Caractérisation des Piles Solaires de Multi-Jonction Utilisant la Microscopie Atomique Combinée de Force et la Spectroscopie Optique Confocale

Par AZoNano

Table des matières

Introduction
Formulation du Problème
Résultats et Discussion Expérimentaux
Topoplogy de la Surface de Semi-conducteur de PICOVOLTE
Observations Sous Photoexcitation
Conclusions
Au Sujet de NT-MDT

Introduction

Le soleil est une source d'énergie abondante et facilement accessible qui underutilized actuellement et sera probablement le seul choix pour l'énergie électrique dans un avenir proche. On le croit que la meilleure méthode de production d'électricité solaire utilise la méthode photoélectrique employée en piles solaires (SCs). L'UE envisage Le qu'au moins 3% de l'énergie électrique sera fourni des installations solaires par l'année 2020.

Formulation du Problème

Actuel, les rendements les plus élevés sont montrés par JUSTIFICATION MILITAIRE SCs basé sur des nanoheterostructures de semi-conducteur. La JUSTIFICATION MILITAIRE SCs comportent un certain nombre de sous-cellules avec des jonctions de NA et couches-barrière d'un certain nombre de matériaux de semi-conducteur. L'arrangement de ces subcells est dans la commande du bandgap décroissant d'énergie de la surface photosensible au substrat relié par les diodes tunnel à l'opposé connectées. Par Conséquent l'énergie solaire de spectre de totalité est segmentée et rassemblée entraînant des hautes performances. Il est essentiel de comprendre que le sous-cellulaire le plus inefficace détermine toute l'efficience d'un SC de JUSTIFICATION MILITAIRE Déterminant les couches constitutives de ce genre de dispositif composé est possible avec des méthodes indirectes et intégrales de mesure et des simulations mathématiques. L'Information obtenue ainsi n'est pas toujours sans ambiguïté car elle exige la solution des problèmes inverses multivariés.

Une détermination sans ambiguïté exigera la surveillance indépendante du fonctionnement de tous les subcells constitutifs.

Résultats et Discussion Expérimentaux

Un exemple est détaillé ci-dessous environ comment la Sonde confocale NanoLaboratory de fluorescence d'AFM Raman de Spectres de NTEGRA (PNL) est utilisée dans l'étude de la JUSTIFICATION MILITAIRE SCs basée sur une hétérostructure2 de GaInP/GaAs/Ge ayant trois jonctions de NA. Tout le nombre de couches est plus de 20 et différentes couches sont moins de 20 nanomètre profondément suivant les indications du Schéma 1.

Le Schéma 1. Schéma d'un SC de JUSTIFICATION MILITAIRE avec trois subcells. Nominations : colorations variées des couches roses et de type p de l'hétérostructure ; colorations bleu-clair, couches de type n ; et couches jaunes et conduisantes hautement de diodes tunnel et de couches de contact. Les chiffres affichent les jonctions de NA dans les subcells basés sur (1) la GE, (2) GaAs, et (3) GaInP2.

La technique de microscopie de force de sonde (KPFM) de Kelvin a été employée pour déterminer les variations potentielles extérieures de profil d'un SC croix-partie-fendu en ce qui concerne l'intensité, la longueur d'onde, et la position de poutre d'une source d'excitation de laser. Basé sur le schéma des couches sur le Schéma 1, de la distance entre les jonctions de NA des subcells voisins basés sur la GaAs et de GaInP2 est moins qu'un micromètre.

La surveillance de Réaction de la réaction, variation potentielle extérieure, d'un sous-cellulaire indépendant a été activée en orientant le laser d'excitation dans un endroit de submicrometer. Un objectif ayant une ouverture numérique de 0,7 et l'alimentation électrique de résolution de 400 nanomètre a été utilisé dans le microscope confocal de laser intégré en Spectres PNL de NTEGRA. Un encorbellement d'AFM est arrangé ci-dessous l'objectif permettant l'excitation optique simultanée et des mesures d'AFM suivant les indications de la Figure 2b. Il est important de noter que l'instrument active la lecture indépendante et synchronisée de tache laser et la lecture d'échantillon utilisant un miroir et un piézo-électrique-balayeur pilotés piézo-électriques témoin respectivement.

