Caracterização das Células Solares da Multi-Junção que Usam a Microscopia Atômica Combinada da Força e a Espectroscopia Óptica Confocal

Por AZoNano

Índice

Introdução
Formulação do Problema
Resultados e Discussão Experimentais
Topoplogy da Superfície do Semicondutor do PICOVOLT
Observações Sob Photoexcitation
Conclusões
Sobre NT-MDT

Introdução

O sol é uma fonte de energia abundante, facilmente acessível que underutilized presentemente e seja provavelmente a única escolha para a energia eléctrica em um futuro próximo. Acredita-se que o melhor método da geração das energias solares está usando o método fotoelétrico usado nas células solares (SCs). Prevê-se pela UE que pelo menos 3% da energia eléctrica estará fornecido das instalações solares no ano 2020.

Formulação do Problema

Actualmente, as eficiências as mais altas são exibidas por MJ SCs baseado em nanoheterostructures do semicondutor. O MJ SCs compreende um número de secundário-pilhas com junções do p-n e camadas de barreira de um número de materiais do semicondutor. O regime destes subcells está no pedido do bandgap de diminuição da energia da superfície fotossensível à carcaça conectada por diodos de túnel oposta conectados. Daqui a energia solar do espectro do todo é segmentada e recolhida que causa eficiências elevadas. É essencial compreender que o subcell o mais incapaz determina a eficiência total de um SC. do MJ que Determina as camadas constitutivas deste tipo do dispositivo composto é possível com métodos indirectos, integrais da medida e simulações matemáticas. A Informação obtida assim não é sempre inequívoca porque exige a solução de problemas inversos múltiplos.

Uma determinação inequívoca exigirá a monitoração separada da operação de todos os subcells constitutivos.

Resultados e Discussão Experimentais

Um exemplo é detalhado abaixo de aproximadamente como a Ponta De Prova confocal NanoLaboratory da fluorescência do AFM Raman dos Espectros de NTEGRA (PNL) é usada no estudo de MJ SCs baseado em uma heterostrutura2 de GaInP/GaAs/Ge que tem três junções do p-n. O número total de camadas é mais de 20 e as camadas individuais são menos de 20 nanômetro densamente segundo as indicações de Figura 1.

Figura 1. Diagrama Esquemático de um SC do MJ com três subcells. Designações: vários matizes do rosa, p-tipo camadas da heterostrutura; luz - matizes azuis, n-tipo camadas; e camadas amarelas, altamente conduzindo de camadas dos diodos e do contacto de túnel. Dígitos mostram as junções do p-n nos subcells baseados (1) no Ge, (2) GaAs, e (os 3) GaInP2.

A técnica da microscopia da força da ponta de prova (KPFM) de Kelvin foi usada para determinar as variações potenciais de superfície do perfil de um SC cruz-secção-fendido no que diz respeito à intensidade, ao comprimento de onda, e à posição de feixe de uma fonte da excitação do laser. Baseado no diagrama esquemático das camadas em Figura 1, a distância entre as junções do p-n dos subcells vizinhos baseados no GaAs e GaInP2 são menos do que um micrômetro.

A monitoração da resposta, variação potencial de superfície da Resposta, de um subcell separado foi permitida focalizando o laser da excitação em um ponto do submicrometer. Um objetivo que tem uma abertura numérica de 0,7 e uma potência de resolução de 400 nanômetro foi usado no microscópio confocal do laser integrado nos Espectros PNL de NTEGRA. Um modilhão do AFM é arranjado abaixo do objetivo permitindo a excitação óptica simultânea e das medidas do AFM segundo as indicações da Figura 2b. É importante notar que o instrumento permite a exploração independente e sincronizada do ponto de laser e a exploração da amostra usando um espelho e um piezo-varredor conduzidos piezo da amostra respectivamente.

Figura 2. (a) Diagrama Esquemático das camadas em um SC do MJ com as mesmas designações da cor que aquelas no Figo. 1. As três junções do p-n são mostradas por setas. (b) Diagrama Esquemático da experiência. As micrografia Ópticas da borda da superfície fendida de um SC durante um KPFM experimentam sob o photoexcitation focalizado (c) da junção do p-n no Ge com um laser azul (473 nanômetro) e (d) da junção do p-n no GaAs com um laser vermelho (785 nanômetro). Os numerais Latinos designam: (i) Carcaça do Ge, (ii) camadas de III-V (GaAs e GaInP2 ), (iii) espaço livre, e (iv) modilhão de KPFM. O microscópio óptico é centrado na carcaça do Ge em Fig. 2c, e sobre as camadas de III-V em Fig. 2d.

Topologia da Superfície do Semicondutor do PICOVOLT

Alguns dos resultados obtidos no primeiro Estudo de Caso estão listados abaixo:

  • Observa-se segundo as indicações das Figuras 2c e 2d, perto dos pontos claros de superfície fendidos de bordas dos lasers vermelhos e azuis centrados sobre as junções do p-n nos subcells do Ge e do GeAs respectivamente.
  • Há uma mudança afiada na topologia de superfície ao meio esquerdo da imagem topográfica mostrada na Figura 3a. Nesta região particular, o relevo liso da carcaça do Ge muda a uma topologia estriado das camadas de III-IV.
  • As Figuras 2b e 2c mostram que os materiais de cristal de III-V estão fendidos facilmente para formar a superfície atômica lisa e perfeitamente planar somente ao longo de 110 planos básicos.
  • Os cristais do Ge e do Si fendem ao longo do planos de cristal diferentes.
  • A carcaça do Ge é duas vezes mais densamente do que todas camadas restantes do SC do MJ e daqui sentidos da propagação da segmentação são baseadas predominante na carcaça
  • O mapa da diferença potencial (CPD) de contacto na Figura 3b mostra características alinhado com diferenças potenciais integradas previstas na heterostrutura maioria sob circunstâncias da escuridão total.
  • O mapa do CPD mostra que perto da junção do p-n na superfície subcell do GaAs há uma diminuição no sinal do CPD em vez do pico segundo as indicações da Figura 3c
  • A região da faixa clara corresponde às camadas de transição bem lubrificadas entre o Ge e o GaAs subcell
  • Estas discrepâncias são consideradas porque o material da superfície da estrutura do semicondutor varia do potencial maioria pela faixa da próximo-superfície que se dobra nao conhecido para uma amostra arbitrariamente fendida.

Figura 3. estudo de KPFM da superfície fendida de um SC do MJ na obscuridade. Durante medidas ambos os contactos ao SC do MJ foram aterrados. (a) Imagem Topográfica do perfil de superfície fendido, medida no semi-contactmode (o contraste da cor-escala mede as variações da altura de 0,85 μm). (b) Mapa do sinal do CPD medido na segunda passagem na ausência de um photoexcitation externo (o contraste da cor-escala mede as variações do CPD de V) 1,05. (c) Perfil Alisado do equilíbrio do potencial incorporado (do modelo). Diagrama Esquemático das camadas: setas com mostra que dos dígitos a junção do p-n posiciona nos subcells (veja igualmente designações da cor em Fig. 1). Parâmetros da Medida: O laser do AFM com um comprimento de onda de 650 nanômetro usados no sistema para a detecção da deflexão do modilhão, ponta de prova noncontact de VIT_P, ressonância em 257 quilohertz, o sinal potencial de superfície foi medido em 100 alturas do elevador do nanômetro e Uac=2 V.

Observações Sob Photoexcitation

Quando a superfície do semicondutor é expor à luz com uma energia do fotão mais do que a diferença de faixa do material, a separação mais photocarrier pelo campo da próximo-superfície conduz aos portadores de minoria que emergem na superfície, que faz a dobra da faixa menor. Este mecanismo é aplicado para semicondutores com as superfícies esgotadas dos portadores de maioria, em que o photovoltage de superfície tem o sinal oposto daquele de portadores de maioria. Em uma estrutura complicada, os photocarriers podem ser separados não somente no campo da próximo-superfície, mas igualmente no volume devido ao campo de barreiras incorporados. Por exemplo, é possível prever mudanças no potencial de superfície na iluminação de uma única junção do p-n. Devido à separação mais photocarrier no campo da próximo-superfície, o lado de p é cobrado negativamente, e o lado de n positivamente. Ao contrário, a separação de photocarriers no material de maioria do campo da junção do p-n cobra o lado de p positivamente, e o lado de n negativamente.

Algumas das observações estão listadas abaixo:

  • Se o número de photocarriers separados no campo da junção do p-n excede aqueles separados na próximo-superfície colocam, a seguir o photovoltage de superfície diminuirá, passando do lado de p ao lado de n.
  • Se os contactos ao p e lados de n shorted, a seguir a contribuição da separação maioria está eliminada, e o photovoltage de superfície aumentará em tal transição.
  • Figura 4 mostras dois grupos de perfis simulados e medidos do photovoltage de uma superfície fendida no photoexcitation alternativo de junções do p-n em três subcells de MJ SCs.
  • O primeiro grupo de perfis, Figos. 4a-4c, foi obtido com excitação azul do laser (λ= 473 nanômetro do comprimento de onda), e os segundos, Figos. 4d-4f, com excitação vermelha do laser (λ = 785 nanômetro). As densidades do photoexcitation eram aproximadamente as mesmas em ambos os casos, 2-3 mW/M. O diâmetro D do ponto focal foi calculado usando o critério de Rayleigh D = /NA 1,22, onde o λ é o comprimento de onda do laser, e o NA = 0,7 é a abertura numérica do objetivo.
  • A Determinação do perfil de superfície do photovoltage era pela diferença dos valores do PALÁDIO determinados sob o photoexcitation e na obscuridade.

