P-I-N 방사형 접합 Si 나노와이어에 적용된 Kelvin Probe Force Microscopy에 의한 로컬 VOC 측정

결과 및 토론

I-V 및 KPFM 측정을 시작하기 전에 AFM의 LBBDS의 영향을 조사했습니다. 실제로, LBBDS의 파장이 광전지 샘플과 상당한 상호작용을 할 수 있고[8,9,10] AFM을 사용한 전기적 특성 측정에 영향을 미칠 수 있다는 것이 이미 밝혀졌습니다. 그림 2는 완료의 거시적 I‑V 측정을 보여줍니다. SiNW RJ 장치는 어두운 조건(LBBDS 꺼짐)과 LBBDS가 켜져 있을 때 수행됩니다. 이전에 언급했듯이 측정은 LBBDS에 대해 1310nm 대신 690nm의 파장을 사용하여 다른 AFM 설정에서도 수행되었습니다. 어두운 조건과 1310nm의 LBBDS를 사용하여 얻은 I-V 곡선은 거의 동일합니다. 원점 주변을 확대할 때만 LBBDS를 유지한 상태에서 수행된 측정에 대해 매우 작은 이동을 관찰할 수 있으며 이는 V_OC 측면에서 매우 작은 값으로 표현될 수 있습니다. (0.5 mV) 및 단락 전류, I_SC, (1 nA). 이에 비해 LBBDS에 대해 690nm의 파장을 사용하여 시스템으로 측정한 I-V 곡선은 V_OC 값으로 상당한 광기전 효과를 나타냅니다. 그리고 나_SC 각각 545mV 및 28μA입니다. 이것은 가시 범위의 레이저 파장을 가진 LBBDS의 파괴적 효과를 분명히 보여줍니다. 이러한 결과는 특히 LBBDS 파장이 샘플과 상호 작용할 수 있는 실제 어두운 조건에서 KPFM 측정을 수행하기가 어렵다는 것을 보여줍니다. 다음에 설명된 결과는 모두 Kelvin-Probe 하위 섹션에 설명된 1310nm에서 작동하는 AFM의 LBBDS로 수행되었습니다.

TRIOS AFM의 1310nm 레이저 빔(파란색 실선)과 Enviroscope AFM의 690nm 레이저 빔(빨간색 점선)을 사용하여 어두운 조건(검은색 원)에서 SiNW RJ 장치에서 얻은 I-V 곡선. 주요 그래프는 − 1 V 및 + 1 V 범위의 log |I|-V 곡선을 나타내고, 삽입 그래프는 - 5 mV 및 + 5 mV

완성된 SiNW RJ 장치에서 광전지 측정의 예가 그림 3에 표시됩니다. 특히 다양한 전력 조명(70, 150, 270 및 560μW)에서 거시적인 I-V 측정이 그림 3.a에 표시됩니다. I-V 곡선은 I_SC에서 일반적인 PV 전지 작동 동작을 보여줍니다. 및 V_OC 입사광 전력으로 증가합니다. 그림 3.b는 왼쪽에서 오른쪽으로 지형, 어두운 곳의 CPD 및 488nm 조명 아래의 CPD를 나타내는 KPFM 매핑의 예를 보여줍니다. 지형 스캔은 높이가 수백 나노미터인 NW를 나타내며 단위 면적당 밀도는 약 10 ⁹ 입니다. cm ^-2 . CPD 스캔은 주로 NW 가장자리에서 발생하는 약 ±10mV의 국부 전위 변동을 표시합니다. 이러한 변형은 AFM 팁이 스캔 동작 중, 특히 두 NW 사이를 통과할 때 통과하는 지형의 빠른 변화로 인해 인공물로 간주될 수 있습니다. 이러한 인공물에서 면제되는 장소는 지형 높이 변화가 무시할 수 있는 NW의 상단입니다. 다음에 제시된 모든 CPD 값은 NW의 상단에서 추출되었습니다.