Le Schéma 2. (a) Schéma des couches dans un SC de JUSTIFICATION MILITAIRE avec les mêmes nominations de couleur que ceux dans Fig. 1. Les trois jonctions de NA sont affichées par des flèches. (b) Schéma d'expérience. Les micrographes Optiques de l'arête de la surface fendue d'un SC pendant un KPFM expérimentent sous le photoexcitation orienté (c) de la jonction de NA à la GE avec un laser (473 bleu nanomètre) et (d) de la jonction de NA dans la GaAs avec un laser (785 rouge nanomètre). Les numéraux Latins montrent : (i) Substrat de GE, (ii) couches d'III-V (GaAs et GaInP2 ), (iii) espace libre, et (iv) encorbellement de KPFM. Le microscope optique est concentré sur le substrat de GE dans Fig. 2c, et sur les couches d'III-V dans Fig. 2d.

Topologie de la Surface de Semi-conducteur de PICOVOLTE

Certains des résultats obtenus en la première Étude de Cas sont cotés ci-dessous :

  • On l'observe suivant les indications des Figures 2c et 2d, près des endroits extérieurs fendus de balisage du bord de piste des lasers rouges et bleus concentrés sur les jonctions de NA dans les subcells de la GE et du GeAs respectivement.
  • Il y a un changement tranchant de la topologie extérieure dans la moitié gauche de l'image topographique représentée sur la Figure 3a. Dans cette région particulière, le relief doux du substrat de GE change en une topologie striée des couches d'III-IV.
  • Les Figures 2b et 2c prouvent que des matériaux en cristal d'III-V sont fendus facilement pour former la surface atomique douce et parfaitement planaire seulement le long de 110 plans basiques.
  • Les GEs et les cristaux de SI fendent le long de l'différents plans en cristal.
  • Le substrat de GE est deux fois plus profondément que toutes autres couches de SC de JUSTIFICATION MILITAIRE et par conséquent des sens de bouturage de clivage sont principalement basées sur le substrat
  • Le plan de différence potentielle (CPD) de contact dans la Figure 3b affiche des caractéristiques techniques dans l'alignement des différences potentielles intégrées prévues dans l'hétérostructure en vrac dans des conditions d'obscurité totale.
  • Le plan de DPC montre que près de la jonction de NA sur la surface sous-cellulaire de GaAs il y a une diminution du signe de DPC au lieu de la crête suivant les indications de la Figure 3c
  • La région de bande claire correspond aux couches de passage bien dopées entre la GE et la GaAs sous-cellulaires
  • Ces divergences sont vues parce que le matériau de surface de structure de semi-conducteur varie du potentiel en vrac par la bande proche de la surface courbant non connu pour un échantillon arbitrairement fendu.

Le Schéma 3. étude de KPFM de la surface fendue d'un SC de JUSTIFICATION MILITAIRE dans l'obscurité. Pendant les mesures les deux contacts au SC de JUSTIFICATION MILITAIRE ont été fondus. (a) Image Topographique du profil extérieur fendu, mesurée dans le semi-contactmode (le contraste de couleur-échelle enjambe les variations de hauteur de 0,85 μm). (b) Plan du signe de DPC mesuré dans la deuxième passe faute de photoexcitation externe (le contraste de couleur-échelle enjambe les variations de DPC de V) 1,05. (c) Profil Doux d'équilibre du potentiel intrinsèque (du modèle). Schéma des couches : flèches avec l'exposition de chiffres que la jonction de NA positionne dans les subcells (voir également les nominations de couleur dans Fig. 1). Paramètres de Mesure : Le laser d'AFM avec une longueur d'onde de 650 nanomètre utilisés dans le système pour le dépistage en porte-à-faux de fléchissement, la sonde de non contact de VIT_P, résonance à 257 kilohertz, le signe potentiel extérieur a été mesuré à 100 hauteurs et Uac=2 V. d'ascenseur de nanomètre.

