Die elektronische Struktur des amorph-kristallinen Silizium-Heterostruktur-Kontakts

In der vorliegenden Arbeit wurde die elektronische Zustandsdichte hydrogenisierter amorpher Silizium (a-Si:H)-Schichten mit Dicken von 300 bis hinab zu ~2 nm untersucht. Die dazu eingesetzte Methode der Nah-UV-Photoelektronenspektroskopie (NUV-PES) liefert eine gemittelte Valenzband-Zustandsdichte der bandkantennahen ausgedehnten Zustände (bis etwa Ev-1 eV) sowie die Zustandsdichte in der Bandlücke zwischen Ev und dem Ferminiveau Ef. Dabei können mit der hier zur Zustandsdichte-Spektroskopie weiterentwickelten constant final state yield-Spektroskopie (CFSYS) Zustandsdichten über mehr als 8 Größenordnungen von >10e22 bis hinab zu 10e14 1/(eV cm³) detektiert werden. Die CFSYS detektiert die Photoelektronen bei einer konstanten final state-Energie, und die Anregungsenergie hv wird variiert, im hier genutzten Aufbau zwischen ~4 und 7-8eV. Die Detektionsenergie wird so gewählt, dass Elektronen gezählt werden, deren kinetische Energie gerade ausreicht, um die Austrittsarbeits-Barriere von der Probe ins Vakuum zu überwinden. Dies steht im Gegensatz zu konventionellen Techniken der Photoelektronenspektroskopie, wo mit festen Anregungsenergien und variabler Detektionsenergie gearbeitet wird. Vorteil der CFSYS ist die für Photoelektronenspektroskopie große Informationstiefe von ~5-10nm, die optimal an die hier untersuchten Schichtdicken angepasst ist, und die erwähnte Spanne von 8 Größenordnungen in der detektierbaren Zustandsdichte. Um systematische Fehlern bei der Auswertung der gemessenen Spektren zu vermeiden, ist die korrekte Berücksichtigung der Energieauflösung des Spektrometers notwendig. Daher wurde sie gemessen und als (von der Anregungsenergie abhängige) Transferfunktion beschrieben. Die entwickelte PES-Methodik (PES-Messung und Anpassung der Modell-Zustandsdichte) wurde auf Serien von etwa 10nm dünnen a-Si:H-Schichten auf c-Si-Substrat angewendet, bei denen die Depositionstemperatur und die Dotierkonzentration von Phosphor oder Bor variiert wurden. Da bei diesen Schichtdicken die Lage des Ferminiveaus nicht aus Messungen der Photoleitung oder der Dunkelleitfähigkeit bestimmt werden kann, ist die Nah-UV-PES hier die einzige Möglichkeit, Defektdichten und die Lage des Fermi-Niveaus zu bestimmen. Die experimentellen Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Auch ultradünne Schichten zeigen ein Optimum der Depositionstemperatur um 230°C, das charakterisiert ist durch eine Urbach-Energie von 66(1meV und eine Defektdichte von 2,9(3)e18 1/cm³. Das Ferminiveau liegt dabei für undotierte Schichten bei Ef-Ev=1,04(6) eV, die Filme sind also n-leitend. Aus Leitfähigkeitsmessungen an identisch präparierten dicken Schichten auf Glas kann man den Abstand des Ferminiveaus zur Leitungsband-Beweglichkeitskante El-Ef bestimmen. Dann lässt sich unter der Annahme, dass sich die Bandlücke von dünnen Schichten im Vergleich zu dicken nicht ändert, die Beweglichkeits-Lücke El-Ev bestimmen. Sie zeigt den von dicken Schichten bekannten Trend einer Abnahme der Bandlücke mit steigender Depositionstemperatur. Reduziert man die a-Si:H-Schichtdicke unter die Informationstiefe der Nah-UV-PES, dann liefert die Zustandsdichte des darunterliegenden Substrats Beiträge zum gemessenen Signal. Es wurde gezeigt, dass das gemessene Spektrum sich als Summe aus den Spektren einer Wasserstoff-terminierten c-Si-Oberfläche und einer dicken (~100nm) a-Si:H-Schicht beschreiben lässt. Die Verschiebung der beiden Spektren gegeneinander liefert direkt die Banddiskontinuität (band-offset) der a-Si:H/c-Si-Grenzfläche. Die durchgeführten Messungen an Schichtdickenserien von intrinsischen, n- und p-dotierten ultradünnen a-Si:H-Schichten auf n- und p-dotierten c-Si-Wafern stellen die erste systematische Untersuchung des a-Si:H/c-Si-Band-offsets mit den Methoden der Nah-UV-PES dar. Der Mittelwert des Band-offsets wurde zu DEv = 0,458(6)eV bestimmt. Er ist unabhängig von der Dotierung sowohl der a-Si:H-Schicht als auch des Substrats, nimmt aber geringfügig mit der a-Si:H-Schichtdicke ab. Der Wert von DEv, die Unabhängigkeit von der Dotierung und die Abnahme mit der Schichtdicke ist konsistent mit einem Modell, bei dem der Band-offset vom sog. Ladungs-Neutralpunkt der Materialien zu beiden Seiten der Grenzfläche sowie zusätzlichen Beiträgen von extrinsischen Grenzflächen-Dipolen abhängt

