apparaten werden afgewerkt met een 4 mm-diameter ITO bovencontact gedeponeerd door sputtering onder een masker. Volledige fabricatiedetails staan elders.

Kelvin-probe en oppervlakte fotovoltaat

We gebruiken amplitude-modulatie (AM) KPFM voor de superieure stabiliteit ten opzichte van frequentie-modulatie (FM) bij het scannen van topografie-rijke nanodraden. Metingen werden uitgevoerd op een HORIBA/AIST-NT TRIOS platform met een 1310 nm laser-bundel-gebaseerde deflectiesysteem (LBBDS) om foto-excitatie artefacten te minimaliseren. Het systeem biedt drie objectieven voor boven-, zij- en onderverlichting.

SPV wordt verkregen door de donkere CPD af te trekken van de verlichte CPD, een techniek bewezen voor V_OC extractie. Verlichting wordt geleverd door een OXXIUS 488 nm laser diode met variabel vermogen.

Twee geleidende AFM-tips werden gebruikt: ARROW-EFM (standaard tip) en ATEC-EFM (gekantelde tip). Beide hebben gedopeerde silicium cantilevers gecoate met PtIr.

Macroscopische Kelvin-probe metingen met een 2 mm staal tip en een halogeenlamp monochromator (400-1000 nm) complementeren de nanoschaalse data, wat kwalitatieve oppervlakte-fotovoltaat-spectroscopie (SPS) mogelijk maakt.

Macroscopische I-V metingen gecombineerd met KPFM

Voor voltooide apparaten werden een KEITHLEY 2450 SourceMeter en een wolfraam naald gepositioneerd via een micro-positioneerder gebruikt voor I-V karakterisatie onder dezelfde AFM opstelling. Zowel donkere als verlichte (488 nm, 70-1000 µW) I-V kurven werden geregistreerd.

Resultaten en discussie

We evalueerden eerst de invloed van de AFM LBBDS golflengte. Macroscopische I-V kurven genomen met de TRIOS (1310 nm) en een externe AFM (690 nm) tonen verwaarloosbare verschillen in het donkere, met een 0,5 mV verschuiving in V_OC en 1 nA in I_SC wanneer de 1310 nm bundel actief is. In tegenstelling, induceert de 690 nm bundel een uitgesproken fotovoltaat respons (545 mV V_OC, 28 µA I_SC), wat het belang van een nabij-infrarood LBBDS voor donkere metingen benadrukt.

Figuur 3 illustreert I-V karakteristieken onder 70, 150, 270, en 560 µW verlichting, wat de verwachte toename van I_SC en V_OC met lichtintensiteit toont. De begleidende KPFM map toont topografie, donkere CPD, en verlichte CPD (488 nm, 270 µW). CPD variaties (~±10 mV) aan nanodraadranden worden toegeschreven aan topografie-geïnduceerde artefacten; waarden geëxtraheerd van de nanodraadtoppen worden gebruikt voor verdere analyse.

Figuur 4 vergelijkt V_OC uit I-V en SPV uit KPFM versus verlichtingsvermogen voor twee apparaten. De maximale afwijking is <5% bij 70 µW en <2% bij hogere vermogens. Beiden kurven volgen een logaritmische trend (500-600 mV) idealiteitsfactoren van 1,5 ± 0,1 (apparaat 1) en 1,75 ± 0,25 (apparaat 2), consistent met literatuur voor a-Si:H P-I-N juncties.

SPV metingen op geïsoleerde RJ SiNWs benadrukken schaduwingseffecten. Het gebruik van ARROW tips met bovenverlichting levert lage SPV waarden (Fig 5a, vierkanten) en een helling ~0,4. Overschakelen naar een gekantelde ATEC tip verhoogt SPV met 40% (Fig 5b, driehoeken). Het wisselen van verlichting van boven naar zij met een ARROW tip (Fig 5c, blauwe stippen) verbetert SPV verder, doch waarden blijven onder die van voltooide apparaten. Schaduwing is afwezig in voltooide cellen omdat de ITO laag de fotovoltaat over veel nanodraden homogeniseert.

Kwalitatieve SPS op gebundelde geïsoleerde apparaten (Fig 6a) onthult significante SPV (80-260 mV) in het nabij-infrarood (800-1000 nm), in contrast met de verwaarloosbare SPV van voltooide apparaten onder 800 nm. In tegenstelling toont een voltooide apparaat een scherpe SPV stijging bij 630 nm, bereikend 560 mV, maar daalt onder 10 mV in het NIR. Het verwijderen van de ITO laag van een voltooide apparaat verlaagt SPV (400-750 nm) drastisch direct na etsen, maar het signaal herstelt na 72 uur, naderend het niveau van geïsoleerde NWs. Deze bevindingen bevestigen dat de ITO/a-Si:H interface cruciaal is voor hoge V_OC; zijn afwezigheid limiteert bandbuiging en SPV-grootte.

Over het algemeen biedt lokale SPV mapping met KPFM een betrouwbare proxy voor V_OC in volledig gefabriceerde RJ SiNW apparaten, terwijl geïsoleerde NWs verlaagde SPV vertonen door tip-schaduwing en het gebrek aan een ITO contact.

Conclusie

Gelijktijdige I-V en KPFM studies op voltooide RJ SiNW cellen bevestigen dat SPV geëxtraheerd via KPFM nauwkeurig overeenkomt met V_OC uit conventionele metingen. In tegenstelling tonen geïsoleerde RJ SiNWs verlaagde SPV door tip-schaduwing; het optimaliseren van tip-vorm en verlichtingsrichting verlicht dit effect maar herstelt niet volledig de V_OC van voltooide apparaten. SPS experimenten tonen aan dat de ITO/a-Si:H interface essentieel is voor hoge fotovoltaat; zijn afwezigheid in geïsoleerde NWs limiteert bandbuiging en SPV. Niettemin valideert de lineaire correlatie tussen lokale SPV en apparaat V_OC contactloze, nanoschaalse SPV als een krachtig hulpmiddel voor het beoordelen van fotovoltaïsche prestaties van individuele SiNW juncties.

Beschikbaarheid van data en materialen

De datasets gebruikt en/of geanalyseerd tijdens deze studie zijn beschikbaar bij de corresponderende auteur op redelijke verzoek.

Afkortingen

AFM

Atoomkrachtmicroscopie

AM

Amplitudemodulatie

a-Si:H

Gehydregeerd amorfe silicium

Cg

Corning glas

CPD

Contact potentiaal verschil

FM

Frequentiemodulatie

ITO

Indium-tin-oxide

I-V

Stroom-spanning

KPFM

Kelvin probe force microscopie

LBBDS

Laser bundel-gebaseerde deflectiesysteem

n

Idealiteitsfactor

NW

Nanodraad

PECVD

Plasma-geënhanced chemische dampfase depositie

PV

Fotovoltaïsch

RJ

Radiale junctie

SiNW

Silicium nanodraad

SPS

Oppervlakte fotovoltaat spectroscopie

SPV

Oppervlakte fotovoltaat

V_OC

Open-circuit spanning