Promotie M. van Sebille: silicium

03 maart 2017 | 10:00
plaats: Aula, TU Delft
door Webredactie

Silicon nanocrystals embedded in silicon alloys. Promotor: Prof.dr. M. Zeman (EWI).

Directe omzetting van licht in elektriciteit is een van de meest veelbelovende benaderingen voor duurzame energie op grote schaal. Zonnecellen zijn apparaten  die het fotovoltaïsch effect gebruiken om zonlicht om te zetten in elektriciteit. Enkele-junction zonnecellen hebben allemaal last van spectrale mismatch, wat de efficiëntie van de cel verlaagd. Fotonen met een lagere energie dan de band gap van het absorber materiaal worden doorgelaten en fotonen met een hogere energie dan de band gap zullen de overtollige energie verliezen als warmte door thermalisatie processen. Een oplossing om overmatige thermalisatie te voorkomen is om meerdere absorber materialen met variërende band gaps te gebruiken. Dit kan worden bereikt met silicium nanokristallen ingebed in een diëlektrische matrix van silicium en de legeringen daarvan met zuurstof, stikstof en koolstof. De andere band gaps nodig voor een efficiënte spectrale match kan worden bewerkstelligd door gebruikmaking van de grootte-afhankelijke kwantumopsluiting in nanoschaal kristallen.

Middels films met afwisselende lagen van stoichiometrische en silicium-rijke siliciumlegeringen is het mogelijk om controle te hebben over de nanokristalgrootte, welke beperkt is tot de silicium-rijke laagdikte. Hoewel er geen duidelijke consensus is omtrent de exacte mechanismen van ladingsdragertransport, wordt de totale lading transport verwacht sterk afhankelijk te zijn van de nanokristalafstand en de keuze van het diëlektrisch materiaal. De nanokristaldichtheid in de silicium-rijke lagen kan worden geregeld door het regelen van de samenstelling van deze lagen tijdens de depositie. Een laag gehalte aan silicium leidt tot relatief weinig geïsoleerde nanokristallen, en het verhogen van het overtollige siliciumgehalte zal uiteindelijk leiden tot clustering van nanokristallen. Wanneer de nanokristaldichtheid te laag is, is de kans op een naaste-buur nanokristal binnen de transport-afstand te laag. Wanneer daarentegen de overmaat silicium te hoog is, zijn nanokristallen zo dicht bij elkaar dat ze beginnen te clusteren, wat kwantumopsluiting in deze kristallen vermindert. Dit betekent dat er een optimale samenstelling is om een beperkte afstand tussen nanokristal te bereiken waarbij clusteren beperkt wordt. In hoofdstuk 3 tonen we een analytische methode om de stoichiometrie en de dikte van de meerlagige siliciumoxidefilms te optimaliseren om de hoogste dichtheid van silicium nanokristallen na verhitting te bereiken die dicht bij elkaar gelegen zijn maar elkaar niet aanraken. De kans op een nanokristal met een naaste-burenafstand binnen een beperkt bereik worden berekend volgens de stoichiometrie van de gedeponeerde film en de kristalliniteit van de verhitte film als ingangsparameters. Door deze kans te vermenigvuldigen met de waarschijnlijkheid nanokristaldichtheid resulteert in de dichtheid van nanokristallen die elkaar niet aanraken en dicht genoeg bij elkaar liggen.

Beperkt door de nanometerschaal afmetingen van nanokristallen is transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) is de enige directe meettechniek geschikt voor het vastleggen van de grootte en vorm van ingebedde nanokristallen. Echter, een snelle methode om nanokristallen in TEM beelden te meten met minimale input van de gebruiker om vooringenomenheid van de gebruiker tot een minimum te beperken ontbreekt. In hoofdstuk 4 stellen we een methode voor met minimale vertekening veroorzaakt door de input van de gebruiker om snel de nanokristalgrootteverdeling van transmissie-elektronenmicroscopie beelden te detecteren en te meten van met behulp van een combinatie van Laplacian of Gaussian filters en niet-maximale suppressie. We tonen de voorgestelde methode op bright-field TEM beelden van een a-SiC:H monster met ingebedde silicium nanokristallen met verschillende vergrotingen en vergelijken we de nauwkeurigheid en de snelheid met de grootte distributies verkregen door handmatige metingen, een dremp elwaarde methode en PEBBLES. Tot slot overwegen we analytisch de fout veroorzaakt door het snijden van nanokristallen tijdens de voorbereiding van het TEM monster op de gemeten nanokristalgrootteverdeling en formuleren we een vergelijking om te corrigeren voor dit effect.

Zover wij weten is een methode voor het verkrijgen van de absorptie-eigenschappen van de nanokristallen en de toestandsdichtheid uit absorptiespectra nog niet ontwikkeld. In hoofdstuk 5 presenteren we een niet-destructieve meting en eenvoudige analysemethode voor het verkrijgen van de absorptiecoëfficiënt van silicium nanokristallen ingebed in een amorfe matrix. Deze methode stelt ons in staat om de bijdrage van silicium nanokristallen aan het absorptiespectrum van films met nanokristallen te identificeren. De toestandsdichtheid van de amorfe matrix wordt gemodelleerd met behulp van het standaardmodel voor amorf silicium en de nanokristallen worden gemodelleerd via een Gaussische verdeling van de bezette toestanden en één voor de onbezette toestanden. Voor laserverhitte a-Si0.66O0.34:H films toont onze analyse een verlaging van de nanokristal band gap van ongeveer 2.34 tot 2.08 eV, wat een vergroting van de gemiddelde nanokristalgrootte aangeeft voor verhoogde laserfluxdichtheden, gepaard met een versmalling van de nanokristal toestandsdichtheiddistributie van 0.28 tot 0.26 eV, hetgeen een smallere grootteverdeling suggereert.

 

Ingebedde silicium nanokristallen kunnen worden gemaakt door het verhitten van siliciumrijke films van silicium legeringen. Omdat waterstof effusie optreedt bij lagere temperaturen dan fasescheiding en kristallisatie, kan dit niet worden vermeden, wat leidt tot een verhoogde defectdichtheid. Heropname van waterstof in het materiaal wordt als een doeltreffende methode beschouwd om de defectdichtheid te verminderen. Een optie is om verhitting en waterstofpassivering combineren in een enkele bewerkingsstap door verhitting in een H2 atmosfeer. In hoofdstuk 6 melden we het effect van waterstof op het kristallisatieproces van silicium nanokristallen ingebed in een siliciumoxide matrix. We tonen aan dat waterstofgas tijdens verhitting leidt tot een lagere sub-band gap absorptie, wat aangeeft dat passivering van defecten die gecreëerd worden tijdens verhitting optreedt. Monsters die verhit zijn in zuivere stikstof tonen verwachte trends volgens kristallisatietheorie. Monsters verhit in forming gas, echter wijken af van deze trend. Hun kristalliniteit daalt voor langere verhittingstijden. Verder 107 zien we een toename van de gemiddelde nanokristalgrootte en een verbreding van de grootteverdeling, wat aangeeft dat waterstof een krimp van de silicium nanokristallen veroorzaakt.

Meer informatie?
Voor inzage in proefschriften van de promovendi kunt u kijken in de TU Delft Repository, de digitale vindplaats van openbare publicaties van de TU Delft. Proefschriften zullen binnen een paar weken na de desbetreffende promotie in de Repository te vinden zijn.

© 2017 TU Delft

Metamenu