Caratterizzazione delle Pile Solari della Multi-Giunzione Facendo Uso di Microscopia Atomica Combinata della Forza e della Spettroscopia Ottica Confocale

Da AZoNano

Indice

Introduzione
Formulazione del Problema
Risultati e Discussione Sperimentali
Topoplogy della Superficie A Semiconduttore di PV
Osservazioni Sotto Photoexcitation
Conclusioni
Circa NT-MDT

Introduzione

Il sole è un'alimentazione abbondante e facilmente accessibile che attualmente underutilized e probabilmente sarà la sola scelta per energia elettrica nell'immediato futuro. È creduto che il migliore metodo di generazione di energia solare stia usando il metodo fotoelettrico impiegato in pile solari (SCs). È preveduto dall'UE che almeno 3% della energia elettrica sia fornito dagli impianti solari entro l'anno 2020.

Formulazione del Problema

Corrente, le alte efficienze sono esibite dal MJ SCs basato sui nanoheterostructures a semiconduttore. Il MJ SCs comprende una serie di sotto-celle con le giunzioni di PN e gli strati di sbarramento una serie di materiali a semiconduttore. La disposizione di questi subcells è per il bandgap diminuente di energia dalla superficie fotosensibile al substrato connesso dai diodi di tunnel in modo opposto connessi. Quindi l'energia solare di spettro di tutto è segmentata e raccolta che causa le alte efficienze. È essenziale per capire che il sottocellulare più inefficiente determini il risparmio di temi totale di uno SC di MJ che Determina i livelli costituenti di questo genere di unità composita sia possibile con i metodi indiretti e integrali di misura e le simulazioni matematiche. Le Informazioni ottenute così non sono sempre inequivocabili poichè richiedono la soluzione di problemi inversi a più variabili.

Una determinazione inequivocabile richiederà il video separato dell'operazione di tutti i subcells costituenti.

Risultati e Discussione Sperimentali

Un esempio è dettagliato sotto circa come la Sonda confocale NanoLaboratory della fluorescenza del AFM Raman di Spettri di NTEGRA (PNL) è utilizzata nello studio sul MJ SCs basato su un'eterostruttura2 di GaInP/GaAs/Ge che ha tre giunzioni di PN. Il numero totale dei livelli è più di 20 ed i diversi livelli sono densamente di meno di 20 nanometro secondo le indicazioni di Figura 1.

Figura 1. Disegno Schematico di uno SC di MJ con tre subcells. Designazioni: varie tinte dei livelli rosa e P tipi dell'eterostruttura; tinte blu-chiaro, livelli N tipi; e livelli gialli e altamente di conduzioni di diodi di tunnel e di livelli del contatto. Le cifre mostrano le giunzioni di PN nei subcells basati sopra (1) GE, (2) GaAs e (3) GaInP2.

La tecnica di microscopia della forza della sonda (KPFM) di Kelvin è stata usata per determinare le variazioni potenziali di superficie di profilo di uno SC inter-sezione-fenduto riguardo all'intensità, alla lunghezza d'onda ed alla posizione di raggio di una sorgente di eccitazione del laser. Sulla Base del disegno schematico dei livelli nella Figura 1, la distanza fra le giunzioni di PN dei subcells vicini basati su GaAs e GaInP2 è di meno che un micrometro.

Il video della risposta, la variazione potenziale di superficie di Risposta, di un sottocellulare separato è stato permesso a mettendo a fuoco il laser di eccitazione in un punto di submicrometer. Un obiettivo che ha un'apertura diaframma numerica di 0,7 e potenza di risoluzione di 400 nanometro è stato utilizzato nel microscopio confocale del laser integrato negli Spettri PNL di NTEGRA. Una trave a mensola del AFM è sistemata sotto l'obiettivo permettendo l'eccitazione ottica simultanea e le misure del AFM secondo le indicazioni della Figura 2b. È importante notare che lo strumento permette allo scansione indipendente e sincronizzato del punto di laser ed allo scansione del campione facendo uso di uno specchio e di uno piezo-elettrico-scanner guidati piezo-elettrici del campione rispettivamente.