Observations Sous Photoexcitation

Quand la surface de semi-conducteur est exposée à la lumière avec de l'énergie de photon plus que l'écartement de bande du matériau, la séparation photocarrier par la zone proche de la surface a comme conséquence des porteurs de minorité apparaissant sur la surface, qui rend la courbure de bande plus petite. Ce mécanisme est appliqué pour des semi-conducteurs avec des surfaces épuisées des porteurs de majorité, en lesquels le photovoltage extérieur a le signe opposé de cela des porteurs de majorité. Dans une structure compliquée, des photocarriers peuvent être séparés non seulement dans le domaine proche de la surface, mais également dans le volume dû à la zone des barrages intrinsèques. Par exemple, il est possible de prévoir des changements du potentiel extérieur sur l'illumination d'une jonction unique de NA. En Raison de la séparation photocarrier dans le domaine proche de la surface, le côté de p est chargé négativement, et le côté de n franchement. En revanche, la séparation des photocarriers en vrac le matériau de la zone de la jonction de NA charge le côté de p franchement, et le côté de n négativement.

Certaines des observations sont cotées ci-dessous :

  • Si le nombre de photocarriers séparés dans le domaine de la jonction de NA dépassent ceux séparés dans le domaine proche de la surface, alors le photovoltage extérieur diminuera, réussissant du côté de p au côté de n.
  • Si les contacts au p et des côtés de n court-, alors la cotisation de la séparation en vrac est éliminée, et le photovoltage extérieur augmentera sur un tel passage.
  • Le Schéma 4 affiche deux ensembles de profils simulés et mesurés de photovoltage d'une surface fendue dans le photoexcitation alterne des jonctions de NA dans trois subcells de JUSTIFICATION MILITAIRE SCs.
  • Le premier ensemble de profils, Figs. 4a-4c, a été obtenu avec l'excitation bleue de laser (λ= 473 nanomètre de longueur d'onde), et la deuxième, Figs. 4d-4f, avec l'excitation rouge de laser (λ = 785 nanomètre). Les densités de photoexcitation étaient environ les mêmes dans les deux cas, 2 ou 3 mW/M. Le diamètre D d'endroit focal a été prévu utilisant le critère de Rayleigh D = /NA 1,22, où le λ est la longueur d'onde de laser, et le NA = 0,7 est l'ouverture numérique de l'objectif.
  • La Détermination du profil extérieur de photovoltage était par la différence des valeurs de PALLADIUM déterminées sous le photoexcitation et dans l'obscurité.

Le procédé de simulation a été fait dans les conditions suivantes :

  • Les contacts au SC de JUSTIFICATION MILITAIRE court-
  • Le photovoltage apparaissant dans la partie d'une jonction de NA exposée à la lumière est distribué parmi les barrages de deux jonctions nonilluminated de NA.
  • En Outre, les capacités de ces deux jonctions sont considérées équivalentes.
  • La lumière du laser bleu est absorbée par toutes les couches dans le SC de JUSTIFICATION MILITAIRE et la lumière du laser rouge n'est pas absorbée par les couches larges de GaInP d'écartement2 de bande.
  • Dans les profils expérimentaux de photovoltage, les flèches affichent une immersion dans Fig. 4b et une crête dans Fig. 4c. La simulation prévoit ces caractéristiques spécifiques.
  • La GaAs sous-cellulaire est isolée des contacts au SC de JUSTIFICATION MILITAIRE par les barrages potentiels aux jonctions de NA des subcells voisins. Au cas où elle serait exposée à la lumière bleue, la séparation des photocarriers dans le domaine de la jonction de NA fait obtenir des électrons éjecté dans les couches de n de ceci sous-cellulaire. Par Conséquent, un potentiel négatif apparaît dans la partie de ces couches de n et dans les couches de p du GaInP2 sous-cellulaire. En Raison de la séparation photocarrier dans le domaine proche de la surface, la surface des couches de p est également négativement - chargé par rapport au volume.
  • L'effet commun des deux procédés forme une immersion profonde dans le profil extérieur de photovoltage quand il réussit en travers des couches de p du GaInP2 sous-cellulaire, comme vu dans Fig. 4b. Si le feu rouge est utilisé, aucun photocarriers n'est produit dans les couches larges-bandgap2 de GaInP. En Conséquence, l'immersion devrait être moins prononcée, qui est en effet observée dans la Figure. 4e. Quand le GaInP2 sous-cellulaire est exposé à la lumière bleue, un potentiel positif apparaît dans la partie de ses couches de p et est transféré aux couches de n de la GaAs sous-cellulaire.
  • Le photoeffect sur la surface des couches de n est également positif, et une crête correspondant à ces couches apparaît dans le profil de photovoltage

