Измерение локального напряжения холостого хода в радиальных p-i-n переходах кремниевых нанопроводников методом Кельвиновой зонда

Аннотация

В работе демонстрируется, как микроскопия Кельвинового зонда (KPFM) может точно извлекать напряжение холостого хода (V_OC) кремниевых нанопроводников (SiNW) с радиальными переходами (RJ) через картирование поверхностного фотовольтажа (SPV). Начальные эксперименты на полностью изготовленных RJ SiNW солнечных элементах показывают, что значения SPV отличаются менее чем на 5 % от обычных измерений V_OC. Последующие измерения на отдельных RJ SiNW без ITO выявляют, что затмение кончиком может серьезно смещать показания SPV. Оптимизируя геометрию кончика и направление освещения, достигаются SPV кривые, логарифмически зависящие от мощности света и линейно связанные с V_OC устройства. Результаты подтверждают, что бесконтактное наномасштабное SPV зондирование применимо для оценки фотоэлектрической характеристики отдельных устройств.

Введение

Полупроводниковые наноструктуры, особенно массивы нанопроводников с радиальными переходами, обещают значительные приросты в захвате света и сборе носителей, потенциально превосходя планарные архитектуры. Кремниевые RJ SiNW уже достигли эффективностей, близких к 9,6 % на тонкопленочных платформах. Однако оценка фотоэлектрического поведения отдельных нанопроводников остается критическим вызовом для оптимизации устройств.

Мы используем KPFM для зондирования локального V_OC на RJ SiNW. Хотя KPFM-полученный V_OC валидирован на планарных фотоэлектрических преобразователях, его применение к наноструктурированным устройствам нетривиально, так как требует отдельных темных и освещенных измерений для захвата поверхностного фотовольтажа (SPV).

Первая стратегия исследует готовые RJ SiNW элементы с ITO передним контактом. Сравниваются обычные I-V данные с KPFM-полученным SPV по диапазону мощностей освещения. Вторая стратегия фокусируется на изолированных RJ SiNW (без ITO) для изучения влияния геометрии кончика и угла освещения на извлечение SPV. Наконец, макроскопические измерения Кельвинового зонда дают спектральные SPV данные (SPS) на изолированных и готовых устройствах.

Материалы и методы

Рост SiNW и фабрикация радиальных p-i-n переходов

RJ SiNW растили на ZnO:Al-покрытом стекле Corning методом PECVD при 500 °C с Sn наночастицами-катализаторами. Конформный интринзисный слой (80 нм) и n-тип слой (10 нм) водородообразного а-Si:H осаждались при 175 °C на p-тип SiNW ядро. Готовые устройства завершали 4-мм ITO верхним контактом, осажденным спуттерингом под маской. Полные детали фабрикации приведены в [1, 5-7].

Кельвинов зонд и поверхностный фотовольтаж

Используется амплитудно-модуляционный (AM) KPFM за его превосходную стабильность над частотно-модуляционным (FM) при сканировании нанопроводников с богатой топографией. Измерения на платформе HORIBA/AIST-NT TRIOS с 1310-нм лазерной системой дефлекции луча (LBBDS) для минимизации артефактов фотовозбуждения. Система предлагает три объектива для верхнего, бокового и нижнего освещения.

SPV получается вычитанием темного CPD из освещенного CPD, техника, подтвержденная для извлечения V_OC. Освещение обеспечивается OXXIUS 488-нм лазерным диодом с переменной мощностью.

Использованы два проводящих AFM кончика: ARROW-EFM (стандартный) и ATEC-EFM (наклонный). Оба имеют легированные кремниевые консоли с PtIr покрытием.

Макроскопические измерения Кельвинового зонда с 2-мм стальным кончиком и галогенной лампой с монохроматором (400-1000 нм) дополняют наномасштабные данные, позволяя качественную спектроскопию поверхностного фотовольтажа (SPS).

Макроскопические I-V измерения в комбинации с KPFM

Для готовых устройств использовались KEITHLEY 2450 SourceMeter и вольфрамовая игла на микропозиционере для I-V характеристики под тем же AFM сетапом. Записывались темные и освещенные (488 нм, 70-1000 мкВт) I-V кривые.

KPFM картирование на изолированных RJ SiNW выполнялось с ARROW и ATEC кончиками при верхнем и боковом освещении при идентичных уровнях мощности.

Результаты и обсуждение

Сначала оценили влияние длины волны LBBDS AFM. Макроскопические I-V кривые, снятые с TRIOS (1310 нм) и внешним AFM (690 нм), показывают незначительные различия в темноте, со сдвигом 0,5 мВ в V_OC и 1 нА в I_SC при активном 1310-нм луче. В отличие, 690-нм луч индуцирует выраженный фотоэлектрический отклик (545 мВ V_OC, 28 мкА I_SC), подчеркивая важность ближне-ИК LBBDS для темных измерений.

Рис. 3 иллюстрирует I-V характеристики под 70, 150, 270 и 560 мкВт освещения, показывая ожидаемый рост I_SC и V_OC с интенсивностью света. Сопутствующая KPFM карта отображает топографию, темный CPD и освещенный CPD (488 нм, 270 мкВт). Вариации CPD (~±10 мВ) на краях нанопроводников атрибутируются артефактам, вызванным топографией; значения, извлеченные с вершин нанопроводников, используются для дальнейшего анализа.

Рис. 4 сравнивает V_OC из I-V и SPV из KPFM против мощности освещения для двух устройств. Максимальное отклонение <5 % при 70 мкВт и <2 % при более высоких мощностях. Обе кривые следуют логарифмической тенденции (500-600 мВ) с идеальностными факторами 1,5 ± 0,1 (устройство 1) и 1,75 ± 0,25 (устройство 2), согласуясь с литературой для a-Si:H p-i-n переходов.

SPV измерения на изолированных RJ SiNW выявляют эффекты затмения. Использование ARROW кончиков с верхним освещением дает низкие SPV значения (Рис. 5a, квадраты) и наклон ~0,4. Переключение на наклонный ATEC кончик увеличивает SPV на 40 % (Рис. 5b, треугольники). Смена освещения с верхнего на боковое с ARROW кончиком (Рис. 5c, синие точки) дополнительно улучшает SPV, но значения остаются ниже готовых устройств. Затмение отсутствует в готовых элементах, так как ITO слой гомогенизирует фотовольтаж по множеству нанопроводников.

Качественный SPS на сгруппированных изолированных устройствах (Рис. 6a) показывает значительный SPV (80-260 мВ) в ближнем ИК (800-1000 нм), в отличие от пренебрежимого SPV готовых устройств ниже 800 нм. Готовое устройство демонстрирует резкий рост SPV при 630 нм до 560 мВ, но падение ниже 10 мВ в ИК. Удаление ITO слоя из готового устройства резко снижает SPV (400-750 нм) сразу после травления, но сигнал восстанавливается через 72 ч, приближаясь к уровню изолированных нанопроводников. Эти выводы подтверждают, что ITO/a-Si:H интерфейс критичен для высокого V_OC; его отсутствие в изолированных нанопроводниках ограничивает изгиб зон и величину SPV.

В целом, локальное SPV картирование с KPFM дает надежный прокси для V_OC в полностью изготовленных RJ SiNW устройствах, тогда как изолированные нанопроводники показывают сниженный SPV из-за затмения кончиком и отсутствия ITO контакта.

Заключение

Совместные I-V и KPFM исследования на готовых RJ SiNW элементах подтверждают, что SPV, извлеченный через KPFM, тесно соответствует V_OC от обычных измерений. В противовес, изолированные RJ SiNW демонстрируют сниженный SPV из-за затмения кончиком; оптимизация формы кончика и направления освещения смягчает этот эффект, но не полностью восстанавливает V_OC готовых устройств. SPS эксперименты показывают, что ITO/a-Si:H интерфейс необходим для высокого фотовольтажа; его отсутствие в изолированных нанопроводниках ограничивает изгиб зон и SPV. Тем не менее, линейная корреляция между локальным SPV и устройством V_OC валидирует бесконтактное наномасштабное SPV как мощный инструмент для оценки фотоэлектрической характеристики отдельных SiNW переходов.