Figura 2. Disegno Schematico (a) dei livelli in uno SC di MJ con le stesse designazioni di colore di quelli nella Fig. 1. Le tre giunzioni di PN sono indicate dalle frecce. (b) Disegno Schematico dell'esperimento. I micrografi Ottici della barriera della superficie fenduta di uno SC durante il KPFM sperimentano sotto il photoexcitation messo a fuoco di (c) la giunzione di PN in GE con un laser (473 blu nanometro) e (d) giunzione di PN nel GaAs con un laser (785 rosso nanometro). I numeri Latini designano: (i) Substrato di GE, (ii) livelli di III-V (GaAs e GaInP2 ), (iii) spazio libero e (iv) trave a mensola di KPFM. Il microscopio ottico è messo a fuoco sul substrato di GE nella Fig. 2c e sui livelli di III-V nella Fig. 2d.

Topologia della Superficie A Semiconduttore di PV

Alcuni dei risultati ottenuti in primo Studio Finalizzato Sono elencati qui sotto:

  • È osservato secondo le indicazioni delle Figure 2c e 2d, vicino ai punti luminosi di barriere di superficie fenduti dai laser rossi e blu messi a fuoco sulle giunzioni di PN nei subcells del GE e di GeAs rispettivamente.
  • C'è un cambiamento marcato nella topologia di superficie a metà sinistro dell'immagine topografica come appare la Figura 3a. In questa regione particolare, il sollievo regolare del substrato di GE cambia ad una topologia striata dei livelli di III-IV.
  • Le Figure 2b e 2c indicano che i materiali di cristallo di III-V sono fenduti facilmente per formare la superficie atomico regolare e perfettamente planare soltanto lungo 110 piani basali.
  • I cristalli di Si e di GE fendono lungo gli aerei a cristallo differenti.
  • Il substrato di GE è più densamente due volte di tutti i altri livelli dello SC di MJ e quindi le direzioni della propagazione di fenditura sono basati principalmente sul substrato
  • La mappa di differenza (CPD) di potenziale di diffusione nella la Figura 3b mostra le funzionalità in linea con le differenze di potenziale integrate previste nell'eterostruttura in serie nelle circostanze di oscurità totale.
  • La mappa della DPC prova che vicino alla giunzione di PN sulla superficie sottocellulare di GaAs c'è una diminuzione nel segnale della DPC invece del picco secondo le indicazioni della Figura 3c
  • La regione della banda leggera corrisponde ai livelli di transizione bene verniciati fra il GE ed il GaAs sottocellulari
  • Queste discrepanze sono vedute perché il materiale della superficie della struttura a semiconduttore varia dal potenziale in serie dalla banda vicina alla superficie che piega conosciuto per un campione arbitrariamente fenduto.

Figura 3. studio di KPFM sulla superficie fenduta di uno SC di MJ nello scuro. Durante le misure entrambi i contatti allo SC di MJ sono stati collegati. (a) Immagine Topografica del profilo di superficie fenduto, misurata in semi-contactmode (il contrasto della gamma di colori misura le variazioni di altezza di 0,85 μm). (b) Mappa del segnale della DPC misurato nel secondo passo in assenza di un photoexcitation di esterno (il contrasto della gamma di colori misura le variazioni della DPC di V) 1,05. (c) Ha Lisciato il profilo di equilibrio del potenziale incorporato (dal modello). Disegno Schematico dei livelli: frecce con la manifestazione che delle cifre la giunzione di PN posiziona nei subcells (vedi inoltre le designazioni di colore nella Fig. 1). Parametri di Misura: Il laser del AFM con una lunghezza d'onda di 650 nanometro utilizzati nel sistema per rilevazione a mensola di deformazione, la sonda senza contatto di VIT_P, risonanza a 257 chilocicli, segnale potenziale di superficie è stato misurato a 100 altezza dell'ascensore di nanometro e Uac=2 V.