Le Schéma 4. Comparaison des données expérimentales et simulées. (Courant alternatif) Photoexcitation avec la lumière laser (λ = 473 nanomètre) concentrée sur les jonctions de NA (a) à la GE, (b) GaAs, et (c) GaInP2 . (DF) Photoexcitation avec la lumière laser (λ = 785 nanomètre) concentrée sur les jonctions de NA (d) à la GE, (e) GaAs, et (f) GaInP2 . Nominations : SPV, profil extérieur expérimental de photovoltage. Un profil simulé est également donné au-dessus de chaque traçage. Ci-dessous, sous tous les traçages sont affichés des schémas des couches dans la JUSTIFICATION MILITAIRE SCs (avec les mêmes nominations de couleur que ceux dans les Figs. 1-3) .omparison des données expérimentales et simulées. (Courant alternatif) Photoexcitation avec la lumière laser (λ = 473 nanomètre) orientée.

Conclusions

Les conclusions de l'étude sont cotées ci-dessous :

  • L'étude d'une pile solaire avec trois subcells basés sur la GE, la GaAs, et le GaInP2 en Spectres PNL d'un NTEGRA a prouvé qu'il est possible de surveiller le fonctionnement de chacun sous-cellulaire séparé.
  • Les profils extérieurs expérimentaux de photovoltage obtenus sont conformes aux résultats de la simulation qualitative.
  • Cette convention entre les données expérimentales et les résultats de simulation prouvent qu'il n'y a aucun barrage parasite dans la pile solaire de multijunction à l'étude pour les densités choisies de photoexitation.
  • Il convient noter que les Spectres PNL de NTEGRA, intégrant l'AFM avec des techniques optiques de spectroscopie offre un ensemble de capacités sensiblement plus grand pour des diagnostics de pile solaire que cela considéré dans la transmission actuelle.
  • Les techniques de mesure suivantes avec la résolution spatiale de submicrometer et de nanomètre qui comprennent le suivant sont possibles :
    • topographie extérieure
    • conductivité locale
    • variations des potentiels et des frais
    • intrinsèque ou induit par polarisation externe ou photoexcitation
    • bilan de homogénéité compositionnelle et de défauts matériels
    • variations spatiales et spectrales de la transmittance, de la réflectivité, et d'autres propriétés optiques
    • localisation des régions nonradiative de recombinaison
    • surveillance des positions de jonction de NA
    • surveillance des passages de heterointerface
    • mappage des stress mécaniques

Tous Les ces échographie de mesure soient employés pour optimiser la technologie de pile solaire. Par exemple, le design interne des piles solaires peut être optimisé par la corrélation des régions ayant l'efficience de conversion photovoltaïque maximum avec des données sur la variation de la composition chimique, de l'épaisseur de couche, du profil, des défauts et des paramètres optiques.

Au Sujet de NT-MDT

NT-MDT a 550 employés, y compris des scientifiques de Ph.D., dont beaucoup est des amorces dans leur domaine. La compagnie a plus de 600 installations dans 39 pays, et avait fonctionné sur le marché d'APM pendant plus de 15 années, réalisant la distribution mondiale de leurs dispositifs. Les usagers de NT-MDT incluent des Universités et les universités, les laboratoires, les gouvernements, les centres de recherche et les compagnies scientifiques de toutes les tailles en nanotechnologie mettent en place.

Cette information a été originaire, révisée et adaptée des matériaux fournis par NT-MDT Cie.

Pour plus d'informations sur cette source, visitez s'il vous plaît NT-MDT Cie.

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

Last Update: 15. July 2013 15:59

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