Caracterización de las Células Solares de la Multi-Unión Usando Microscopia Atómica Combinada de la Fuerza y la Espectroscopia Óptica Confocal

Por AZoNano

Índice

Introducción
Formulación del Problema
Resultados y Discusión Experimentales
Topoplogy de la Superficie del Semiconductor del PICOVOLTIO
Observaciones Bajo Photoexcitation
Conclusiones
Sobre NT-MDT

Introducción

El sol es una fuente de energía abundante, fácilmente accesible que underutilized actualmente y será probablemente la única opción para la energía eléctrica en un futuro próximo. Se cree que el mejor método de generación de energía solar está utilizando el método fotoeléctrico usado en células solares (SCs). Es previsto por la UE que por lo menos el 3% de la energía eléctrica serán proporcionados de instalaciones solares por el año 2020.

Formulación del Problema

Actualmente, las eficacias más altas son exhibidas por MJ SCs basado en nanoheterostructures del semiconductor. El MJ SCs comprende varias sub-células con las uniones del p-n y capas de barrera de varios materiales del semiconductor. La ordenación de estos subcells está en la orden del bandgap de disminución de la energía de la superficie fotosensible al substrato conectado por los diodos de túnel opuesto conectados. Por Lo Tanto la energía solar del espectro del conjunto se divide en segmentos y cerco que causa eficacias altas. Es esencial entender que el subcell más ineficaz determina la eficiencia total de un SC. del MJ Que Determina las capas constitutivas de esta clase de dispositivo compuesto es posible con métodos indirectos, integrales de la medición y simulaciones matemáticas. La Información obtenida así no es siempre inequívoca pues requiere la solución de problemas inversos multivariantes.

Una determinación inequívoca requerirá la supervisión separada de la operación de todos los subcells constitutivos.

Resultados y Discusión Experimentales

Un ejemplo es detallado debajo de alrededor cómo la Antena confocal NanoLaboratory de la fluorescencia del AFM Raman de los Espectros de NTEGRA (PNL) se utiliza en el estudio de MJ SCs basado en una heteroestructura2 de GaInP/GaAs/Ge que tiene tres uniones del p-n. El número total de capas es más de 20 y las capas individuales son menos de 20 nanómetro densamente tal y como se muestra en del Cuadro 1.

Cuadro 1. Diagrama Esquemático de un SC del MJ con tres subcells. Designaciones: diversos tintes del festonear, p-tipo capas de la heteroestructura; tintes azules claros, n-tipo capas; y capas amarillas, altamente de conductos de diodos de túnel y de capas del contacto. Los dígitos muestran las uniones del p-n en los subcells basados en (1) GE, (2) GaAs, y (3) GaInP2.

La técnica de la microscopia de la fuerza de la antena (KPFM) de Kelvin fue utilizada para determinar las variaciones potenciales superficiales del perfil de un SC cruz-sección-hendido en cuanto a la intensidad, a la longitud de onda, y a la posición de haz de una fuente de la excitación del laser. De Acuerdo con el diagrama esquemático de las capas en el Cuadro 1, la distancia entre las uniones del p-n de los subcells vecinos basados en el GaAs y GaInP2 es menos que un micrómetro.

La supervisión de la reacción, variación potencial superficial de la Reacción, de un subcell separado fue activada enfocando el laser de la excitación en una mancha del submicrometer. Un objetivo que tenía una apertura numérica de 0,7 y potencia de resolución de 400 nanómetro fue utilizado en el microscopio confocal del laser integrado en los Espectros PNL de NTEGRA. Un voladizo del AFM se arregla debajo del objetivo permitiendo la excitación óptica simultánea y de mediciones del AFM tal y como se muestra en de la Figura 2b. Es importante observar que el instrumento activa la exploración independiente y sincronizada de la mancha de laser y la exploración de la muestra usando un espejo y un piezoeléctrico-analizador impulsados piezoeléctricos de la muestra respectivamente.

