Messung der lokalen Leerlaufspannung in Si-Nanodraht-Radialübergängen mittels Kelvin-Probe-Kraftmikroskopie

Zusammenfassung

Diese Studie demonstriert, wie Kelvin-Probe-Kraftmikroskopie (KPFM) die Leerlaufspannung (V_OC) von Silizium-Nanodraht (SiNW) Radialübergangs-(RJ-) Geräten über Oberflächenphotovoltage (SPV) Mapping präzise extrahieren kann. Erste Experimente an vollständig gefertigten RJ SiNW-Solarzellen zeigen, dass SPV-Werte um weniger als 5 % von konventionellen V_OC-Messungen abweichen. Nachfolgende Messungen an einzelnen, ITO-freien RJ SiNWs offenbaren, dass Tippschatten SPV-Messungen stark verfälschen können. Durch Optimierung der Spitzengeometrie und Beleuchtungsrichtung erreichen wir SPV-Kurven, die logarithmisch mit der Lichtleistung skalieren und eine lineare Beziehung zur Geräte-V_OC aufweisen. Diese Ergebnisse bestätigen, dass kontaktlose, nanoskalige SPV-Abtastung für die photovoltaische Leistungsbewertung einzelner Geräte machbar ist.

Einleitung

Halbleiter-Nanostrukturen, insbesondere Nanodraht-Arrays mit Radialübergängen, versprechen signifikante Gewinne in Lichtfang und Ladungsträgersammlung, die potenziell planare Architekturen übertreffen. Silizium-Nanodraht RJs haben bereits Wirkungsgrade von annähernd 9,6 % erreicht, wenn sie auf Dünnschicht-Plattformen gefertigt werden. Die Bewertung des fotoelektrischen Verhaltens einzelner Nanodrähte bleibt jedoch eine kritische Herausforderung für die Geräteoptimierung.

Wir setzen KPFM ein, um lokales V_OC an RJ SiNWs zu sondieren. Während KPFM-abgeleitetes V_OC auf planaren Photovoltaik validiert wurde, ist seine Anwendung auf nanostrukturierte Geräte nicht-trivial, da es separate Dunkel- und Belichtungsmessungen erfordert, um die Oberflächenphotovoltage (SPV) zu erfassen.

Unsere erste Strategie untersucht fertige RJ SiNW-Zellen, die einen ITO-Frontkontakt enthalten. Wir vergleichen konventionelle Strom-Spannungs-(I-V-) Daten mit KPFM-abgeleitetem SPV über einen Bereich von Beleuchtungsleistungen. Die zweite Strategie fokussiert auf isolierte RJ SiNWs (kein ITO), um zu untersuchen, wie Spitzengeometrie und Beleuchtungswinkel die SPV-Extraktion beeinflussen. Schließlich liefern makroskopische Kelvin-Probe-Messungen spektrale SPV-Daten (SPS) an sowohl isolierten als auch fertigen Geräten.

Materialien und Methoden

SiNW-Wachstum und Radialer P-I-N-Übergang Gerätefertigung

RJ SiNWs wurden auf ZnO:Al-beschichtetem Corning-Glas (Cg) mittels plasma-unterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) bei 500 °C mit Sn-Nanopartikel-Katalysatoren gezüchtet. Eine konforme intrinsische Schicht (80 nm) gefolgt von einer n-Typ-Schicht (10 nm) aus hydrogeniertem amorphem Silizium (a-Si:H) wurde bei 175 °C auf den p-Typ SiNW-Kern abgeschieden. Fertige Geräte wurden mit einem 4 mm-Durchmesser ITO-Topkontakt abgeschlossen, der durch Sputtern unter einer Maske aufgebracht wurde. Vollständige Fertigungsdetails finden sich anderswo.

Kelvin-Probe und Oberflächenphotovoltage

Wir verwenden Amplitudenmodulations- (AM) KPFM wegen seiner überlegenen Stabilität gegenüber Frequenzmodulation (FM) beim Scannen topographie-reicher Nanodrähte. Messungen wurden auf einer HORIBA/AIST-NT TRIOS-Plattform durchgeführt, die ein 1310 nm Laserstrahl-basiertes Ablenkungssystem (LBBDS) zur Minimierung von Photoanregungsartefakten aufweist. Das System bietet drei Objektive für obere, seitliche und untere Beleuchtung.

SPV wird durch Subtraktion des dunklen CPD vom beleuchteten CPD erhalten, eine Technik, die für V_OC-Extraktion bewährt ist. Die Beleuchtung erfolgt durch eine OXXIUS 488 nm Laserdiode mit variabler Leistung.

Zwei leitende AFM-Spitzen wurden verwendet: ARROW-EFM (Standardspitze) und ATEC-EFM (geneigte Spitze). Beide haben dotierte Silizium-Cantilever mit PtIr-Beschichtung.

Makroskopische Kelvin-Probe-Messungen mit einer 2 mm Stahlspitze und einem Halogenlampen-Monochromator (400–1000 nm) ergänzen die nanoskaligen Daten und ermöglichen qualitative Oberflächenphotovoltage-Spektroskopie (SPS).

Makroskopische I-V-Messungen kombiniert mit KPFM

Für fertige Geräte wurden ein KEITHLEY 2450 SourceMeter und eine Wolframnadel, positioniert über einen Mikropositionierer, für I-V-Charakterisierung unter demselben AFM-Aufbau verwendet. Sowohl dunkle als auch beleuchtete (488 nm, 70–1000 µW) I-V-Kurven wurden aufgezeichnet.

