Efek Pasca-annealing pada Sifat Optik dan Elektronik Film Tipis MoOX Evaporasi Termal sebagai Kontak Selektif Lubang untuk Sel Surya p-Si

Hasil dan diskusi

Gambar 1a mewakili foto-foto MoO setebal 10 nm_X film pada kaca silika yang dianil di udara selama 5 menit pada suhu yang berbeda (100 °C, 200 °C, dan 300 °C). Semua sampel secara visual tidak berwarna dan transparan. Dari spektrum transmitansi optik yang sesuai pada Gambar. 1b, dapat dilihat bahwa spektrum transmitansi dari 100 °C-annealed MoO_X film hampir tumpang tindih dengan film yang tidak dianil. Temperatur anil yang lebih tinggi menghasilkan transmitansi yang lebih rendah pada kisaran 600-1100 nm, yang dapat ditetapkan untuk penyerapan pembawa bebas yang disebabkan oleh kekosongan oksigen [46]. MoO lebih tebal_X film (20 nm) diendapkan ke wafer Si yang dipoles untuk mengukur indeks bias n dan koefisien kepunahan k lebih akurat. Indeks bias pada Gambar 1c terletak pada kisaran 1,8-2,5, yang konsisten dengan penelitian lain [31, 32]. n kurva serta k kurva (Gbr. 1d) memiliki sedikit perbedaan di antara keempat sampel. n pada 633 nm dari film setebal 20 nm sedikit berkurang, yang dirangkum dalam Tabel 2.

a Foto dan b spektrum transmisi MoO setebal 10 nm_X film pada kaca silika yang dianil di udara selama 5 menit pada suhu yang berbeda. c Indeks bias n dan d koefisien kepunahan k kurva MoO setebal 20 nm_X film pada wafer silikon yang dipoles

Morfologi permukaan kemudian dikarakterisasi dengan AFM seperti yang ditunjukkan pada file tambahan 1:Gambar S1. Kekasaran root-mean-square (RMS) yang sesuai tercantum pada Tabel 2. MoO setebal 10 nm_X sebagai deposit film tipis (File tambahan 1:Gambar S1a) memiliki kekasaran RMS 4,116 nm, yang sesuai dengan morfologi permukaan seperti gelombang. Saat suhu annealing semakin tinggi (File tambahan 1:Gambar S1b–d), undulasi permukaan MoO_X film menjadi lebih besar, sedangkan struktur fitur menjadi lebih kecil dan lebih padat mungkin karena proses dewetting [47]. Setelah anil pada 300 °C, kekasaran RMS mencapai 12,913 nm. Film setebal 20 nm kurang kasar dengan RMS sekitar 1 nm (Tabel 2). Proses dewetting juga ditekan seperti yang ditunjukkan oleh pengukuran RMS sebagai fungsi dari perawatan anil. Evolusi morfologi di atas tidak sepenuhnya mencerminkan perubahan film oksida di tingkat perangkat, di mana MoO_X film diendapkan pada Si dan ditutup dengan elektroda Ag, tetapi evolusi morfologi dapat memberi kita sifat intrinsik MoO_X pada SiO₂ permukaan.

MoO_X memiliki kecenderungan alami untuk membentuk cacat kekosongan oksigen [48], yang dapat berdampak pada struktur molekul. Untuk mengidentifikasi variasi struktur molekul terkait kekosongan tersebut, pengukuran spektroskopi Raman dilakukan pada MoO_X (20 nm)/Si(< 100 >). Tidak ada puncak karakteristik MoO_X dalam spektrum Raman di bawah eksitasi lampu hijau (532 nm) (File tambahan 1:Gambar S2), yang tidak bergantung pada perlakuan termal. Ketika eksitasi diubah menjadi sinar ultraviolet 325 nm, pita karakteristik MoO_X muncul, yang umumnya terletak pada 600–1000 cm ⁻¹ (Gbr. 2). Puncak tajam 515 cm ⁻¹ di semua sampel sesuai dengan ikatan Si-Si. Untuk MoO intrinsik dan 100 °C-anil_X film, pita Raman hadir di 695, 850, dan 965 cm ⁻¹ , yang berasal dari [Mo₇ O₂₄ ] ⁶⁻ , [Mo₈ O₂₆ ] ⁴⁻ anion, dan (O =)₂ Mo(–O–Si)₂ spesies diokso, masing-masing [49]. Saat film dianil pada 200 °C, 965 cm ⁻¹ pita bergeser ke 970 cm ⁻¹ , yang ditetapkan untuk Mo(=  ¹⁶ O)₂ spesies diokso [50]. Spektrum Raman dari 300 °C-anil MoO_X film menunjukkan pita pada 695, 810, dan 980 cm ⁻¹ . Pita pada 810 cm ⁻¹ berasal dari ikatan Si–O–Si, sedangkan (O =)₂ Mo(–O–Si)₂ menyumbang band pada 980 cm ⁻¹ . Hasil penelitian menunjukkan bahwa anil pada temperatur yang berbeda akan mempengaruhi komposisi kimia MoO_X film, yang dapat menunjukkan perbedaan konsentrasi kekosongan oksigen setiap sampel.

Spektrum UV Raman (325 nm) dari MoO setebal 20 nm pasca-anil_X film pada wafer silikon yang dipoles

XPS dilakukan pada MoO_X film (10 nm) untuk mengukur kandungan relatif dari setiap keadaan oksidasi dan rasio atom oksigen terhadap molibdenum (O/Mo). Setelah pengurangan latar belakang Shirley dan pemasangan dengan kurva Gaussian–Lorentzian, dekonvolusi multi-puncak spektrum XPS dilakukan. Tingkat inti Mo 3d didekomposisi menjadi dua puncak ganda dengan pemisahan spin–orbit ganda Δ _JADI 3,1 eV dan rasio area puncak 3:2 [11]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, puncak Mo ⁶⁺ 3d_5/2 tingkat inti berpusat pada energi ikat  ~ 233.3 eV. Untuk semua sampel, doublet kedua pada ~ 232,0 eV, yang dilambangkan sebagai Mo ⁵⁺ , diperlukan untuk mendapatkan kecocokan yang baik dengan data eksperimen [8]. Rasio O/Mo dihitung dengan rumus berikut [51]:

dimana Aku (Mo ^{n +} ) adalah intensitas komponen individu dari spektrum Mo 3d. n berhubungan dengan keadaan valensi ion Mo, yaitu 5 untuk Mo ⁵⁺ dan 6 untuk Mo ⁶⁺ . Faktor 1/2 adalah karena setiap atom oksigen digunakan bersama oleh dua atom molibdenum.

Rasio O/Mo dari semua sampel seperti yang tercantum dalam Tabel 3 di bawah 3. Kehilangan oksigen dan transisi keadaan oksidasi telah dilaporkan selama deposisi oksida logam transisi [1]. Karena pengukuran XPS adalah ex-situ, paparan udara ke MoO yang diuapkan secara termal₃ film pada suhu kamar juga bisa meningkatkan kekosongan oksigen [18, 52]. Rasio O/Mo dari MoO yang tidak dianil_X film adalah 2,958, sedangkan post-annealing pada 100 °C meningkatkan nilainya menjadi 2,964. Temperatur annealing yang lebih tinggi kemudian mengurangi rasio O/Mo secara bertahap. Rasio O/Mo tertinggi dari sampel anil 100 °C dapat dijelaskan oleh oksigen yang diaktifkan secara termal yang disuntikkan dari udara ke MoO_X film [38]. File tambahan 1:Gambar S3 membandingkan spektrum Si 2p XPS dari MoO anil setebal 10 nm_X film. Spektrum Si 2p XPS dari sampel yang tidak dianil menunjukkan puncak ganda elemen silikon dan Si ⁴⁺ puncak. A Si ²⁺ puncak muncul saat anil pada 100 °C. Saat dianil pada 200 dan 300 °C, puncak Si ⁴⁺ , Si ³⁺ dan Si ²⁺ ada secara bersamaan. Selain itu, X yang dihitung dalam SiO_X untuk keempat sampel tersebut berturut-turut adalah 2, 1,715, 1,672 dan 1,815. Atom oksigen dalam SiO_X berasal dari MoO_X; oleh karena itu, rasio O/Mo tergantung pada keseimbangan antara SiOx yang mengambil oksigen dan udara yang menyuntikkan oksigen. Omong-omong, saat suhu annealing semakin tinggi, sinyal elemen Si menjadi lebih lemah, menunjukkan SiO_X yang lebih tebal. interlayer [26].

Spektrum XPS tingkat inti 3d Mo dari MoO setebal 10 nm_X film pada wafer silikon a tanpa pasca-anil, dengan pasca-anil di b 100 °C, c 200 °C dan h 300 °C

Penurunan bilangan oksidasi kation suatu oksida cenderung menurunkan fungsi kerjanya [1]. UPS digunakan untuk menghitung fungsi kerja MoO_X film sebagai fungsi dari perlakuan termal. Gambar 4a menunjukkan daerah pemutus elektron sekunder dari spektrum UPS, yang darinya dapat dilihat getaran kecil dari fungsi kerja. Dari Gambar 4b kita dapat melihat, setelah post air annealing, puncak cacat di daerah pita valensi [37] menjadi lebih lemah. Tabel 3 mencantumkan rasio O/Mo yang dievaluasi dari pemasangan XPS dan fungsi kerja terkait yang dievaluasi dari pemutusan elektron sekunder UPS untuk sampel pada wafer silikon yang dipoles. Hasil fungsi kerja dan stoikiometri MoO_X juga digambarkan pada Gambar. 4c, di mana korelasi positif yang kuat diungkapkan. Peningkatan rasio O/Mo dari 2,942 menjadi 2,964 menyebabkan peningkatan fungsi kerja sekitar 0,06 eV.

a Daerah pemutus elektron sekunder dan b pita valensi dari spektrum UPS dari MoO pasca-anil_X film pada wafer silikon. c Fungsi kerja diplot terhadap stoikiometri (rasio O/Mo)

Sebelum menerapkan MoO_X film sebagai kontak pasif di p -Si wafer, simulasi pita energi satu dimensi dilakukan menggunakan AFORS-HET [44] untuk mendapatkan gambaran yang jelas dari p -Si/MoO_X heterokontak. Ketebalan p -Si dan MoO_X film ditetapkan sebagai 1 μm dan 10 nm, masing-masing. Konsentrasi akseptor p -Si adalah 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ , menghasilkan fungsi kerja 4,97 eV. Sejak MoO_X adalah n -jenis material [53], variasi konsentrasi kekosongan oksigen disimulasikan dengan mengubah konsentrasi donor pada kisaran 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ hingga 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ . Gambar 5a menunjukkan bahwa fungsi kerja dan konsentrasi donor MoO_X berkorelasi secara eksponensial. Gambar 5c, d menggambarkan struktur pita simulasi sebagai konsentrasi donor (N _D ) dari MoO_X adalah 1 × 10 ¹⁶ dan 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ , masing-masing. Kedua band p -Si dan MoO_X dibengkokkan karena perbedaan fungsi kerja dan kesetimbangan energi Fermi. Ekstraksi pembawa yang efisien membutuhkan lubang yang difotogenerasi di pita valensi p -Si bergabung kembali dengan elektron yang disajikan dalam MoO_X pita konduksi yang disuntikkan dari elektroda logam yang berdekatan [7, 54]. Band membungkuk di p -Si, MoO_X dan pembengkokan pita total ditunjukkan pada Gambar 5b. Sebagai fungsi kerja MoO_X (WF _MO ) berubah, tidak ada perubahan yang jelas pada fitur pita p -Si. Sebaliknya, band membungkuk di MoO_X , yang mewakili medan listrik built-in yang menguntungkan untuk injeksi elektron, meningkat seiring dengan peningkatan fungsi kerjanya. Dapat disimpulkan bahwa peningkatan MoO_X fungsi kerja akan menaikkan total band bending p -Si/MoO_X kontak, yang sebagian besar terletak di MoO_X bagian. Oleh karena itu, fungsi kerja MoO_X high yang tinggi diinginkan dari aspek injeksi elektron di p -Si/MoO_X antarmuka.

Hasil simulasi pita energi dari p -Si/MoO_X kontak. a Hubungan antara fungsi kerja dan N _D dari MoO_X (T _D-MO ). b p -Si, MoO_X dan total band lentur untuk p -Si/MoO_X kontak. Konsentrasi akseptor p -Si adalah 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ . Diagram pita simulasi p -Si/MoO_X hubungi sebagai N _D-MO adalah c 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ dan d 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ , masing-masing

Gambar 6 menggambarkan kegelapan I–V karakteristik p -Si/MoO_X kontak menggunakan metode Cox dan Strack (lihat File tambahan 1:Gambar S4 untuk ilustrasi skema) [42]. Kemiringan I–V kurva meningkat dengan meningkatnya diameter elektroda titik. I-V kurva sampel yang tidak dianil dan 100 °C yang dianil adalah linier, dengan resistivitas kontak spesifik (ρ _c ) dipasang sebagai 0,32 dan 0,24 cm ² , masing-masing. Meskipun anil pada 100 °C akan membuat SiO_X lapisan di p -Si/MoO_X antarmuka lebih tebal, WF _MO lebih tinggi dari MoO yang tidak dianil_X film, sehingga sampel yang sesuai menunjukkan karakteristik transportasi lubang terbaik. I-V kurva sampel yang dianil pada 200 dan 300 °C menjadi nonlinier pada diameter titik kecil dan tidak dapat dianggap sebagai kontak Ohmik. Dibandingkan dengan sampel yang dianil pada 100 °C, sampel yang dianil pada suhu anil yang lebih tinggi memiliki arus yang lebih rendah. Sebagai penurunan kecil dari fungsi kerja, alasan utamanya adalah suhu annealing yang lebih tinggi menyebabkan SiO_X lebih kental. lapisan di p -Si/MoO_X antarmuka, sehingga lebih sulit bagi operator untuk terowongan melalui penghalang oksida.

Pengukuran resistansi kontak dari MoO setebal 10 nm_X film pada wafer silikon yang dipoles a tanpa pasca-anil, dengan pasca-anil di b 100 °C, c 200 °C dan h 300 °C

Kualitas pasif dari MoO_X (10 nm)/p -Si heterojungsi sebagai fungsi perlakuan termal dicirikan dalam hal masa pakai pembawa minoritas yang efektif (τ _eff ). τ . yang bergantung pada tingkat injeksi _eff s ditunjukkan dalam file tambahan 1:Gambar S5, di mana τ _eff s pada tingkat injeksi 1 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ tercantum dalam Tabel 3. MoO yang tidak dianil_X film menunjukkan kemampuan pasivasi terbaik. Suhu perlakuan yang lebih tinggi menyebabkan τ . yang lebih rendah _eff , yang merupakan hasil gabungan dari pasivasi kimia antarmuka SiO_X dan pasivasi efek medan MoO_X , sebagai X yang lebih besar dalam SiO_X berarti ikatan silikon yang lebih sedikit dan X yang lebih besar dalam MoO_X berarti intensitas medan listrik internal yang lebih besar.

MoO_X film kemudian diadopsi ke dalam p -Si/MoO_X (10 nm)/konfigurasi Ag (Gbr. 7a) untuk menyelidiki pengaruh MoO_X properti elektronik pada kinerja perangkat. Kerapatan arus cahaya versus tegangan (J–V ) kurva ditunjukkan pada Gambar. 7b. Rata-rata J–V karakteristik ditunjukkan pada Gambar. 7c–f. V . yang lebih rendah _OC s setelah anil sejalan dengan τ . yang lebih rendah _eff . Semua sel, kecuali yang memiliki MoO_X anil pada 300 °C, berbagi J . yang serupa _SC (~ 38.8 mA/cm ² ), yang berarti perbedaan kecil dalam indeks optik MoO_X dan variasi ketebalan antarmuka SiO_X memiliki sedikit pengaruh dalam penyerapan optik efektif silikon curah pada rentang panjang gelombang yang panjang. PCE best terbaik sel surya dengan MoO yang tidak dianil_X film adalah 18,99%, yang mirip dengan laporan kami sebelumnya [26]. PCE 19,19% dicapai ketika 100 °C anil diterapkan. PCE peningkatan terutama berasal dari faktor pengisian yang ditingkatkan (FF ) dengan resistansi seri yang berkurang, yang konsisten dengan resistansi kontak rendah pada Gambar. 6b. Transportasi lubang yang tidak efisien menyebabkan penurunan FF , yang menonjol pada perangkat dengan anil 300 °C. Suhu anil yang lebih tinggi menyebabkan PCE s drop yang berasal dari pengurangan V _OC (pasifasi efek medan terdegradasi dari MoO_X ) dan FF (SiO lebih tebal_X interlayer mengurangi kemungkinan penerowongan pembawa). Sebagai MoO_X film tipis ditutup dengan elektroda Ag, penurunan kinerja dapat terutama berasal dari difusi unsur terinduksi suhu tinggi di MoO_X /Ag antarmuka seperti yang ditunjukkan dalam laporan sebelumnya [26]. Difusi atom Ag menjadi MoO_X akan menurunkan MoO_X fungsi kerja, karena tingkat Fermi sejajar pada kesetimbangan dengan transfer elektron dari logam ke MoO_X [19, 55, 56].

a Skema penampang, b J–V kurva dan c–f rata-rata J–V parameter p -Si/MoO_X /Ag sel surya dengan MoO_X film dianil pada suhu yang berbeda

Secara keseluruhan, kinerja p -Si/MoO_X sel surya heterojungsi dipengaruhi oleh kualitas pasivasi, fungsi kerja dan sifat tunneling band-to-band [34] dari MoO selektif lubang_X film. Kinerja pasivasi dari struktur saat ini masih buruk, menyebabkan V . yang relatif lebih rendah _OC . Oleh karena itu, pasif permukaan yang efisien akan menjadi fokus penelitian untuk kontak selektif pembawa nondoped.