Cuadro 2. (a) Diagrama Esquemático de capas en un SC del MJ con las mismas designaciones del color que ésos en Fig. 1. Las tres uniones del p-n son mostradas por las flechas. (b) Diagrama Esquemático del experimento. Los micrográfos Ópticos del borde de la superficie hendida de un SC durante un KPFM experimentan bajo el photoexcitation enfocado (c) de la unión del p-n en GE con un laser azul (473 nanómetro) y (d) de la unión del p-n en el GaAs con un laser rojo (785 nanómetro). Los números Latinos señalan: (i) Substrato de GE, (ii) capas de III-V (GaAs y GaInP2 ), (iii) espacio libre, y (iv) voladizo de KPFM. El microscopio óptico se centra en el substrato de GE en Fig. 2c, y en las capas de III-V en Fig. 2.a.

Topología de la Superficie del Semiconductor del PICOVOLTIO

Algunos de los resultados obtenidos en el primer Estudio de Caso son mencionados abajo:

  • Se observa tal y como se muestra en de las Figuras 2c y 2.o, cerca de las manchas pálidas superficiales hendidas de bordes de los laseres rojos y azules centrados en las uniones del p-n en los subcells de GE y de GeAs respectivamente.
  • Hay un cambio sostenido en la topología superficial por la mitad izquierdo de la imagen topográfica mostrada en la Figura 3a. En esta región determinada, la relevación lisa del substrato de GE cambia a una topología estriada de las capas de III-IV.
  • Las Figuras 2b y 2c muestran que los materiales cristalinos de III-V están hendidos fácil para formar la superficie atómico lisa y perfectamente planar solamente a lo largo de 110 aviones básicos.
  • GE y los cristales del Si hienden a lo largo de diversos aviones cristalinos.
  • El substrato de GE es dos veces más densamente que el resto de las capas del SC del MJ y por lo tanto las direcciones de la propagación de la hendidura se basan predominante en el substrato
  • La correspondencia de la diferencia potencial (CPD) de contacto en la Figura 3b muestra características en la alineación de diferencias potenciales integradas previstas en la heteroestructura a granel bajo condiciones de la oscuridad total.
  • La correspondencia del CPD prueba que cerca de la unión del p-n en la superficie subcell del GaAs hay una disminución de la señal del CPD en vez del pico tal y como se muestra en de la Figura 3c
  • La región de la banda pálida corresponde a las capas de transición bien dopadas entre GE y el GaAs subcell
  • Se consideran Estas discrepancias porque el material de la superficie de la estructura del semiconductor varía del potencial a granel por la banda próxima a la superficie que dobla no sabido para una muestra arbitrariamente hendida.

Cuadro 3. estudio de KPFM de la superficie hendida de un SC del MJ en la oscuridad. Durante mediciones ambos contactos al SC del MJ fueron conectados a tierra. (a) Imagen Topográfica del perfil superficial hendido, medida en semi-contactmode (el contraste de la color-escala atraviesa las variaciones de la altura de 0,85 μm). (b) Correspondencia de la señal del CPD medida en el segundo paso en ausencia de un photoexcitation del externo (el contraste de la color-escala atraviesa las variaciones del CPD de V) 1,05. (c) Perfil Alisado del equilibrio del potencial incorporado (de modelo). Diagrama Esquemático de las capas: flechas con la demostración de los dígitos que la unión del p-n coloca en los subcells (véase también las designaciones del color en Fig. 1). Parámetros de la Medición: El laser del AFM con una longitud de onda de 650 nanómetro usados en el sistema para la detección voladiza de la desviación, antena sin contacto de VIT_P, resonancia en 257 kilociclos, la señal potencial superficial fue medido en 100 alturas y Uac=2 V. de la ascensional del nanómetro.

