Характеризация Фотоэлементов Multi-Соединения Используя Совмещенную Атомную Микроскопию Усилия и Confocal Оптически Спектроскопию

AZoNano

Содержание

Введение
Образование Проблемы
Экспириментально Результаты и Обсуждение
Topoplogy Поверхности Полупроводника PV
Замечания Под Photoexcitation
Заключения
О NT-MDT

Введение

Солнце обильный, легко доступный источник питания который в настоящее время и вероятно будет единственным выбором для электричества в ближайшее время. Поверено что самый лучший метод солнечного производства электроэнергии использует светоэлектрический метод используемый в фотоэлементах (SCs). Envisioned EU что хотя бы 3% из электричества будет обеспечено от солнечных установок к год 2020.

Образование Проблемы

В Настоящее Время, наибольшие мощности показаны MJ SCs основанным на nanoheterostructures полупроводника. MJ SCs состоит из нескольких sub-клеток с соединениями p-n и вентильных слоев нескольких материалов полупроводника. Расположение этих subcells в заказе уменьшая bandgap энергии от фоточувствительной поверхности к субстрату соединенному противоположно соединенными диодами тоннеля. Следовательно энергия спектра целого солнечная поделена на сегменты и собрана причиняя высокие эффективности. Необходимо понять что самое неработоспособное subcell определяет полную эффективность SC. MJ Определяя составные слои этого вида составного прибора возможно с косвенными, объединенными методами измерения и математически имитациями. Информация полученная таким образом всегда не точно выраженна по мере того как она требует разрешения multivariate обратных проблем.

Точно выраженное определение будет требовать отдельно контроля деятельности всех составных subcells.

Экспириментально Результаты и Обсуждение

Пример детальн под около как Зонд NanoLaboratory флуоресцирования AFM confocal Raman Спектров NTEGRA (PNL) использован в изучении MJ SCs основанном на гетероструктуре2 GaInP/GaAs/Ge имея 3 соединения p-n. Общее количество слоев больше чем 20 и индивидуальные слои чем 20 nm толщиной как показано в Диаграмме 1.

Диаграмма 1. Схема SC MJ с 3 subcells. Обозначения: различные подкраски пинка, p-типа слоев гетероструктуры; свет - голубые подкраски, n-тип слои; и желтые, сильно дирижируя слои диодов тоннеля и приконтактные слои. Числа показывают соединения p-n в subcells основанных на (1) Ge, (2) GaAs, и (3) GaInP2.

Метод микроскопии усилия зонда (KPFM) Кельвина был использован для того чтобы определить поверхностные потенциальные изменения профиля крест-раздел-ого SC по отношению к интенсивности, длине волны, и положению луча источника возбуждения лазера. Основано на схеме слоев в Диаграмме 1, расстояние между соединениями p-n соседских subcells основанных на GaAs и GaInP2 чем микрометр.

Контроль реакции, поверхностное потенциальное изменение Реакции, отдельно subcell был позволен путем фокусировать лазер возбуждения в пятно submicrometer. Задача имея численную апертуру 0,7 и разрешая силу 400 nm была использована в confocal микроскопе лазера интегрированном в Спектрах PNL NTEGRA. Cantilever AFM аранжирован под задачей позволяющ одновременному оптически возбуждению и измерениями AFM как показано в Диаграмме 2b. Важно заметить что аппаратура включает независимую и синхронизированную скеннирование пятна лазера и скеннирование образца используя piezo управляемые зеркало и piezo-блок развертки образца соответственно.

Диаграмма 2. Схема (a) слоев в SC MJ с такими же обозначениями цвета как те в FIG. 1. 3 соединения p-n показаны стрелками. (b) Схема эксперимента. Оптически микрорисунки края ой поверхности SC во время KPFM экспериментируют под сфокусированным photoexcitation (c) соединения p-n в Ge с голубым соединением лазера (473 nm) и (d) p-n в GaAs с красным лазером (785 nm). Латинские цифры обозначают: (I) Субстрат Ge, (II) слои III-V (GaAs и GaInP2 ), (III) открытый космос, и (iv) cantilever KPFM. Оптически микроскоп сфокусирован на субстрате Ge в FIG. 2c, и на слоях III-V в FIG. 2d.

