Pengukuran VOC Lokal oleh Kelvin Probe Force Microscopy Diterapkan pada P-I-N Radial Junction Si Nanowires

Hasil dan diskusi

Sebelum memulai pengukuran IV dan KPFM, dampak dari LBBDS AFM diselidiki. Memang, telah ditunjukkan bahwa panjang gelombang LBBDS dapat memiliki interaksi yang signifikan dengan sampel fotovoltaik [8,9,10] dan dengan demikian dapat mempengaruhi pengukuran sifat listrik dengan AFM. Gambar 2 mengilustrasikan pengukuran I‑V makroskopik dari selesai Perangkat SiNW RJ dilakukan dalam kondisi gelap (LBBDS dimatikan) dan saat LBBDS tetap menyala. Seperti disebutkan sebelumnya, pengukuran juga dilakukan dalam pengaturan AFM yang berbeda menggunakan panjang gelombang 690 nm, bukan 1310 nm untuk LBBDS. Kurva IV yang diperoleh dalam kondisi gelap dan dengan LBBDS pada 1310 nm hampir identik. Hanya saat memperbesar di sekitar titik asal, seseorang dapat mengamati pergeseran yang sangat kecil untuk pengukuran yang dilakukan dengan LBBDS tetap menyala, yang dapat dinyatakan dengan nilai yang sangat kecil dalam bentuk V_OC (0,5 mV) dan arus hubung singkat, I_SC, (1 nA). Sebagai perbandingan, kurva IV yang diukur dengan sistem menggunakan panjang gelombang 690 nm untuk LBBDS menunjukkan efek fotovoltaik yang signifikan, dengan nilai V_OC dan saya_SC dari 545 mV dan 28 A, masing-masing. Ini dengan jelas membuktikan efek mengganggu dari LBBDS dengan panjang gelombang laser dalam kisaran yang terlihat. Hasil ini menunjukkan kesulitan untuk melakukan pengukuran KPFM dalam kondisi gelap yang nyata ketika khususnya panjang gelombang LBBDS dapat berinteraksi dengan sampel. Hasil ilustrasi berikutnya semuanya dilakukan dengan LBBDS AFM yang beroperasi pada 1310 nm yang dijelaskan dalam subbagian Kelvin-Probe.

Kurva IV diperoleh pada perangkat SiNW RJ dalam kondisi gelap (lingkaran hitam), dengan sinar laser 1310 nm dari TRIOS AFM (garis biru solid) dan dengan sinar laser 690 nm dari Enviroscope AFM (garis putus-putus merah). Grafik utama menggambarkan kurva log |I|-V dalam rentang 1 V dan + 1 V, dan grafik sisipan menunjukkan pembesaran kurva I-V linier antara 5 mV dan + 5 mV

Contoh pengukuran fotovoltaik dalam perangkat SiNW RJ lengkap ditampilkan pada Gambar. 3. Secara khusus pengukuran IV makroskopik di bawah iluminasi daya yang berbeda (70, 150, 270 dan 560 W) disajikan pada Gambar. 3.a. Kurva IV menunjukkan perilaku operasi sel PV yang khas di mana I_SC dan V_OC meningkat dengan kekuatan cahaya insiden. Gambar 3.b menunjukkan contoh pemetaan KPFM yang mewakili, dari kiri ke kanan, topografi, CPD di bawah gelap dan CPD di bawah iluminasi 488 nm. Pemindaian topografi mengungkapkan NWs dengan ketinggian beberapa ratus nanometer dan menunjukkan kepadatan per satuan luas sekitar 10 ⁹ cm ^-2 . Pemindaian CPD menampilkan variasi potensial lokal sekitar ±10 mV yang terjadi terutama di tepi NW. Variasi ini dapat dianggap sebagai artefak karena perubahan cepat dalam topografi yang dilalui ujung AFM selama gerakan pemindaian dan khususnya ketika melewati antara dua NW. Tempat-tempat yang dikecualikan dari artefak tersebut adalah bagian atas NWs di mana perubahan ketinggian topografi tetap dapat diabaikan. Semua nilai CPD yang disajikan berikut ini diekstraksi di bagian atas NW.

a Kurva I-V makroskopik diukur di bawah iluminasi daya yang berbeda (66, 5, 149, 268, dan 555 μW pada 488 nm); b dari kiri ke kanan:topografi, CPD dalam kondisi gelap, dan CPD dalam pencahayaan (270 μW pada 488 nm), masing-masing