Observaciones Bajo Photoexcitation

Cuando la superficie del semiconductor se expone a la luz con una energía del fotón más que la separación de banda del material, la separación más photocarrier por el campo próximo a la superficie da lugar a los portadores de minoría que emergen en la superficie, que hace doblar de la banda más pequeño. Este mecanismo es aplicado para los semiconductores con las superficies agotadas de los portadores de mayoría, en los cuales el photovoltage superficial tiene el señal opuesto del de los portadores de mayoría. En una estructura complicada, los photocarriers se pueden separar no sólo en el campo próximo a la superficie, pero también en el bulto debido al campo de barreras incorporadas. Por ejemplo, es posible predecir cambios en el potencial superficial en la iluminación de una única unión del p-n. Debido a la separación más photocarrier en el campo próximo a la superficie, la cara de p se carga negativo, y la cara de n positivo. En cambio, la separación de photocarriers en material a granel del campo de la unión del p-n carga la cara de p positivo, y la cara de n negativo.

Algunas de las observaciones son mencionadas abajo:

  • Si el número de photocarriers separados en el campo de la unión del p-n excede ésos separados en el campo próximo a la superficie, después el photovoltage superficial disminuirá, pasando de la cara de p a la cara de n.
  • Si los contactos al p y las caras de n se ponen en cortocircuito, después la contribución de la separación a granel se elimina, y el photovoltage superficial aumentará en tal transición.
  • El Cuadro 4 muestra dos conjuntos de perfiles simulados y medidos del photovoltage de una superficie hendida en el photoexcitation alterno de las uniones del p-n en tres subcells de MJ SCs.
  • El primer conjunto de los perfiles, Figs. 4a-4c, fue obtenido con la excitación azul del laser (λ= 473 nanómetro de la longitud de onda), y la segunda, Figs. 4d-4f, con la excitación roja del laser (λ = 785 nanómetro). Las densidades del photoexcitation estaban aproximadamente lo mismo en ambos casos, 2-3 mW/M. El diámetro D de la mancha focal era calculado usando la consideración de Rayleigh D = /NA 1,22, donde está la longitud de onda el λ del laser, y el NA = 0,7 es la apertura numérica del objetivo.
  • La Determinación del perfil superficial del photovoltage estaba por la diferencia de los valores del PALADIO determinados bajo el photoexcitation y en la oscuridad.

El proceso de la simulación fue hecho con las condiciones siguientes:

  • Los contactos al SC del MJ se ponen en cortocircuito
  • El photovoltage que aparece en el bulto de una unión del p-n expuesta a la luz se distribuye entre las barreras de dos uniones nonilluminated del p-n.
  • También, las capacitancias de estas dos uniones se consideran ser equivalentes.
  • La luz del laser azul es absorbida por todas las capas en el SC del MJ y la luz del laser rojo no es absorbida por las capas amplias de GaInP de la separación2 de banda.
  • En los perfiles experimentales del photovoltage, las flechas muestran un declive en Fig. 4b y un pico en Fig. 4c. La simulación predice estas características específicas.
  • El GaAs subcell es aislado de los contactos al SC del MJ por las barreras potenciales en las uniones del p-n de los subcells vecinos. En caso de que se exponga a la luz azul, la separación de photocarriers en el campo de la unión del p-n hace electrones conseguir expulsado en las capas de n de esto subcell. Por Lo Tanto, un potencial negativo aparece en el bulto de estas capas de n y en las capas de p del GaInP2 subcell. Debido a la separación más photocarrier en el campo próximo a la superficie, la superficie de las capas de p está también negativo - cargado en relación al bulto.
  • El efecto común de ambos procesos forma un declive profundo en el perfil superficial del photovoltage cuando pasa a través de las capas de p del GaInP2 subcell, como se ve en Fig. 4b. Si se utiliza la luz roja, no se genera ningunos photocarriers en las capas anchas-bandgap2 de GaInP. Por Lo Tanto, el declive debe ser menos pronunciado, que se observa de hecho en Figura. 4e. Cuando el GaInP2 subcell se expone a la luz azul, un potencial positivo aparece en el bulto de sus capas de p y se transfiere a las capas de n del GaAs subcell.
  • El photoeffect en la superficie de las capas de n es también positivo, y un pico correspondiente a estas capas aparece en el perfil del photovoltage