Ergebnisse und Diskussion

Zunächst bewerteten wir den Einfluss der AFM-LBBDS-Wellenlänge. Makroskopische I-V-Kurven, aufgenommen mit dem TRIOS (1310 nm) und einem externen AFM (690 nm), zeigen vernachlässigbare Unterschiede im Dunkeln, mit einer 0,5 mV Verschiebung in V_OC und 1 nA in I_SC, wenn der 1310 nm Strahl aktiv ist. Im Gegensatz dazu induziert der 690 nm Strahl eine ausgeprägte photovoltaische Antwort (545 mV V_OC, 28 µA I_SC), was die Wichtigkeit eines nahinfraroten LBBDS für Dunkel-Messungen unterstreicht.

Abbildung 3 illustriert I-V-Kennlinien unter 70, 150, 270 und 560 µW Beleuchtung, die den erwarteten Anstieg von I_SC und V_OC mit Lichtintensität zeigen. Die begleitende KPFM-Karte zeigt Topographie, dunklen CPD und beleuchteten CPD (488 nm, 270 µW). CPD-Variationen (~±10 mV) an Nanodrahtkanten werden auf topographie-induzierte Artefakte zurückgeführt; Werte, die von den Nanodrahtspitzen extrahiert wurden, werden für die nachfolgende Analyse verwendet.

Abbildung 4 vergleicht V_OC aus I-V und SPV aus KPFM versus Beleuchtungsleistung für zwei Geräte. Die maximale Abweichung beträgt <5 % bei 70 µW und <2 % bei höheren Leistungen. Beide Kurven folgen einem logarithmischen Trend (500–600 mV) mit Idealitätsfaktoren von 1,5 ± 0,1 (Gerät 1) und 1,75 ± 0,25 (Gerät 2), konsistent mit Literatur für a-Si:H P-I-N-Übergänge.

SPV-Messungen an isolierten RJ SiNWs zeigen Schattierungseffekte. Verwendung von ARROW-Spitzen mit oberer Beleuchtung ergibt niedrige SPV-Werte (Abb. 5a, Quadrate) und eine Steigung ~0,4. Wechsel zu einer geneigten ATEC-Spitze erhöht SPV um 40 % (Abb. 5b, Dreiecke). Wechsel der Beleuchtung von oben nach seitlich mit einer ARROW-Spitze (Abb. 5c, blaue Punkte) verbessert SPV weiter, doch die Werte bleiben unter denen fertiger Geräte. Schattierung fehlt in fertigen Zellen, da die ITO-Schicht die Photovoltage über viele Nanodrähte homogenisiert.

Qualitative SPS an gebündelten isolierten Geräten (Abb. 6a) offenbart signifikantes SPV (80–260 mV) im Nahinfrarot (800–1000 nm), im Kontrast zum vernachlässigbaren SPV fertiger Geräte unter 800 nm. Im Gegensatz dazu zeigt ein fertiges Gerät einen scharfen SPV-Anstieg bei 630 nm, der 560 mV erreicht, aber im NIR unter 10 mV fällt. Entfernt man die ITO-Schicht von einem fertigen Gerät, reduziert sich SPV (400–750 nm) sofort nach dem Ätzen drastisch, aber das Signal erholt sich nach 72 h und nähert sich dem Niveau isolierter NWs. Diese Ergebnisse bestätigen, dass die ITO/a-Si:H-Grenzfläche entscheidend für hohes V_OC ist; ihre Abwesenheit in isolierten NWs begrenzt Bandbiegen und SPV-Größe.

Insgesamt liefert lokales SPV-Mapping mit KPFM einen zuverlässigen Proxy für V_OC in vollständig gefertigten RJ SiNW-Geräten, während isolierte NWs reduziertes SPV aufgrund von Spitzenschatten und Fehlen eines ITO-Kontakts zeigen.

Schlussfolgerung

Gleichzeitige I-V- und KPFM-Studien an fertigen RJ SiNW-Zellen bestätigen, dass über KPFM extrahiertes SPV eng mit V_OC aus konventionellen Messungen übereinstimmt. Im Gegensatz dazu zeigen isolierte RJ SiNWs reduziertes SPV aufgrund von Spitzenschatten; Optimierung der Spitzenform und Beleuchtungsrichtung mildert diesen Effekt, stellt aber nicht vollständig das V_OC fertiger Geräte wieder her. SPS-Experimente demonstrieren, dass die ITO/a-Si:H-Grenzfläche für hohe Photovoltage essenziell ist; ihre Abwesenheit in isolierten NWs begrenzt Bandbiegen und SPV. Dennoch validiert die lineare Korrelation zwischen lokalem SPV und Geräte-V_OC kontaktloses, nanoskaliges SPV als mächtiges Werkzeug zur Bewertung der photovoltaischen Leistung einzelner SiNW-Übergänge.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die in dieser Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf angemessene Anfrage beim korrespondierenden Autor verfügbar.

Abkürzungen

AFM

Rasterkraftmikroskopie

AM

Amplitudenmodulation

a-Si:H

Hydrogeniertes amorphes Silizium

Cg

Corning-Glas

CPD

Kontaktpotenzialdifferenz

FM

Frequenzmodulation

ITO

Indium-Zinn-Oxid

I-V

Strom-Spannung

KPFM

Kelvin-Probe-Kraftmikroskopie

LBBDS

Laserstrahl-basiertes Ablenkungssystem

n

Idealitätsfaktor

NW

Nanodraht

PECVD

Plasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung

PV

Photovoltaik

RJ

Radialübergang

SiNW

Silizium-Nanodraht

SPS

Oberflächenphotovoltage-Spektroskopie

SPV

Oberflächenphotovoltage

V_OC

Leerlaufspannung