Gambar 4 membandingkan V_OC dan nilai SPV yang diekstraksi dari pengukuran I-V makroskopik dan KPFM sebagai fungsi dari daya iluminasi insiden. Perbandingan ini dilakukan untuk dua perangkat lengkap yang berbeda dan diilustrasikan dalam skala semi-log. Perbedaan maksimum antara kurva Voc dan SPV adalah kurang dari 5% untuk daya iluminasi terendah (~70 μW) dan menjadi kurang dari 2% untuk daya iluminasi yang lebih tinggi. Penting untuk dicatat bahwa bilah kesalahan yang terkait dengan evaluasi eksperimental daya cahaya yang menimpa meningkat ketika daya penerangan menurun yang dapat menjelaskan perbedaan 5% antara V_OC dan SPV yang disebutkan sebelumnya. Untuk kedua grafik SPV dan V_OC nilai mengikuti perilaku logaritmik dengan nilai dalam kisaran 500-600 mV. Kemiringan Voc dan SPV memberikan faktor idealitas (n) masing-masing sebesar 1,5 ± 0,1 untuk perangkat 1 dan 1,75± 0,25 untuk perangkat 2. Nilai-nilai ini sesuai dengan nilai yang dilaporkan dalam literatur untuk a-Si:H P-I-N junction yang berada di kisaran 1,5-2 [12,13,14]. Pada Gambar. 5 kami mengilustrasikan pengukuran SPV versus daya cahaya yang dilakukan pada perangkat SINW RJ yang terisolasi. Istilah terisolasi di sini mengacu pada fakta bahwa kawat nano RJ tidak ditutupi dengan ITO, sehingga tidak terhubung secara elektrik melalui lapisan konduktif atas. Sebagai panduan referensi, kurva SPV yang diperoleh sebelumnya untuk perangkat RJ lengkap pada Gambar 4.a juga ditunjukkan pada Gambar. 5. Nilai SPV yang dilaporkan sesuai dengan nilai rata-rata yang dihasilkan dari beberapa NW untuk ukuran pemindaian 3x3 m². Pengukuran SPV pada perangkat terisolasi pertama kali dilakukan dengan ujung AFM berbentuk panah (ARROW-EFM) dan iluminasi datang dari atas seperti pengukuran SPV dilakukan pada perangkat lengkap. Nilai SPV yang sangat rendah untuk kurva ini (Gbr. 5.a, kotak) serta kemiringannya di bawah 1 (~0,4) menunjukkan efek bayangan karena ujung AFM. Memang menjaga iluminasi atas yang sama dan mengubah ujung AFM dengan probe miring (ATEC-EFM) memungkinkan kami untuk mengamati peningkatan 40% dari nilai SPV untuk rentang iluminasi daya yang sama (Gambar 5.b, segitiga). Hasil serupa diperoleh saat mengubah iluminasi dari atas ke samping dan mengganti ujung AFM ATEC dengan ujung AFM awal ARROW (Gbr. 5.c, titik biru). Meskipun nilai SPV telah meningkat secara signifikan dibandingkan dengan pengukuran dengan iluminasi atas dan ujung ARROW-EFM, nilai tersebut tetap di bawah referensi sambil mempertahankan kemiringan yang sama (~1,3-1,4). Perhatikan bahwa efek bayangan ini tidak dapat diamati dalam kasus perangkat yang lengkap karena untuk konfigurasi ini, SPV menggambarkan fotovoltase seluruh perangkat:ribuan kawat nano yang dihubungkan bersama oleh kontak depan ITO.

V _OC dan SPV versus daya ringan untuk dua perangkat berbeda:dev 1 (a ) dan dev 2 (b )

SPV versus daya ringan yang diperoleh pada RJ NW yang terisolasi. Pengukuran dilakukan dengan bentuk ujung AFM yang berbeda (ARROW-EFM dan ATEC-EFM) dan arah iluminasi yang berbeda (atas dan samping). Perangkat RJ referensi menunjuk perangkat 1 yang diilustrasikan pada Gambar. 4a. Gambar AFM di kanan bawah menunjukkan contoh topografi yang diukur pada NW yang terisolasi

Untuk melengkapi hasil tersebut, analisis SPS kualitatif dilakukan di atas sekelompok perangkat yang terisolasi dan kemudian di atas perangkat yang lengkap. Gambar 6.a menampilkan spektrum SPV yang diperoleh dengan perbedaan yang jelas di seluruh spektrum. Sangat menarik untuk digarisbawahi bahwa perangkat yang lengkap menunjukkan SPV yang dapat diabaikan (~10 mV) di wilayah inframerah dekat (NIR) dengan ambang batas SPV yang terjadi sekitar 800 nm dan di bawahnya SPV meningkat dengan cepat mencapai maksimum 560 mV pada 630 nm. Sebaliknya, sekelompok perangkat yang terisolasi mengungkapkan SPV signifikan sebesar 80-260 mV dalam NIR (800-1000 nm) yang meningkat secara bertahap dengan penurunan panjang gelombang, hingga 435 mV untuk 665 nm. Di bawah 665 nm dan 630 nm kedua kurva SPV menurun dengan penurunan panjang gelombang yang mungkin terkait dengan penurunan yang diharapkan dari penyinaran lampu halogen yang digunakan dalam pengaturan ini (seperti yang disebutkan di atas, pendekatan SPS di sini didasarkan pada pengukuran kualitatif karena fluks tidak dapat dijaga konstan). Dalam pendekatan kedua, pengukuran SPS dilakukan pada perangkat yang lengkap dan setelah melepas kontak atas ITO secara lokal dengan larutan HF 1% yang diterapkan sebagai tetesan pada perangkat. Gambar 6.b mengilustrasikan pengukuran ini, dan spektrum SPV secara khusus dikumpulkan setelah ITO dihilangkan dan 72 jam kemudian. Penghapusan lapisan ITO memiliki efek besar pada spektrum SPV jika dibandingkan dengan perangkat yang telah selesai. Penurunan yang kuat dari sinyal SPV diamati dalam kisaran 400-750 nm setelah penghapusan ITO. Setelah 72 jam sinyal SPV stabil pada tingkat yang lebih tinggi yang dapat berbeda, tergantung pada panjang gelombang, lebih dari faktor 2. Ternyata sinyal SPV sedikit meningkat pada panjang gelombang yang lebih panjang (>750 nm). Membandingkan spektrum SPV pada Gambar 6, tampak bahwa setelah penghilangan ITO yang diilustrasikan pada Gambar 6.b dan terutama setelah stabilisasi 72 jam, perangkat NW menunjukkan keadaan yang serupa daripada yang ditetapkan sebagai kumpulan NW yang terisolasi pada Gambar 6.a, yang terakhir tidak pernah memiliki lapisan ITO. Pengamatan penting lainnya menyangkut sinyal SPV yang diukur pada 488 nm yang nilainya merupakan faktor ~1,7 lebih rendah untuk sekelompok NW yang terisolasi daripada untuk perangkat yang lengkap. Pengamatan ini mendukung hasil SPV dari Gambar 5 yang dilakukan oleh KPFM pada RJ NW terisolasi dengan iluminasi pada 488 nm. Memang, terlepas dari pengoptimalan bentuk ujung AFM dan kondisi pencahayaan, nilai SPV yang diukur juga lebih rendah daripada perangkat lengkap dengan faktor yang bervariasi antara 1,5 dan 2, bergantung pada daya iluminasi.

Pengukuran SPS dilakukan pada a perangkat yang lengkap dan sekelompok SiNW yang terisolasi; b perangkat yang telah selesai, tepat setelah menghapus ITO, dan 72 jam kemudian

Hasil Gambar 6 dengan jelas menunjukkan bahwa kontak atas ITO diperlukan untuk mengembangkan nilai SPV yang lebih tinggi (yaitu V_OC ) dan lebih khusus lagi, titik kuncinya tetap antarmuka (n) a‑Si:H/ITO. Antarmuka ini dicirikan oleh lapisan a-Si:H tipe-n yang sangat tipis (~ 10 nm) untuk mendukung transmisi optik. Tingkat doping lapisan ini dan fungsi kerja ITO secara khusus dapat menyebabkan penipisan penuh lapisan a-Si:H. Dengan demikian, penurunan potensial yang tiba-tiba dapat terjadi di seluruh antarmuka sebelum mencapai potensi pita datar di ITO. Penurunan potensial seperti itu pada antarmuka dengan kontak atas ITO telah diilustrasikan dalam struktur P‑I‑N a-Si:H yang dianalisis dengan profil SPV [12, 15]. Antarmuka yang sama dengan lapisan a‑Si:H ultra tipis juga diselidiki dalam teknologi sel surya heterojungsi a‑Si:H/kristal Si yang menekankan lagi dampak tingkat doping dan ketebalan lapisan a-Si:H pada V _OC dengan dan tanpa ITO [16, 17].

Pertimbangan sebelumnya menunjukkan bahwa analisis SPV lokal oleh KPFM pada RJ NW terisolasi tidak dapat secara kuantitatif mencerminkan nilai optimal V_OC karena tidak adanya ITO. V_OC lokal yang diekstraksi di sini dibatasi oleh pembengkokan pita permukaan sebagai akibat dari penipisan penuh lapisan a-Si:H tipe-n dan keadaan permukaan oksidasinya. SPV yang diukur tidak hanya mencakup V_OC tetapi juga perubahan band-bending yang diinduksi foto di dekat permukaan lapisan a-Si:H tipe-n [18].