Pengukuran Tegangan Sirkuit Terbuka Lokal di Sambungan Radial Nanowire Silikon dengan Mikroskopi Forza Kelvin

Abstrak

Studi ini mendemonstrasikan bagaimana Mikroskopi Forza Kelvin (KPFM) dapat secara akurat mengekstrak tegangan sirkuit terbuka (V_OC) dari perangkat nanowire silikon (SiNW) sambungan radial (RJ) melalui pemetaan fotovoltase permukaan (SPV). Eksperimen awal pada sel surya SiNW RJ yang telah difabrikasi sepenuhnya menunjukkan bahwa nilai SPV berbeda kurang dari 5 % dari pengukuran V_OC konvensional. Pengukuran berikutnya pada SiNW RJ individu, bebas ITO, mengungkapkan bahwa bayangan ujung dapat sangat mempengaruhi pembacaan SPV. Dengan mengoptimalkan geometri ujung dan arah pencahayaan, kami mencapai kurva SPV yang berskala logaritmik dengan daya cahaya dan mempertahankan hubungan linier dengan V_OC perangkat. Hasil ini mengonfirmasi bahwa pem probing SPV kontakles pada skala nanoskalamaklukkan untuk penilaian performa fotovoltaik peralatan tunggal.

Pendahuluan

Struktur nanometri semiconductor, terutama array nanowire dengan sambungan radial, menjanjikan peningkatan signifikan dalam tangkapan cahaya dan pengumpulan pembawa, yang potensialmente melebihi arsitektur datar [1, 2]. Nanowire silikon RJ telah mencapai efisiensi yang mendekati 9,6 % saat difabrikasi pada platform tipis [3]. Namun, evaluasi perilaku foto-listrik dari nanowire individu masih menjadi tantangan krusial untuk optimasi perangkat.

Kami menggunakan KPFM untuk menyelidiki V_OC lokal pada SiNW RJ. Sementara V_OC yang dihasilkan KPFM telah divalidasi pada fotovoltaik datar [3, 4], aplikasinya pada perangkat berstruktur nano tidak mudah karena memerlukan pengukuran gelap dan terang terpisah untuk menangkap fotovoltase permukaan (SPV).

Strategi pertama kami meneliti sel SiNW RJ yang sudah selesai yang menyertakan kontak depan ITO. Kami membandingkan data arus-tegangan (I-V) konvensional dengan SPV yang dihasilkan KPFM di berbagai daya pencahayaan. Strategi kedua berfokus pada SiNW RJ terisolasi (tanpa ITO) untuk mempelajari bagaimana geometri ujung dan sudut pencahayaan mempengaruhi ekstraksi SPV. Akhirnya, pengukuran Kelvin probe makroskopis memberikan data spektral SPV (SPS) pada peralatan terisolasi dan yang telah difabrikasi.

Bahan dan Metode

Pertumbuhan SiNW dan Pembuatan Perangkat Sambungan P-I-N Radial

SiNW RJ ditumbuhi pada kaca Corning yang dilapisi ZnO:Al (Cg) menggunakan depoesi fasa uap ditingkatkan plasma (PECVD) pada 500 °C dengan katalis partikel Sn. Lapisan intrinsik (80 nm) diikuti oleh lapisan n-tipe (10 nm) silikon amorfik dihidrogenasi (a-Si:H) ditetapkan pada 175 °C pada inti SiNW tipe p. Perangkat yang selesai difinisikan dengan kontak atas ITO berdiameter 4 mm yang ditetapkan dengan sputtering di bawah masker. Detail pembuatan lengkap muncul di tempat lain [1, 5–7].

Kelvin-Probe dan Fotovoltase Permukaan

Kami menggunakan KPFM amplitudo-modulasi (AM) karena stabilitasnya yang superior dibandingkan frekuensi-modulasi (FM) saat memindai nanowire yang kaya topografi. Pengukuran dilakukan pada platform HORIBA/AIST-NT TRIOS yang menampilkan sistem defleksi lentur radiasi laser 1310 nm (LBBDS) untuk meminimalkan artefak foto-eksitasi [8–10]. Sistem menawarkan tiga objektif untuk pencahayaan atas, samping, dan bawah.

SPV diperoleh dengan mengurangi CPD gelap dari CPD terang, teknik yang terbukti untuk ekstraksi V_OC [5, 11]. Pencahayaan disediakan oleh laser dioda OXXIUS 488 nm dengan daya variabel.

Dua ujung AFM konduktif digunakan: ARROW-EFM (ujung standar) dan ATEC-EFM (ujung miring). Keduanya memiliki lever silikon yang didoping dilapisi PtIr.

Pengukuran Kelvin probe makroskopis dengan ujung baja 2 mm dan monokromator lampu halogen (400–1000 nm) melengkapi data nanoskalamaklukkan, memungkinkan spektroskopi fotovoltase permukaan kualitatif (SPS).

Pengukuran I-V Makroskopis Gabungan dengan KPFM

Untuk perangkat yang selesai, KEITHLEY 2450 SourceMeter dan jarum tungsten yang diposisikan melalui mikro-posisiometer digunakan untuk karakterisasi I-V dalam pengaturan AFM yang sama. Gelap dan terang (488 nm, 70–1000 µW) jejak I-V dicatat.

Pemetaan KPFM pada SiNW RJ terisolasi dilakukan dengan ujung ARROW dan ATEC di bawah pencahayaan atas dan samping pada tingkat daya yang sama.

Hasil dan Pembahasan

Kami pertama kali mengevaluasi pengaruh panjang gelombang LBBDS AFM. Kurva I-V makroskopis yang diambil dengan TRIOS (1310 nm) dan AFM eksternal (690 nm) menunjukkan perbedaan yang bisa diabaikan dalam gelap, dengan perpindahan 0,5 mV dalam V_OC dan 1 nA dalam I_SC ketika sinar 1310 nm aktif. Sebaliknya, sinar 690 nm menginduksi respons fotovoltaik yang jelas (545 mV V_OC, 28 µA I_SC), menekankan pentingnya LBBDS inframerah dekat untuk pengukuran gelap.

Gambar 3 mengilustrasikan karakteristik I-V di bawah pencahayaan 70, 150, 270, dan 560 µW, menunjukkan peningkatan yang diharapkan dari I_SC dan V_OC dengan intensitas cahaya. Peta KPFM yang menyertai menampilkan topografi, CPD gelap, dan CPD terang (488 nm, 270 µW). Variasi CPD (~±10 mV) di tepi nanowire disebabkan oleh artefak yang diinduksi topografi; nilai yang diekstraksi dari atas nanowire digunakan untuk analisis selanjutnya.

Gambar 4 membandingkan V_OC dari I-V dan SPV dari KPFM terhadap daya pencahayaan untuk dua perangkat. Deviaksi maksimal <5 % pada 70 µW dan <2 % pada daya lebih tinggi. Kedua kurva mengikuti tren logaritmik (500–600 mV) dengan faktor idealitas 1,5 ± 0,1 (perangkat 1) dan 1,75 ± 0,25 (perangkat 2), sesuai dengan literatur untuk sambungan P-I-N a-Si:H [12–14].

Pengukuran SPV pada SiNW RJ terisolasi menyoroti efek bayangan. Penggunaan ujung ARROW dengan pencahayaan atas menghasilkan nilai SPV rendah (Gambar 5a, persegi) dan kemiringan ~0,4. Beralih ke ujung miring ATEC meningkatkan SPV sebesar 40 % (Gambar 5b, segitiga). Beralih pencahayaan dari atas ke samping dengan ujung ARROW (Gambar 5c, titik biru) lebih meningkatkan SPV, namun nilai tetap di bawah perangkat yang selesai. Bayangan tidak ada dalam sel yang selesai karena lapisan ITO menyamarkan fotovoltase atas banyak nanowire.

SPS kualitatif pada perangkat terisolasi yang terikat (Gambar 6a) mengungkapkan SPV signifikan (80–260 mV) dalam inframerah dekat (800–1000 nm), berkontras dengan SPV yang nyaris nol dari perangkat yang selesai di bawah 800 nm. Sebaliknya, perangkat yang selesai menunjukkan kenaikan tajam SPV pada 630 nm, mencapai 560 mV, tetapi turun di bawah 10 mV dalam NIR. Menghapus lapisan ITO dari perangkat yang selesai secara drastis mengurangi SPV (400–750 nm) segera setelah etsa, tetapi sinyal pulih setelah 72 jam, mendekati tingkat SiNW terisolasi. Temuan ini mengonfirmasi bahwa antarmuka ITO/a-Si:H sangat penting untuk fotovoltase tinggi; kehadirannya pada SiNW terisolasi membatasi pembentukan pita dan besarnya SPV.

Secara keseluruhan, pemetaan SPV lokal dengan KPFM memberikan proxy yang andal untuk V_OC dalam perangkat SiNW RJ yang telah difabrikasi sepenuhnya, sedangkan SiNW terisolasi menunjukkan SPV yang berkurang karena bayangan ujung dan kurangnya kontak ITO. Meskipun demikian, korelasi linier antara SPV lokal dan V_OC perangkat memvalidasi pem probing SPV kontakles pada skala nanoskalamaklukkan sebagai alat yang kuat untuk menilai performa fotovoltaik sambungan SiNW individu.

Kesimpulan

Studi I-V dan KPFM simultan pada sel SiNW RJ yang selesai mengonfirmasi bahwa SPV yang diekstrak melalui KPFM secara dekat cocok dengan V_OC dari pengukuran konvensional. Sebaliknya, SiNW RJ terisolasi menunjukkan SPV yang berkurang karena bayangan ujung; pengoptimalan bentuk ujung dan arah pencahayaan mengurangi efek ini tetapi tidak sepenuhnya memulihkan V_OC dari perangkat yang selesai. Eksperimen SPS menunjukkan bahwa antarmuka ITO/a-Si:H esensial untuk fotovoltase tinggi; kehadirannya pada SiNW terisolasi membatasi pembentukan pita dan besarnya SPV. Meskipun demikian, korelasi linier antara SPV lokal dan V_OC perangkat memvalidasi pem probing SPV kontakles pada skala nanoskalamaklukkan sebagai alat yang kuat untuk menilai performa fotovoltaik sambungan SiNW individu.

Ketersediaan Data dan Material

Data yang digunakan dan/atau dianalisis selama studi ini tersedia dari penulis yang sesuai atas permintaan yang wajar.

Singkatan

AFM

Mikroskopi forza atom

AM

Modulasi amplitudo

a-Si:H

Silikon amorfik dihidrogenasi

Cg

Kaca Corning

CPD

Selisih potensi kontak

FM

Modulasi frekuensi

ITO

Oksida indium-timah

I-V

Arus-tegangan

KPFM

Mikroskopi forza Kelvin probe

LBBDS

Sistem defleksi berbasis radiasi laser

n

Faktor idealitas

NW

Nanowire

PECVD

Deposi fasa uap ditingkatkan plasma

PV

Fotovoltaik

RJ

Sambungan radial

SiNW

Nanowire silikon

SPS

Spektroskopi fotovoltase permukaan

SPV

Fotovoltase permukaan

V_OC

Tegangan sirkuit terbuka