Cuadro 4. Comparación de datos experimentales y simulados. (A.C.) Photoexcitation con la luz laser (λ = 473 nanómetro) centrada en las uniones del p-n en (a) GE, (b) GaAs, y (c) GaInP2 . (d-f) Photoexcitation con la luz laser (λ = 785 nanómetro) centrada en las uniones del p-n en (d) GE, (e) GaAs, y (f) GaInP2 . Designaciones: SPV, perfil superficial experimental del photovoltage. Un perfil simulado también se da encima de cada gráfico. Abajo, bajo todos los gráficos se muestran diagramas esquemáticos de capas en MJ SCs (con las mismas designaciones del color que ésos en las Figs. 1-3) .omparison de los datos experimentales y simulados. (A.C.) Photoexcitation con la luz laser (λ = 473 nanómetro) enfocada.

Conclusiones

Las conclusiones del estudio son mencionadas abajo:

  • El estudio de una célula solar con tres subcells basados en GE, el GaAs, y GaInP2 en los Espectros PNL de un NTEGRA mostró que es posible vigilar la operación de cada uno subcell por separado.
  • Los perfiles superficiales experimentales del photovoltage obtenidos cumplen con los resultados de la simulación cualitativa.
  • Este acuerdo entre los datos experimentales y los resultados de la simulación muestra que no hay barreras parásitas en la célula solar del multijunction bajo estudio para las densidades elegidas del photoexitation.
  • Debe ser observado que los Espectros PNL de NTEGRA, integrando el AFM con técnicas ópticas de la espectroscopia ofrecen un conjunto importante más amplio de las capacidades para los diagnósticos de la célula solar que lo considerada en la actual comunicación.
  • Las técnicas de medición siguientes con la resolución espacial del submicrometer y del nanómetro que incluyen el siguiente son posibles:
    • topografía superficial
    • conductividad local
    • variaciones de potenciales y de cargas
    • incorporado o inducido por polarizado o el photoexcitation externo
    • evaluación de la homogeneidad compositiva y de los defectos materiales
    • variaciones espaciales y espectrales de la transmitencia, de la reflexión, y de otras propiedades ópticas
    • localización de las regiones nonradiative de la recombinación
    • supervisión de las posiciones de la unión del p-n
    • supervisión de las transiciones del heterointerface
    • correspondencia de tensiones mecánicas

Todos Los estos exploración de la medición se utilicen para optimizar la tecnología de la célula solar. Por ejemplo, el diseño interno de células solares se puede optimizar con la correlación de las regiones que tienen la eficiencia de conversión fotovoltaica máxima con datos sobre la variación de la composición química, del espesor de la capa, del perfil, de los defectos y de los parámetros ópticos.

Sobre NT-MDT

NT-MDT tiene 550 empleados, incluyendo científicos del Ph.D., muchos de los cuales es arranques de cinta en su campo. La compañía tiene más de 600 instalaciones en 39 países, y ha estado operatorio en el mercado de APM por más de 15 años, logrando la distribución mundial de sus dispositivos. Los clientes de NT-MDT incluyen Universidades y las universidades, los laboratorios, los gobiernos, los centros de investigación y las compañías científicas de todas las tallas en la nanotecnología colocan.

Esta información ha sido originaria, revisada y adaptada de los materiales proporcionados por NT-MDT Co.

Para más información sobre esta fuente, visite por favor NT-MDT Co.

Date Added: Jul 10, 2012 | Updated: Jul 15, 2013

Last Update: 15. July 2013 16:36

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