Νανονήματα Si για φωτοβολταϊκές διατάξεις

Abstract

The current PhD thesis studies the implementation of vertically aligned Si nanowires, with ultra-low reflection on the emmiter’s surface of monocrystalline Si solar cells as an antireflection layer, in order to enhance the optical gain of the solar cells. In this respect, arrays of vertically aligned porous and bulk Si nanowires were formed using Metal-Assisted Chemical Etching of Si, and they were embedded on the top of Si solar cells.More specifically, at the beginning of this thesis the general properties of Metal-Assisted Chemical Etching (MACE) and the most basic technique for the fabrication of vertically oriented Si nanowires are presented. The role of the metal, the general mechanism, and the overall process flow of the single (MACE) have been referred and analyzed.The experimental part of this thesis begins with the growth and structural characterization of Si nanowires induced on the top of silicon monocrystalline substrate using single MACE. Concerning the Si nanowires grown by MACE on heavily doped p-Si, it was verified that they are fully porous and their structure have been monitored using their photoluminescence spectra revealing that their porous skeleton consist of a complex network of Si quantum dots the diameter and surface chemical properties of which depend on their previous chemical treatment. In addition to this, after the deposition of 10nm Al2O3 and 500nm Al on bulk Si nanowires induced by MACE on medium doped Si 3-dimensional Si nanowires MOS structures have been fabricated on chemically treated Si nanowires. The electrical characterization of the 3-diamensional Si nanowires capacitors extract information about the electrical quality of the formed Si/Al2O3 interface, and the intrinsic electrical characteristics of the n and p-type of bulk Si nanowire. This investigation conclude that Si nanowires grown at the top of medium doped p-Si, even if they are bulk, they present a porous shell which induces bulk traps at the formed Si nanowires deteriorating the functionality of the Si nanowires MOS structure on them. Moreover, this porous layer was successfully dissolved after three successive cycles of piranha-HF leading to Si nanowires with improved electrical characteristics, and to 3-dimensonal Si nanowires MIS structures with enhanced capacitance density up to 8 times.Besides to p-type Si nanowires, the formed MIS structures on Si nanowires grown by MACE on medium doped n-type Si do not present bulk trap even before their surface chemical treatment. They only present low surface roughness which is also reduced after their surface treatment. Thus, we conclude that Si nanowires arrays induced on the top of medium doped n-type Si are the most appropriate for electronic and solar cell applications as they present less balk traps than their counterparts formed on p-type Si.In this respect, at the final part of this thesis, Si solar cells with embedded Si nanowires on their emitter were fabricated and they were optically and electrically characterized. The formation of p-n junction in the solar cells has been made using Spin-On-Dopant technique after the formation of Si nanowires arrays on the emmiter’s surface. At the first part of this investigation, Si nanowires solar cells with improved photovoltaic efficiency than the planar reference cell have been fabricated, but with enhanced series resistance and poor electrical characteristics in comparison to the reference planar sample. Thus, we conclude that even if Si nanowires succeed in improving the optical gain of solar cells they also deteriorate the electrical characteristics of the solar cells as they induce a significant rise at the series resistance of the solar cell. In this direction, in order to minimize the electrical loses derives from the Si nanowires a new type of architecture of Si nanowire solar cells has been tested. In this architecture, the front metal contacts of the solar cells have been formed on bulk Si and Si nanowires have been only formed only in the light active emitter’s regions and not to the front metal contact regions. This new solar cell architecture presents rise of all the photovoltaic parameters of the solar cell with total photovoltaic efficiency of about 13.5%.