< Terug naar vorige pagina
Project
Silicium nanodraden voor volledig silicium gebaseerde tandem zonnecellen.
Silicium zonnecellen met een enkelvoudige junctie hebben een theoretisch maximale efficiëntie van 31% bij een belichting van 1 zon. Hier wordt over het algemeen naar verwezen als de Shockley-Queisser limiet. Een belangrijk deel van de verliezen van dergelijke cellen zijn gerelateerd aande thermalizatie van hete elektronen die worden gegenereerd door fotonen met een energie die groter is dan de verboden energie zone. Deze thermalizatie verliezen kunnen verminderd worden door het stapelen van materialen met verschillende verboden energie zones om op die manier een multi-junctie cel te bekomen. III-V materialen zijn een voor de hand liggendekeuze voor dit soort stapeling aangezien hun verboden energie zone op eenvoudige manier kan gewijzigd worden. Een alternatieve stapeling volledig op basis van silicium zou echter aanzienlijke kostvoordelen kunnen bieden. Tot op heden zijn de pogingen in de literatuur om volledig siliciumgebaseerde tandem zonnecellen te maken gefocust op silicium kwantum dots. De controle die echter nodig is om zowel de kwantuminsluiting in de kwantum dots als het tunnelen tussen de kwantum dots te optimalizeren, istot nog toe buiten het bereik van de technologische mogelijkheden.</>
</>
Dit werk onderzoekt het potentiële gebruik van silicium nanodraden als kristallijn materiaal met een grotere verboden energie zone om een top cel te maken met als einddoel een volledig siliciumgebaseerde tandem zonnecel. Het innovatieve ontwerp maakt gebruik van kwantuminsluiting in twee richtingen om de verboden energie zone van het silicium in de nanodraden te wijzigen, terwijl de derde richting vrijwaard wordt om de geleiding van ladingsdragers te verzekeren. Dit moet er voor zorgen dat het probleem van het tunnelen tussen twee kwantum dots wordt voorkomen. De omvang van dit werk omhelst twee centrale vragen: is het mogelijk om het juist type nanodraden te maken, en kunnen deze nanodraden dienen als actief materiaal voor een topcel?</>
</>
Een prototype proces is ontwikkeld op basis van een combinatie van DUV lithografie, droge ets en oxidatie om nanodraden te vormen met de juiste afmeting. Dit proces resulteert in conus-vormige nanodraden die een diameter hebben van 8-13 nm aan de basis van de draden en 2.5-4.5 nm aan de bovenkant van de draden. Een dichtgepakte matrix wordt gevormd met een afstand van 90 nm tussen twee centra van nanodraden en nanodraden met een lengte van 500 nm. Het elektrisch contact met de nanodraden wordt gevormd door een combinatie van PECVD om de gaten tussen de nanodraden op te vullen en chemisch-mechanisch pollijsten om het overvloedige oxide te verwijderen ende siliciumkernen bloot te leggen.</>
</>
De kwaliteit van het Si/SiO2 grensvlak is onderzocht aan de hand van ESR. De densiteit aan onverzadigde bindingen aan het verticale grensvlak van de nanodraden zelf werd gemeten als ook hun passivatie kinetica. De effectieve densiteit aan grensvlakdefecten [Pb0NW] = 3.3 x 1012 cm-2, met een activatie energie van de passivatie Ea van 1.53 eV en een standaard verdeling </>s</>Ea</> van 0.23 +/- 0.02 eV. Deze hoge waarde voor </>s</>Ea</> is indicatief voor een grensvlak dat onder spanning staat. Als de waardes van de kinetica van de passivatie in acht worden genomen, dan is de prognosis dat de [Pb0] slechts ~ 25 keer kan verminderd worden door temperen in waterstof. Dit betekent dat de nanodraden niet beter kunnen gepassiveerd worden dan [Pb0] = 1.3 x 1011 cm-2.</>
</>
Optische pomp THz sonde spectroscopie toont aan dat deze hoge dichtheid aan grensvlakdefecten resulteert in bijna onmiddellijke vangst (op picoseconde schaal) en recombinatie van fotogegenereerde ladingsdragers. Een optische vluchttijdtechniek meet anderzijds de tijd op die de ladingsdragers nodig hebben om door de nanodraden te reizen. Op basis van deze doorgangstijd opgemeten door deze techniek kan de mobiliteit berekend worden. De mobiliteit is 0.06 +/- 0.009 cm2/Vs. Deze veel lagere waarde is representatief voor de impact van de onverzadigde bindingen aan het grensvlak op de mobiliteit in de nanodraden.</>
</>
Aan de hand van deze materiaaleigenschappen lijkt het hoogst onwaarschijnlijk dat de nanodraden, zoals ze nu gemaakt worden op basis van een top-down benadering en verkleining door oxidatie, kunnen dienen als actief materiaal voor een topcel. In decel metingen die uitgevoerd zijn op de monsters kan de rol van de nanodraden niet duidelijk onderscheiden worden. In de I-V curven kunnen ze enkel onderscheiden worden als een extra serieweerstand. Ze blijken geen deel uit te maken van de actieve laag.</>
</>
Dit werk onderzoekt het potentiële gebruik van silicium nanodraden als kristallijn materiaal met een grotere verboden energie zone om een top cel te maken met als einddoel een volledig siliciumgebaseerde tandem zonnecel. Het innovatieve ontwerp maakt gebruik van kwantuminsluiting in twee richtingen om de verboden energie zone van het silicium in de nanodraden te wijzigen, terwijl de derde richting vrijwaard wordt om de geleiding van ladingsdragers te verzekeren. Dit moet er voor zorgen dat het probleem van het tunnelen tussen twee kwantum dots wordt voorkomen. De omvang van dit werk omhelst twee centrale vragen: is het mogelijk om het juist type nanodraden te maken, en kunnen deze nanodraden dienen als actief materiaal voor een topcel?</>
</>
Een prototype proces is ontwikkeld op basis van een combinatie van DUV lithografie, droge ets en oxidatie om nanodraden te vormen met de juiste afmeting. Dit proces resulteert in conus-vormige nanodraden die een diameter hebben van 8-13 nm aan de basis van de draden en 2.5-4.5 nm aan de bovenkant van de draden. Een dichtgepakte matrix wordt gevormd met een afstand van 90 nm tussen twee centra van nanodraden en nanodraden met een lengte van 500 nm. Het elektrisch contact met de nanodraden wordt gevormd door een combinatie van PECVD om de gaten tussen de nanodraden op te vullen en chemisch-mechanisch pollijsten om het overvloedige oxide te verwijderen ende siliciumkernen bloot te leggen.</>
</>
De kwaliteit van het Si/SiO2 grensvlak is onderzocht aan de hand van ESR. De densiteit aan onverzadigde bindingen aan het verticale grensvlak van de nanodraden zelf werd gemeten als ook hun passivatie kinetica. De effectieve densiteit aan grensvlakdefecten [Pb0NW] = 3.3 x 1012 cm-2, met een activatie energie van de passivatie Ea van 1.53 eV en een standaard verdeling </>s</>Ea</> van 0.23 +/- 0.02 eV. Deze hoge waarde voor </>s</>Ea</> is indicatief voor een grensvlak dat onder spanning staat. Als de waardes van de kinetica van de passivatie in acht worden genomen, dan is de prognosis dat de [Pb0] slechts ~ 25 keer kan verminderd worden door temperen in waterstof. Dit betekent dat de nanodraden niet beter kunnen gepassiveerd worden dan [Pb0] = 1.3 x 1011 cm-2.</>
</>
Optische pomp THz sonde spectroscopie toont aan dat deze hoge dichtheid aan grensvlakdefecten resulteert in bijna onmiddellijke vangst (op picoseconde schaal) en recombinatie van fotogegenereerde ladingsdragers. Een optische vluchttijdtechniek meet anderzijds de tijd op die de ladingsdragers nodig hebben om door de nanodraden te reizen. Op basis van deze doorgangstijd opgemeten door deze techniek kan de mobiliteit berekend worden. De mobiliteit is 0.06 +/- 0.009 cm2/Vs. Deze veel lagere waarde is representatief voor de impact van de onverzadigde bindingen aan het grensvlak op de mobiliteit in de nanodraden.</>
</>
Aan de hand van deze materiaaleigenschappen lijkt het hoogst onwaarschijnlijk dat de nanodraden, zoals ze nu gemaakt worden op basis van een top-down benadering en verkleining door oxidatie, kunnen dienen als actief materiaal voor een topcel. In decel metingen die uitgevoerd zijn op de monsters kan de rol van de nanodraden niet duidelijk onderscheiden worden. In de I-V curven kunnen ze enkel onderscheiden worden als een extra serieweerstand. Ze blijken geen deel uit te maken van de actieve laag.</>
Datum:1 jan 2009 → 31 dec 2012
Trefwoorden:Solar cells, Silicium
Disciplines:Andere ingenieurswetenschappen en technologie
Project type:PhD project