아 다양한 전력 조명(488 nm에서 66, 5, 149, 268 및 555 μW)에서 측정된 거시적 I-V 곡선; ㄴ 왼쪽에서 오른쪽으로:각각 지형, 어두운 조건의 CPD 및 조명(488 nm에서 270 μW) 아래의 CPD

그림 4는 V_OC를 비교합니다. 및 입사 조명 전력의 함수로서 거시적 I-V 및 KPFM 측정에서 추출된 SPV 값. 이 비교는 두 개의 서로 다른 완성된 장치에 대해 수행되었으며 세미 로그 규모로 표시됩니다. Voc 곡선과 SPV 곡선 간의 최대 차이는 가장 낮은 조명 전력(~70μW)의 경우 5% 미만이고 더 높은 조명 전력의 경우 2% 미만입니다. 충돌하는 광 전력의 실험적 평가와 관련된 오차 막대는 V_OC 사이의 5% 차이를 설명할 수 있는 조명 전력이 감소할 때 증가한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 및 이전에 언급된 SPV. 두 그래프 모두 SPV 및 V_OC 값은 500-600mV 범위의 값으로 로그 동작을 따릅니다. Voc 및 SPV의 기울기는 장치 1에 대해 각각 1.5 ± 0.1 및 장치 2에 대해 1.75 ± 0.25의 이상 계수(n)를 제공합니다. 이 값은 1.5-2 범위에 있는 a-Si:H P-I-N 접합에 대한 문헌에 보고된 값과 잘 일치합니다[12,13,14]. 그림 5에서는 절연된 SINW RJ 장치에서 수행된 SPV 대 광 전력의 측정을 보여줍니다. 여기서 절연이라는 용어는 나노와이어 RJ가 ITO로 덮여 있지 않아 상단 전도성 층을 통해 전기적으로 연결되지 않는다는 사실을 나타냅니다. 참조 가이드로 그림 4.a의 완성된 RJ 장치에 대해 이전에 얻은 SPV 곡선도 그림 5에 나와 있습니다. 보고된 SPV 값은 3x3 μm²의 스캔 크기에 대해 여러 NW에서 얻은 평균 값에 해당합니다. 격리된 장치에 대한 SPV 측정은 먼저 완성된 장치에서 SPV 측정이 수행된 것처럼 화살표 모양의 AFM 팁(ARROW-EFM)과 상단에서 오는 조명으로 수행되었습니다. 이 곡선의 매우 낮은 SPV 값(그림 5.a, 정사각형)과 1 미만의 기울기(~0.4)는 AFM 팁으로 인한 그림자 효과를 나타냅니다. 실제로 동일한 상단 조명을 유지하고 기울어진 프로브(ATEC-EFM)로 AFM 팁을 변경하면 동일한 범위의 전력 조명에 대해 SPV 값의 40% 증가를 관찰할 수 있습니다(그림 5.b, 삼각형). 조명을 상단에서 측면으로 변경하고 AFM 팁 ATEC를 초기 AFM 팁 ARROW로 교체한 경우에도 유사한 결과가 얻어졌습니다(그림 5.c, 파란색 점). SPV 값은 상단 조명 및 ARROW-EFM 팁을 사용한 측정에 비해 크게 증가했지만 유사한 기울기(~1.3-1.4)를 유지하면서 참조 값 미만으로 유지됩니다. 이 섀도잉 효과는 이 구성의 경우 SPV가 전체 장치의 광전압을 이미지화하기 때문에 완성된 장치의 경우 관찰할 수 없었습니다. 수천 개의 나노와이어가 ITO 전면 접점에 의해 함께 연결되어 있습니다.

V _OC dev 1(a ) 및 개발자 2(b )

SPV 대 격리된 RJ NW에서 얻은 광 전력. 측정은 다양한 AFM 팁 모양(ARROW-EFM 및 ATEC-EFM)과 다양한 조명 방향(상단 및 측면)으로 수행되었습니다. 참조 RJ 디바이스는 도 4a에 도시된 디바이스 1을 지정한다. 오른쪽 하단의 AFM 이미지는 고립된 NW에서 측정된 지형의 예를 보여줍니다.

이러한 결과를 보완하기 위해 여러 개의 격리된 장치 위에서 정성적 SPS 분석을 수행한 다음 완성된 장치 위에서 수행했습니다. 그림 6.a는 얻은 SPV 스펙트럼을 전체 스펙트럼에 걸쳐 명확한 차이로 표시합니다. 완성된 장치가 근적외선(NIR) 영역에서 무시할 수 있는 SPV(~10mV)를 나타내고 SPV 임계값이 약 800nm에서 발생하고 그 이하에서 SPV가 급격히 증가하여 630에서 최대 560mV에 도달한다는 점을 강조하는 것은 흥미롭습니다. nm. 반대로, 격리된 장치 묶음은 NIR(800-1000nm)에서 80-260mV의 상당한 SPV를 나타내며, 이는 파장이 감소함에 따라 점진적으로 증가하며 665nm의 경우 최대 435mV입니다. 665 nm 및 630 nm 미만에서 두 SPV 곡선은 파장이 감소함에 따라 감소하며, 이는 이 설정에 사용된 할로겐 램프의 복사조도의 예상 감소와 관련될 수 있습니다(위에서 언급한 바와 같이, 여기서 SPS 접근법은 플럭스가 불가능하기 때문에 정성적 측정을 기반으로 합니다. 일정하게 유지). 두 번째 접근 방식에서 SPS 측정은 완성된 장치에서 수행되었으며 ITO 상단 접촉을 국부적으로 제거한 후 장치에 방울로 적용된 1% HF 용액을 사용했습니다. 그림 6.b는 이러한 측정을 보여주며 SPV 스펙트럼은 ITO를 제거한 직후와 72시간 후에 구체적으로 수집되었습니다. ITO 층의 제거는 완성된 장치와 비교할 때 SPV 스펙트럼에 큰 영향을 미칩니다. ITO 제거 직후 400-750 nm 범위에서 SPV 신호의 강한 감소가 관찰됩니다. 72시간 후 SPV 신호는 파장에 따라 2배 이상 다를 수 있는 더 높은 수준에서 안정화됩니다. 또한 SPV 신호는 더 긴 파장(λ>750nm)에서 약간 증가하는 것으로 나타났습니다. 그림 6의 SPV 스펙트럼을 비교하면 그림 6.b에 표시된 ITO 제거 후, 특히 72시간 안정화 후 NW 장치가 그림 6.a에서 분리된 NW 묶음으로 지정된 것과 유사한 상태를 나타냅니다. 후자는 ITO 코팅을 한 적이 없습니다. 또 다른 중요한 관찰은 488nm에서 측정된 SPV 신호와 관련이 있으며, 이 값은 완성된 장치보다 격리된 NW 묶음의 경우 ~1.7배 더 낮습니다. 이 관찰은 488nm에서 조명이 있는 격리된 NW RJ에서 KPFM에 의해 수행된 그림 5의 SPV 결과를 지원합니다. 실제로 AFM 팁 모양과 조명 조건의 최적화에도 불구하고 측정된 SPV 값도 조명 전력에 따라 1.5와 2 사이에서 변하는 요인에 의해 완성된 장치의 값보다 낮았습니다.

a에서 수행된 SPS 측정 완성된 장치와 격리된 SiNW 묶음; ㄴ ITO를 제거한 직후, 그리고 72 h 후에 완성된 장치

그림 6의 결과는 ITO 상단 접촉이 더 높은 SPV 값(즉, V_OC ) 그리고 더 구체적으로 핵심 포인트는 인터페이스 (n) a‑Si:H/ITO로 남아 있습니다. 이 인터페이스는 광 전송을 선호하기 위해 매우 얇은 n형 a-Si:H 층(~10nm)이 특징입니다. 이 층의 도핑 수준과 ITO 일함수는 특히 a-Si:H 층의 완전한 고갈을 유발할 수 있습니다. 따라서 ITO에서 플랫 밴드 전위에 도달하기 전에 인터페이스 전체에서 전위가 갑자기 떨어질 수 있습니다. ITO 상단 접점과의 인터페이스에서 이러한 전위 강하는 SPV 프로파일링으로 분석된 P‑I‑N a-Si:H 구조에서 이미 설명되었습니다[12, 15]. a-Si:H/결정질 Si 이종접합의 태양 전지 기술에서 초박형 a‑Si:H 층과의 동일한 인터페이스가 V에 대한 도핑 수준 및 a-Si:H 층 두께의 영향을 다시 강조하는 태양 전지 기술에서도 조사되었습니다. _OC ITO가 있는 경우와 없는 경우 [16, 17].

이전 고려 사항은 격리된 NW RJ에 대한 KPFM의 로컬 SPV 분석이 V_OC의 최적 값을 정량적으로 반영할 수 없음을 나타냅니다. ITO가 없기 때문입니다. 추출된 로컬 V_OC 여기서 n형 a-Si:H 층의 완전한 고갈과 그 산화 표면 상태의 결과로 표면 밴드 굽힘에 의해 제한됩니다. 측정된 SPV에는 V_OC가 포함될 뿐만 아니라 뿐만 아니라 n형 a-Si:H 층의 표면 근처에서 광유도 밴드 벤딩 변화[18].