Passivation Properties of Subnanometer Thin Interfacial Silicon Oxide Films

AbstractSubnanometer thin silicon oxide films, applied as interlayer between crystalline silicon absorbers and functional layers, have demonstrated to improve interface passivation properties. Here we compare the interface defect density as well as the fixed charge of simple native air oxides to wet-chemical oxides on silicon substrates of different doping type, with different crystal orientations and after different chemical pre-treatment processes. We show that optimized wet-chemical pre-treatment and wet-chemical oxidation leads to strong improvement in terms of interface defect density as compared to simple oxidation in air. Furthermore we show that such subnanometer thin layers can contain large positive fixed charges of up to 1011 cm-2. Due to excellently low defect densities for thin layers <0.5nm, tunneling transport and thus application for solar cells with passivated contacts should be possible. While on p-type substrates such layers feature a high positive charge and would thus support an emitter band bending, on n-type substrates the charge is smaller and can even be negative due to electrons trapped in mid gap defects

Back- and front-side texturing for light-management in perovskite / silicon-heterojunction tandem solar cells

The perovskite / silicon-heterojunction (SHJ) tandem solar cell can theoretically overcome the efficiencies of the single junction solar cells with experimental results not far behind. Here, we use optical simulations to analyze the potential of such currently feasible monolithic perovskite / SHJ tandem devices. We consider three different device designs in the optical simulations: planar device, device built on back-side textured Si wafer, and device with textured UV Nanoimprint Lithography light management foil. For each of these three designs, the current matching point is simulated to evaluate device efficiencies. While the device with back-side textured Si wafer causes light trapping and therefore enhanced photocurrent generation for longer wavelengths, the anti-reflection foils prove to be overall more efficient as the foil significantly reduces the reflection in almost full wavelength range

Room temperature deformation in the Fe7_7Mo6_6 μ\mu-Phase

The role of TCP phases in deformation of superalloys and steels is still not fully resolved. In particular, the intrinsic deformation mechanisms of these phases are largely unknown including the active slip systems in most of these complex crystal structures. Here, we present a first detailed investigation of the mechanical properties of the Fe7Mo6 {\mu}-phase at room temperature using microcompression and nanoindentation with statistical EBSD-assisted slip trace analysis and TEM imaging. Slip occurs predominantly on the basal and prismatic planes, resulting also in decohesion on prismatic planes with high defect density. The correlation of the deformation structures and measured hardness reveals pronounced hardening where interaction of slip planes occurs and prevalent deformation at pre-existing defects.Comment: Accepted manuscript in International Journal of Plasticit

A divided kingdom? Reflections on multi-ethnic Britain in the new millennium

Zweitveröffentlichun

The Influence of ITO Dopant Density on J-V Characteristics of Silicon Heterojunction Solar Cells: Experiments and Simulations

The TCO/a-Si:H(p) contact is a critical part of the silicon heterojunction solar cell. At this point, holes from the emitter have to recombine loss free with electrons from the TCO. Since tunneling is believed to be the dominant transport mechanism, a high dopant density in both adjacent layers is critical. In contrast to this, it has been reported that high TCO dopant density can reduce field effect passivation induced by the a-Si:H(p) layer. Thus, in this publication, we systematically investigate the influence of a thin (∼10 nm) ITO contact layer with dopant densities ranging from Nd = 1019 - 1021 cm-3 placed between an ITO bulk layer of 70 nm with Nd= 2·1020 cm-3 and the a-Si:H(p) emitter on the J-V characteristics, with the aim to find an optimum Nd. We accompanied our experiments by AFORS-HET simulations, considering trap-assisted tunneling and field dependent mobilities in the a-Si:H(p) layer. As expected, two regimes are visible: For low Nd the devices are limited by inefficient tunneling, resulting in S-shaped J-V characteristics. For high Nd a reduction of the field effect passivation becomes visible in the low injection range. We can qualitatively reproduce these findings using device simulations

Nanoscopic Current Effects on Photovoltaics

Silicon heterojunction (SHJ) solar cells represent a promising technological approach toward higher photovoltaic efficiencies and lower fabrication cost. While the device physics of SHJ solar cells has been studied extensively in the past, the ways in which nanoscopic electronic processes such as charge-carrier generation, recombination, trapping, and percolation affect SHJ device properties macroscopically are yet to be fully understood. We report the study of atomic-scale current percolation at state-of-the-art a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells at room temperature, revealing the profound complexity of electronic SHJ interface processes. Using conduction atomic force microscopy, it is shown that the macroscopic current–voltage characteristics of SHJ solar cells are governed by the average of local nanometer-sized percolation pathways associated with bandtail states of the doped a-Si:H selective contact leading to above bandgap local photovoltages (VOCloc) as high as 1.2 V (eVOCloc > EgapSi). This is not in violation of photovoltaic device physics but a consequence of the nature of nanometer-scale charge percolation pathways that originate from trap-assisted tunneling causing dark leakage current. We show that the broad distribution of nanoscopic local photovoltage is a direct consequence of randomly trapped charges at a-Si:H dangling bond defects, which lead to strong local potential fluctuations and induce random telegraph noise of the dark current