Топология Поверхности Полупроводника PV

Некоторые из результатов полученных в первом Анализе Проблемы перечислены ниже:

  • Наблюдается как показано в Диаграммах 2c и 2d, около ых поверхностных пятен краев светлых от красных и голубых лазеров сфокусированных на соединениях p-n в subcells Ge и GeAs соответственно.
  • Острое изменение в поверхностной топологии в левой половине топографического изображения показанного в Диаграмме 3a. В этой определенной зоне, сброс субстрата Ge ровный изменяет к striated топологии слоев III-IV.
  • На Диаграммы 2b и 2c показано что материалы III-V кристаллические ы легко для того чтобы сформировать атомно ровную и совершенно плоскостную поверхность только вдоль 110 базисных плоскостей.
  • Кристаллы Ge и Si колют вдоль различные плоскости кристалла.
  • Субстрат Ge 2 времени более толщиной чем все другие слои SC MJ и следовательно направления распространения расщепления большей частью основаны на субстрате
  • Карта разнице в (CPD) контактного потенциала в Диаграмме 3b показывает характеристики в соответствии с предпологаемых интегрированных потенциальных разниц в навальной гетероструктуре под условиями полной темноты.
  • Карта CPD доказывает что около соединения p-n на поверхности GaAs subcell уменшение в сигнале CPD вместо пика как показано в Диаграмме 3c
  • Зона светлого диапазона соответствует к хорошо данным допинг слоям перехода между Ge и GaAs subcell
  • Эти несоответствия увидены потому что материал поверхности структуры полупроводника меняет от навального потенциала приповерхностным диапазоном не известного для произвольно ого образца.

Диаграмма 3. изучение KPFM ой поверхности SC MJ в темноте. Во Время измерений были заземлены оба контакта к SC MJ. (a) Топографическое изображение ого поверхностного профиля, измеренное в semi-contactmode (контраст цвет-маштаба spans изменения высоты 0,85 μm). (b) Карта сигнала CPD измеренного в втором пропуске в отсутствии внешнего photoexcitation (контраст цвет-маштаба spans изменения CPD 1,05 V). (c) Приглаживаемый профиль уравновешения встроенного потенциала (от модели). Схема слоев: стрелки с выставкой чисел соединение p-n располагает в subcells (см. также обозначения цвета в FIG. 1). Параметры Измерения: Лазер AFM с длиной волны 650 nm используемого в системе для консольного обнаружения отклонения, внеконтактного зонда VIT_P, резонанса на 257 КГц, поверхностный потенциальный сигнал был измерен на 100 высоте подъема nm и Uac=2 V.

Замечания Под Photoexcitation

Когда поверхность полупроводника подвергается действию к свету с энергией фотона больше чем зазор диапазона материала, более photocarrier разъединение приповерхностным полем приводит к в несущих несовершеннолетия вытекая на поверхности, которая делает гнуть диапазона более малым. Этот механизм прикладной для полупроводников при поверхности истощенные несущих большинства, в которых поверхностное фотонапряжение имеет противоположный знак той из несущих большинства. В осложненной структуре, photocarriers можно отделить не только в приповерхностном поле, но также в большом части должном к полю встроенных барьеров. На пример, возможно предсказать изменения в поверхностном потенциале на освещении одиночного соединения p-n. Должно к более photocarrier разъединению в приповерхностное поле, сторона p поручена отрицательно, и сторона n несомненно. В контрасте, разъединение photocarriers в кусковом материале от поля соединения p-n поручает сторону p несомненно, и сторону n отрицательно.

Некоторые из замечаний перечислены ниже:

  • Если число photocarriers отделенных в поле соединения p-n превышает те отделенные в приповерхностном поле, то поверхностное фотонапряжение уменьшит, проходящ от стороны p к стороне n.
  • Если замкнуты накоротко контакты к p и стороны n, то исключен вклад от навального разъединения, и поверхностное фотонапряжение увеличит на таком переходе.
  • На Диаграмму 4 показано 2 комплекта сымитированных и измеренных профилей фотонапряжения от ой поверхности в другом photoexcitation соединений p-n в 3 subcells MJ SCs.
  • Первый комплект профилей, FIGS. 4a-4c, был получен с голубым возбуждением лазера (λ= 473 nm длины волны), и вторым, FIGS. 4d-4f, с красным возбуждением лазера (λ = 785 nm). Плотности photoexcitation были приблизительно этими же в оба случая, 2-3 mW/M. Диаметр D фокусного пятна был высчитан используя критерю по Rayleigh D = /NA 1,22, где λ длина волны лазера, и NA = 0,7 численная апертура задачи.
  • Определение поверхностного профиля фотонапряжения было разницей значений PD определенных под photoexcitation и в темноте.