Osservazioni Sotto Photoexcitation

Quando la superficie a semiconduttore è esposta ad indicatore luminoso con un'energia del fotone più dell'intervallo di banda del materiale, la separazione più photocarrier dal campo vicino alla superficie provoca i portafili di minoranza che emergono alla superficie, che rende il piegamento della banda più piccolo. Questo meccanismo è applicato per i semiconduttori con le superfici vuotate dei portafili di maggioranza, in cui il photovoltage di superficie ha il segno opposto di quello dei portafili di maggioranza. In una struttura complicata, i photocarriers possono essere separati non solo nel campo vicino alla superficie, ma anche nella massa dovuto il campo delle barriere incorporate. Per esempio, è possibile predire i cambiamenti nel potenziale di superficie sull'illuminazione di singola giunzione di PN. dovuto la separazione più photocarrier nel campo vicino alla superficie, il lato di P è fatto pagare negativamente positivamente ed il lato di N. Al contrario, la separazione di photocarriers all'ingrosso il materiale dal campo della giunzione di PN fa pagare positivamente negativamente il lato di P ed il lato di N.

Alcune delle osservazioni sono elencate qui sotto:

  • Se il numero dei photocarriers separati nel campo della giunzione di PN supera quelli separati nel campo vicino alla superficie, quindi il photovoltage di superficie diminuirà, passando dal lato di P al lato di N.
  • Se i contatti a P e lati di N sono messi, quindi il contributo dalla separazione in serie si elimina ed il photovoltage di superficie aumenterà su una tal transizione.
  • Figura 4 mostra due insiemi dei profili simulati e misurati di photovoltage da una superficie fenduta in photoexcitation alterno delle giunzioni di PN in tre subcells del MJ SCs.
  • Il primo insieme dei profili, Fichi. 4a-4c, è stato ottenuto con l'eccitazione blu del laser (λ= 473 nanometro di lunghezza d'onda) e la seconda, Fichi. 4d-4f, con l'eccitazione rossa del laser (λ = 785 nanometro). Le densità di photoexcitation erano approssimativamente le stesse in entrambi i casi, 2-3 il Mw M. Il diametro D del punto focale è stato calcolato facendo uso del criterio di Rayleigh D = /NA 1,22, dove il λ è la lunghezza d'onda del laser ed il NA = 0,7 è l'apertura diaframma numerica dell'obiettivo.
  • La Determinazione del profilo di superficie di photovoltage era tramite la differenza dei valori del PALLADIO determinati sotto il photoexcitation e nello scuro.

Il trattamento di simulazione è stato fatto con le seguenti circostanze:

  • I contatti allo SC di MJ sono messi
  • Il photovoltage che compare nella massa di una giunzione di PN esposta ad indicatore luminoso si distribuisce fra le barriere di due giunzioni nonilluminated di PN.
  • Inoltre, le capacità di queste due giunzioni sono considerate come equivalenti.
  • L'indicatore luminoso dal laser blu è assorbito da tutti i livelli nello SC di MJ e l'indicatore luminoso dal laser rosso non è assorbito dagli ampi livelli di GaInP2 di intervallo di banda.
  • Nei profili sperimentali di photovoltage, le frecce mostrano una immersione nella Fig. 4b e un picco nella Fig. 4c. La simulazione predice queste funzionalità specifiche.
  • Il GaAs sottocellulare è isolato dai contatti allo SC di MJ dalle barriere potenziali alle giunzioni di PN dei subcells vicini. Nel caso sia esposto ad indicatore luminoso blu, la separazione di photocarriers nel campo della giunzione di PN induce gli elettroni ad ottenere espulso nei livelli di N di questo sottocellulare. Quindi, un potenziale negativo compare nella massa di questi livelli di N e nei livelli di P del GaInP2 sottocellulare. dovuto la separazione più photocarrier nel campo vicino alla superficie, la superficie dei livelli di P è negativamente egualmente - fatto pagare relativamente alla massa.
  • L'effetto unito di entrambi i trattamenti forma una immersione profonda nel profilo di superficie di photovoltage quando passa attraverso i livelli di P del GaInP2 sottocellulare, come si vede nella Fig. 4b. Se la luce rossa è usata, nessun photocarriers è generato negli ampi-bandgap livelli2 di GaInP. Di Conseguenza, la immersione dovrebbe essere meno pronunciata, che effettivamente è osservata nella la Figura. 4e. Quando il GaInP2 sottocellulare è esposto ad indicatore luminoso blu, un potenziale positivo compare nella massa dei sui livelli di P ed è trasferito ai livelli di N del GaAs sottocellulare.
  • Il photoeffect alla superficie dei livelli di N è egualmente positivo e un picco che corrisponde a questi livelli compare nel profilo di photovoltage

Figura 4. Confronto dei dati sperimentali e simulati. (Corrente alternata) Photoexcitation con luce laser (λ = 473 nanometro) messa a fuoco sulle giunzioni di PN (a) in GE, (b) GaAs e (c) GaInP2 . (d-f) Photoexcitation con luce laser (λ = 785 nanometro) messa a fuoco sulle giunzioni di PN dentro (d) GE, (e) GaAs e (f) GaInP2 . Designazioni: SPV, profilo di superficie sperimentale di photovoltage. Un profilo simulato egualmente è dato sopra ogni tracciato. Sotto, nell'ambito di tutti i tracciati sono indicati i disegni schematici dei livelli nel MJ SCs (con le stesse designazioni di colore di quelli in Fichi. 1-3) .omparison dei dati sperimentali e simulati. (Corrente alternata) Photoexcitation con luce laser (λ = 473 nanometro) messa a fuoco.

Conclusioni

Le conclusioni dallo studio sono elencate qui sotto:

  • Lo studio su una pila solare con tre subcells basati sul GE, sul GaAs e su GaInP2 negli Spettri PNL di un NTEGRA ha indicato che è possibile riflettere esclusivamente l'operazione di ciascuno sottocellulare.
  • I profili di superficie sperimentali di photovoltage ottenuti aderiscono ai risultati della simulazione qualitativa.
  • Questo accordo fra i dati sperimentali ed i risultati di simulazione indica che non ci sono barriere parassitarie nella pila solare di multijunction allo studio per le densità scelte di photoexitation.
  • Dovrebbe essere notato che gli Spettri PNL di NTEGRA, integranti il AFM con le tecniche ottiche della spettroscopia offre un insieme delle capacità significativamente più vasto per i sistemi diagnostici della pila solare che quella considerata nella comunicazione attuale.
  • Le seguenti tecniche di misura con risoluzione spaziale di nanometro e di submicrometer che includono quanto segue sono possibili:
    • topografia di superficie
    • conducibilità locale
    • variazioni dei potenziali e delle spese
    • incorporato o indotto da tendenziosità o dal photoexcitation esterna
    • valutazione di omogeneità composizionale e dei difetti materiali
    • variazioni spaziali e spettrali di trasmissione, della riflessione e di altri beni ottici
    • localizzazione delle regioni nonradiative di ricombinazione
    • video delle posizioni della giunzione di PN
    • video delle transizioni del heterointerface
    • mappatura degli sforzi meccanici

Tutti I questi scansione di misura sono usati per ottimizzare la tecnologia della pila solare. Per esempio, la progettazione interna delle pile solari può essere ottimizzata con correlazione delle regioni che hanno il risparmio di temi di conversione fotovoltaico massimo con i dati sulla variazione della composizione chimica, dello spessore del livello, del profilo, dei difetti e dei parametri ottici.

Circa NT-MDT

NT-MDT ha 550 impiegati, compreso gli scienziati di Ph.D., molti di chi sono guide nel loro campo. La società ha più di 600 impianti in 39 paesi e sta funzionando nel servizio di APM per più di 15 anni, raggiungente la distribuzione mondiale delle loro unità. I clienti di NT-MDT includono le Università e gli istituti universitari, i laboratori, i governi, i centri di ricerca e le società scientifiche di tutte le dimensioni in nanotecnologia sistemano.

Questi informazioni sono state originarie, esaminate ed adattate dai materiali forniti da NT-MDT Co.

Per ulteriori informazioni su questa sorgente, visualizzi prego NT-MDT Co.

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

Last Update: 15. July 2013 16:07

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