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ενσωμάτωση συστοιχίας κάθετων νανονημάτων Si στην επιφάνεια του εκπομπού φωτοβολταϊκής διάταξης μονοκρυσταλλικού Si, για χρήση ως αντιανακλαστικό στρώμα, με σκοπό την αύξηση της οπτικής απορρόφησης της διάταξης. Προς την κατεύθυνση αυτή αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν συστοιχίες πορωδών και συμπαγών κάθετων νανονημάτων Si μέσω χημικής εγχάραξης Si καταλυόμενης από μέταλλο (MACE). Eπίσης παρασκευάσθηκαν και μελετήθηκαν φωτοβολταϊκές διατάξεις μονοκρυσταλλικού Si με ενσωματωμένη συστοιχία κάθετων νανονημάτων Si στην επιφάνεια του εκπομπού τους.Πιο αναλυτικά, στην αρχή της παρούσας διατριβής γίνεται μια σύντομη αναφορά στις ιδιότητες των νανονημάτων Si, καθώς και στις βασικές τεχνικές ανάπτυξης νανονημάτων Si σε υπόστρωμα κρυσταλλικού Si, δίνοντας έμφαση στα πλεονεκτήματα που προσφέρει η τεχνική της καταλυόμενης από μέταλλο εγχάραξης του Si έναντι των υπολοίπων. Eπίσης γίνεται μία σύντομη αναφορά στους κύριους μηχανισμούς της MACE, όπως οι βασικές χημικές αντιδράσεις αυτής, ο ρόλος του μετάλλου σε αυτήν, καθώς και οι βασικές παράμετροι που επηρεάζουν την ανάπτυξη των νημάτων, όπως η σύσταση του διαλύματος και η θερμοκρασία εγχάραξης.Στο πειραματικό μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής αρχικά μελετώνται οι εγγενείς ιδιότητες νανονηματων Si, ανεπτυγμένων στην επιφάνεια μονοκρυσταλλικού υποστρώματος Si μέσω καταλυόμενης από μέταλλο χημικής εγχάραξης του Si (MACE). Πιο αναλυτικά, σχετικά με τα νανονήματα Si ανεπτυγμένα σε υπόστρωμα Si χαμηλής ειδικής αντίστασης, παρατηρήθηκε ότι παρουσιάζουν πλήρη μεσοπορώδη δομή, η οποία μελετήθηκε μέσω φασμάτων φωτοφωταύγειας. Παράλληλα, κατασκευάσθηκαν και μελετήθηκαν τρισδιάστατες δομές μετάλλου/διηλεκτρικού/ημιαγωγού (MIS) μετά από εναπόθεση 10nm Al2O3 και 500nm Al σε επιφανειακά τροποποιημένα, αλλά και μη τροποποιημένα, συμπαγή νανονήματα ανεπτυγμένα μέσω MACE σε n και p-τύπου Si μεσαίας ειδικής αντίστασης. Σκοπός αυτής της διερεύνησης ήταν η μελέτη της αύξησης της πυκνότητας χωρητικότητας των παρασκευασμένων πυκνωτών, λόγω της αυξημένης επιφάνειας των νανονημάτων, αλλά κυρίως η αξιολόγηση της χημικής επιφανειακής επεξεργασίας των νημάτων μέσω διαδοχικών κύκλων piranha/HF, καθώς και η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τις εγγενείς ιδιότητες των επιφανειακά τροποποιημένων συμπαγών νανονημάτων. Η παραπάνω μελέτη επέδειξε ότι τα νανονήματα ανεπτυγμένα μέσω MACE σε p-τύπου Si μεσαίας ειδικής αντίστασης, αν και συμπαγή, παρουσιάζουν ένα επιφανειακό νανοπορώδες στρώμα, το οποίο μετά από 3 διαδοχικούς κύκλους piranha/HF διαλύεται εντελώς. Αντιθέτως, τα νανονήματα ανεπτυγμένα μέσω MACE σε n-τύπου Si, μεσαίας ειδικής αντίστασης, δεν παρουσιάζουν κάποιο πορώδες επιφανειακό στρώμα, ακόμη και πριν τη χημική επιφανειακή επεξεργασία τους, παρά μόνον αυξημένη επιφανειακή τραχύτητα, η οποία επίσης μειώνεται μετά από δύο διαδοχικούς κύκλους piranha/HF.Λόγω των παραπάνω αποτελεσμάτων, τα συμπαγή νανονήματα Si σε n-τύπου Si μεσαίας ειδικής αντίστασης κρίθηκαν καταλληλότερα για τη χρήση τους ως αντιανακλαστικό στρώμα σε φωτοβολταϊκές διατάξεις μονοκρυσταλλικού Si, καθώς εισάγουν μικρότερο αριθμό επιφανειακών κέντρων επανασύνδεσης φορέων. Ως εκ τούτου παρασκευάσθηκαν n-τύπου φωτοβολταϊκές διατάξεις με ενσωματωμένη συστοιχία νανονημάτων Si σε όλη την επιφάνεια του εκπομπού τους. Η δημιουργία της p-n επαφής στις διατάξεις πραγματοποιήθηκε με την τεχνική Spin-On-Doping μετά από την ανάπτυξη συστοιχίας κάθετων νανημάτων Si στην επιφάνεια του εκπομπού. Η μελέτη των παρασκευασμένων φωτοβολταϊκών διατάξεων με νανονήματα Si επέδειξε ότι, αν και παρουσιάζουν αυξημένη φωτοβολταϊκή απόδοση σε σχέση με την επίπεδη διάταξη χωρίς νήματα, η βελτίωση της λειτουργίας τους οφείλεται κυρίως στηχαμηλή ανακλαστικοτήτα των νημάτων, καθώς οι φωτοβολταϊκές διατάξεις με νανονήματα παρουσιάζουν αυξημένη σειριακή αντίσταση και χειρότερα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά από αυτά της επίπεδης διάταξης. Τέλος, για την περαιτέρω βελτίωση των φωτοβολταϊκών χαρακτηριστικών των διατάξεων με νανονήματα, δοκιμάστηκε μια νέου τύπου φωτοβολταϊκή διάταξη, στην οποία οι μπροστά μεταλλικές επαφές αναπτύχθηκαν σε συμπαγές Si, ενώ νανονήματα Si αναπτύχθηκαν μόνο στις περιοχές του εκπομπού, οι οποίες είναι οπτικά ενεργές. Αυτή η νέου τύπου φωτοβολταϊκή διάταξη επέδειξε βελτίωση σχεδόν όλων των φωτοβολταϊκών παραμέτρων σε σχέση με την αντίστοιχη διάταξη με νανονήματα σε όλη την επιφάνεια του εκπομπού, με τελική φωτοβολταϊκή απόδοση 13.5%.