Процесс имитации был сделан с следующими условиями:

  • Контакты к SC MJ замкнуты накоротко
  • Фотонапряжение появляясь в большое часть соединения p-n, котор подвергли действию к свету распределено среди барьеров 2 nonilluminated соединений p-n.
  • Также, рассмотрены, что будут емкости этих 2 соединений соответствующи.
  • Свет от голубого лазера поглощен всеми слоями в SC MJ и свет от красного лазера не поглощен широкими слоями GaInP зазора2 диапазона.
  • В экспириментально профилях фотонапряжения, стрелки показывают погружение в FIG. 4b и пике в FIG. 4c. Имитация предсказывает эти индивидуальные особенности.
  • GaAs subcell изолирован от контактов к SC MJ потенциальными барьерами на соединениях p-n соседских subcells. В случае если он подвергается действию к голубому свету, разъединение photocarriers в поле соединения p-n причиняет электроны получить выкинуто в слои n этого subcell. Следовательно, отрицательный потенциал появляется в большое часть этих слоев n и в слои p GaInP2 subcell. Должно к более photocarrier разъединению в приповерхностное поле, поверхность слоев p также отрицательно - поручено по отношению к большому части.
  • Совместное влияние обоих процессов формирует глубокое погружение в поверхностном профиле фотонапряжения когда оно проходит через слои p GaInP2 subcell, как замечено в FIG. 4b. Если красный свет использован, то никакие photocarriers не произведены в широких-bandgap слоях2 GaInP. Следовательно, погружение должно более менее быть произнесено, которое деиствительно наблюдается в Диаграмме. 4e. Когда GaInP2 subcell подвергается действию к голубому свету, положительный потенциал появляется в большое часть своих слоев p и возвращен к слоям n GaAs subcell.
  • Photoeffect на поверхности слоев n также положительно, и пик соответствие к этим слоям появляется в профиль фотонапряжения

Диаграмма 4. Сравнение экспириментально и сымитированных данных. (A.C.) Photoexcitation при лазерный луч (λ = 473 nm) сфокусированный на соединениях p-n в (a) Ge, (b) GaAs, и (c) GaInP2 . (d-f) Photoexcitation при лазерный луч (λ = 785 nm) сфокусированный на соединениях p-n в (d) Ge, (e) GaAs, и (f) GaInP2 . Обозначения: SPV, экспириментально поверхностный профиль фотонапряжения. Сымитированный профиль также дается над каждым графиком. Ниже, под всем графикам показывают схемы слоев в MJ SCs (с такими же обозначениями цвета как те в FIGS. 1-3) .omparison из экспириментально и сымитированных данных. (A.C.) Photoexcitation при сфокусированный лазерный луч (λ = 473 nm).

Заключения

Заключения от изучения перечислены ниже:

  • Изучение фотоэлемента при 3 subcells основанного на Ge, GaAs, и GaInP2 в Спектрах PNL NTEGRA показало что возможно контролировать деятельность каждого subcell отдельно.
  • Экспириментально поверхностные полученные профили фотонапряжения исполняют с результатами качественной имитации.
  • Это согласование между экспериментальными данными и результатами имитации показывает что никакие паразитные барьеры в фотоэлементе multijunction под изучением для выбранных плотностей photoexitation.
  • Оно должен быть замечен что Спектры PNL NTEGRA, интегрируя AFM с оптически методами спектроскопии предлагают значительно более обширный комплект возможностей для диагностик фотоэлемента чем то рассматриваемое в присутствующем сообщении.
  • Следующие методы измерения с пространственным разрешением submicrometer и нанометра которые включают следующее возможны:
    • поверхностная топография
    • местная проводимость
    • изменения потенциалов и обязанностей
    • встроено или наведено внешними смещением или photoexcitation
    • оценка compositional гомогенности и материальных дефектов
    • пространственные и спектральные изменения пропускаемости, отражения, и других оптически свойств
    • локализация нерадиационных зон рекомбинации
    • контроль положений соединения p-n
    • контроль переходов heterointerface
    • отображать механически усилий

Все из этих развертка измерения были использованы для того чтобы оптимизировать технологию фотоэлемента. Например, внутреннюю конструкцию фотоэлементов можно оптимизировать через корреляцию зон имея максимальную фотовольтайческую эффективность преобразования с данными на изменении химического состава, толщины слоя, профиля, дефектов и оптически параметров.

О NT-MDT

NT-MDT имеет 550 работников, включая научные работники Ph.D., много из кому руководители в их поле. Компания имеет больше чем 600 установок в 39 странах, и работает в рынке APM на больше чем 15 лет, достигая всемирного распределения их приборов. Клиенты NT-MDT включают Университеты и коллежи, лаборатории, правительства, исследовательскийа центр и научные компании всех размеров в нанотехнологии field.

Эта информация найденный, расмотрена и приспособлена от материалов обеспеченных CO. NT-MDT.

Для больше информации на этом источнике, пожалуйста посетите CO. NT-MDT.

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

Last Update: 15. July 2013 16:31

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit