Μελέτη νανοδομών πυριτίου για εφαρμογές φωτοβολταϊκών διατάξεων

Abstract

The present thesis was devoted to the investigation of the different properties of Si nanocrystals that are of interest for their use in solar cells. The properties that were studied involve structural, optical and optoelectronic properties, as well as electrical transport phenomena in single- and multilayer arrays of Si nanocrystals. Finally, a novel Si-based photovoltaic cell was studied and fabricated, with the objective of its future use in combination with Si nanocrystals. The first chapter of the present thesis is devoted to an introduction to photovoltaic systems and to a bibliographic presentation of the use of Si nanocrystals in efficient photovoltaic devices.The second chapter is devoted to sample preparation. We first give an overview of the different techniques used to form Si nanocrystals and oxidise them. We then present the characterisation techniques used in the present thesis for the structural and morphological characterisation of the nanocrystal arrays, together with the obtained results for the sample structure and morphology.Chapter three is devoted to the absorption in semiconductors in general and more specifically in Si nanocrystals. The main results from this study are as follows: •Observation of the quantum confinement phenomenon.•It was found that the nanocrystalline silicon shows increased absorption coefficient compared with the crystalline silicon.•The refractive indexes of the samples were calculated.•The phenomenon of the photoluminescence was observed in some samples. Chapter four is devoted to the extended study of electrical transport phenomena in arrays of Si nanocrystals arranged in single and multilayered structures. This study is very relevant for the use of Si nanocrystals in solar cell devices. We present the different mechanisms involved and conclusions are drawn for the specific nanocrystal layers studied. The main results are as follows:•Interpretation of the conductivity in nanocrystalline silicon.•Observation of the space charge limited current.•Observation of Coulomb blockade in the smaller Si nanocrystals for temperatures lower than 200 K.In chapter five the optoelectronic properties of Si nanocrystals are presented. More specifically, the theory of photo-transport is reviewed, together with the main results obtained within the thesis on the mechanism of phototransport and the different parameters that are relevant for photovoltaics. The main conclusions from this study are as follows:•Interpretation of the photoconductivity mechanisms.•Observation of the dependence between the photoconductivity and the dimensions of the nanocrystals.•The life time of the photo-excited carriers was found to be few μsec and the recombination was of linear type. The last part of the thesis is devoted to the fabrication of a novel Si-based solar cell and the optimization of its performance. The specific solar cell can be used in combination with Si nanocrystals for optimization of its performance through "down shifting".

Ο στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η μελέτη των ιδιοτήτων που παρουσιάζουν οι νανοκρυσταλλίτες πυριτίου με στόχο την εφαρμογή τους σε φωτοβολταϊκές διατάξεις. Το φάσμα των ιδιοτήτων οι οποίες εξετάστηκαν στο πλαίσιο της διατριβής περιλαμβάνει τις δομικές, οπτικές, οπτικοηλεκτρονικές ιδιότητες, καθώς και φαινόμενα μεταφοράς σε συστοιχίες νανοκρυσταλλιτών σε μονοστρωματική ή πολυστρωματική διάταξη. Επίσης κατασκευάσθηκε και μελετήθηκε φωτοβολταϊκή διάταξη Si με στόχο τη μελλοντική ενσωμάτωση σε αυτή νανοκρυσταλλιτών Si. Στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής γίνεται αρχικά μια εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά συστήματα και στοιχεία, και στη συνέχεια γίνεται βιβλιογραφική παρουσίαση των εφαρμογών των νανοκρυσταλλιτών Si για κατασκευή φθηνότερων και πιο αποδοτικών φωτοβολταϊκών στοιχείων.Το δεύτερο κεφάλαιο επικεντρώνεται στην παρασκευή των προς μελέτη δειγμάτων. Παρουσιάζεται αρχικά μια σύνοψη των διαφόρων τεχνικών παρασκευής και οξείδωσης νανοκρυσταλλιτών Si. Ακολουθεί επίσης η παρουσίαση των τεχνικών χαρακτηρισμού των δομικών και μορφολογικών ιδιοτήτων των υμενίων νανοκρυσταλλικού Si, ενώ στο πειραματικό μέρος γίνεται η παρουσίαση των λεπτομερειών κατασκευής και των αποτελεσμάτων της μορφολογικής μελέτης.Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση του φαινομένου της απορρόφησης στους ημιαγωγούς γενικότερα και στους νανοκρυσταλλίτες ημιαγωγών ειδικότερα. Στο πειραματικό μέρος γίνεται η παρουσίαση των οργάνων με τη βοήθεια των οποίων μελετήθηκαν οι οπτικές τους ιδιότητες και των αποτελεσμάτων. Τα κύρια αποτελέσματα από τις οπτικές μετρήσεις έχουν ως εξής: •Η παρατήρηση του φαινομένου του κβαντικού εντοπισμού στις δομές.•Βρέθηκε ότι το νανοκρυσταλλικό Si παρουσιάζει αυξημένο συντελεστή απορρόφησης σε σχέση με αυτόν του κρυσταλλικού Si.•Υπολογίστηκαν οι συντελεστές διάθλασης των δειγμάτων.•Παρατηρήθηκε το φαινόμενο της φωτοφωταύγειας σε μερικά από τα δείγματα. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται αναλυτική μελέτη των βασικών φαινομένων ηλεκτρικής μεταφοράς φορέων σε συστοιχίες νανοκρυσταλλιτών σε μονοστρωματικά και πολυστρωματικά λεπτά υμένια. Η μελέτη αυτή αγωγιμότητας των υμενίων είναι πολύ σημαντική εν όψει των εφαρμογών τους σε φωτοβολταϊκές διατάξεις. Εγινε συστηματική μελέτη των μηχανισμών αγωγιμότητας στους νανοκρυσταλλίτες Si, παρουσιάζονται δε η θεωρία, τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα του ηλεκτρικού χαρακτηρισμού. Τα κύρια αποτελέσματα από τη μελέτη αυτή έχουν ως εξής:•Ερμηνεία της αγωγιμότητας στο νανοκρυσταλλικό Si.•Παρατήρηση του φαινομένου περιορισμού ρεύματος λόγω φορτίων χώρου.•Παρατήρηση του φαινομένου φραγής Coulomb για τους μικρότερους νανοκρυσταλλίτες, για θερμοκρασίες μικρότερες των 200 Κ.Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση των οπτικοηλεκρονικών τους ιδιοτήτων. Συγκεκριμένα γίνεται η περιγραφή της θεωρίας της φωτοαγωγιμότητας και των πειραματικών αποτελεσμάτων μελέτης στους νανοκρυσταλλίτες Si. Τα κύρια αποτελέσματα έχουν ως εξής: •Ερμηνεία των μηχανισμών της φωτοαγωγιμότητας.•Παρατηρήθηκε η εξάρτηση μεταξύ του φωτορεύματος και του μεγέθους των νανοκρυσταλλιτών.•Ο χρόνος ζωής των φωτο-διεγερμένων φορέων είναι μερικές δεκάδες μsec και η επανασύνδεση είναι γραμμικού τύπου. Η διατριβή κλείνει με την περιγραφή της κατασκευής πρωτότυπης πειραματικής φωτοβολταϊκής διάταξης Si και τη μελέτη μεθόδων μεγιστοποίησης της απόδοσής της. Η διάταξη αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια για την ενσωμάτωση νανοκρυσταλλιτών Si με στόχο την περαιτέρω βελτίωση των χαρακτηριστικών της.