O processo da simulação foi feito com as seguintes circunstâncias:

  • Os contactos ao SC do MJ shorted
  • O photovoltage que aparece no volume de uma junção do p-n expor à luz é distribuído entre as barreiras de duas junções nonilluminated do p-n.
  • Também, as capacidades destas duas junções são consideradas ser equivalentes.
  • A luz do laser azul é absorvida por todas as camadas no SC do MJ e a luz do laser vermelho não é absorvida pelas camadas largas de GaInP da diferença2 de faixa.
  • Nos perfis experimentais do photovoltage, as setas mostram um mergulho em Fig. 4b e um pico em Fig. 4c. A simulação prevê estas características específicas.
  • O GaAs subcell é isolado dos contactos ao SC do MJ pelas barreiras potenciais nas junções do p-n dos subcells vizinhos. Caso que é expor à luz azul, a separação de photocarriers no campo da junção do p-n faz com que os elétrons obtenham ejetado nas camadas de n deste subcell. Daqui, um potencial negativo aparece no volume destas camadas de n e nas camadas de p do GaInP2 subcell. Devido à separação mais photocarrier no campo da próximo-superfície, a superfície das camadas de p é igualmente negativamente - cobrado com relação ao volume.
  • O efeito comum de ambos os processos forma um mergulho profundo no perfil de superfície do photovoltage quando passa através das camadas de p do GaInP2 subcell, como visto em Fig. 4b. Se a luz vermelha é usada, nenhum photocarriers está gerado nas camadas largas-bandgap2 de GaInP. Conseqüentemente, o mergulho deve ser menos pronunciado, que é observado certamente na Figura. 4e. Quando o GaInP2 subcell é expor à luz azul, um potencial positivo aparece no volume de suas camadas de p e está transferido às camadas de n do GaAs subcell.
  • O photoeffect na superfície das camadas de n é igualmente positivo, e um pico que corresponde a estas camadas aparece no perfil do photovoltage

Figura 4. Comparação de dados experimentais e simulados. (Corrente alternada) Photoexcitation com o laser (λ = 473 nanômetro) centrado sobre as junções do p-n (a) no Ge, (b) GaAs, e (c) GaInP2 . (d-f) Photoexcitation com o laser (λ = 785 nanômetro) centrado sobre as junções do p-n (d) no Ge, (e) GaAs, e (f) GaInP2 . Designações: SPV, perfil de superfície experimental do photovoltage. Um perfil simulado é dado igualmente acima de cada lote. Abaixo, sob todos os lotes são mostrados diagramas esquemáticos das camadas em MJ SCs (com as mesmas designações da cor que aquelas nos Figos. 1-3) .omparison dos dados experimentais e simulados. (Corrente alternada) Photoexcitation com o laser (λ = 473 nanômetro) focalizado.

Conclusões

As conclusões do estudo estão listadas abaixo:

  • O estudo de uma célula solar com os três subcells baseados no Ge, no GaAs, e no GaInP2 nos Espectros PNL de um NTEGRA mostrou que é possível monitorar separada a operação de cada um subcell.
  • Os perfis de superfície experimentais do photovoltage obtidos seguem com os resultados da simulação qualitativa.
  • Este acordo entre os dados experimentais e os resultados da simulação mostra que não há nenhuma barreira parasítica na célula solar do multijunction sob o estudo para as densidades escolhidas do photoexitation.
  • Deve-se notar que os Espectros PNL de NTEGRA, integrando o AFM com técnicas ópticas da espectroscopia oferecem um grupo significativamente mais largo de capacidades para diagnósticos da célula solar do que aquela considerada na comunicação actual.
  • As seguintes técnicas de medida com definição espacial do submicrometer e do nanômetro que incluem o seguinte são possíveis:
    • topografia de superfície
    • condutibilidade local
    • variações dos potenciais e das cargas
    • incorporado ou induzido pela polarização externo ou pelo photoexcitation
    • avaliação da homogeneidade compositiva e de defeitos materiais
    • variações espaciais e espectrais do transmitância, da reflectância, e de outras propriedades ópticas
    • localização de regiões nonradiative da recombinação
    • monitoração de posições da junção do p-n
    • monitoração de transições do heterointerface
    • traço de esforços mecânicos

Todos Os estes varredura da medida sejam usados para aperfeiçoar a tecnologia da célula solar. Por exemplo, o projecto interno das células solares pode ser aperfeiçoado com a correlação das regiões que têm a eficiência de conversão fotovoltaico máxima com dados na variação da composição quimica, da espessura da camada, do perfil, dos defeitos e dos parâmetros ópticos.

Sobre NT-MDT

NT-MDT tem 550 empregados, incluindo cientistas do Ph.D., muitos de quem são líderes em seu campo. A empresa tem as mais de 600 instalações em 39 países, e tem-se operado no mercado de APM por mais de 15 anos, conseguindo a distribuição mundial de seus dispositivos. Os clientes de NT-MDT incluem Universidades e as faculdades, os laboratórios, os governos, os centros de pesquisa e as empresas científicas de todos os tamanhos na nanotecnologia colocam.

Esta informação foi originária, revista e adaptada dos materiais fornecidos por NT-MDT Co.

Para obter mais informações sobre desta fonte, visite por favor NT-MDT Co.

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

Last Update: 15. July 2013 16:28

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit