III-질화물 나노막대/Si(111) 이종접합 태양전지의 빛 트래핑 유도 높은 단락 전류 밀도

결과 및 토론

형태 및 구조적 특성

주사 전자 현미경 (SEM) 이미지의 평면도와 단면도는 성장한 나노 막대의 형태를 보여주는 그림 1a-f에 나와 있습니다. 왼쪽에서 오른쪽으로, 그림 1a-c는 20 s/30의 주기 시간에 충돌하는 다양한 In/Ga 원자를 가진 Si:GaN(샘플 A) 및 Mg:GaN/InGaN/Si:GaN의 표면 형태 변화를 나타냅니다. 50 주기 InGaN 성장 동안 각각 s(샘플 B) 및 30 s/30 s(샘플 C). Si:GaN 및 Mg:GaN/InGaN/Si:GaN 나노로드의 직경은 각각 30–100 nm 및 80–150 nm이고 면적 밀도는 ~ 7 × 10 ⁹ 입니다. cm ⁻² . 나노로드의 단면 이미지는 그림 1d–f에 나와 있으며 샘플 A ~ C에 대해 나노로드의 길이가 약 700 nm임을 나타냅니다. Mg:GaN/InGaN/Si:GaN 샘플의 개략 구조가 표시됩니다. 그림 1g에서.

a의 SEM 상위 뷰 n-GaN(샘플 A), In 및 Ga 원자 충돌 주기 시간이 b인 p-GaN/InGaN/n-GaN 20 s/30 s(샘플 B) 및 c 30 s/30 s(샘플 C). d의 SEM 단면도 샘플 A, e 샘플 B 및 f 샘플 C. g p-GaN/InGaN/n-GaN 나노로드 구조의 개략도

그림 2a는 서로 다른 소스 충돌 주기 시간 샘플에 초점을 맞춘 x-선 ta-2theta 회절 측정을 기록했습니다. 28.44°에 위치한 가장 강한 피크는 Si 기판에서 비롯됩니다. 34.56°에서 뚜렷하고 선명한 피크는 GaN(0002) 회절에 해당하며 InGaN 층에서 상 혼합이 잘 억제되었음을 나타냅니다. 샘플 B의 경우 34.22°, 샘플 C의 경우 34.13°에서 GaN(0002) 피크의 하위 2θ측 피크가 InGaN(0002)입니다. c InN과 GaN의 격자상수는 각각 5.760 Å과 5.185 Å이다[74]. 브래그의 법칙에 따라 c InGaN(0002)의 격자 상수는 샘플 B의 경우 5.23 Å, 샘플 C의 경우 5.25 Å로 계산됩니다. c 가져오기 InGaN(0002)의 격자 상수를 Vegard의 법칙에 따라 In 농도는 변형률을 고려하지 않고 시료 B의 경우 8%, 시료 C의 경우 11%로 추정할 수 있습니다. 그림 2b는 샘플 C의 저배율 TEM 이미지와 그 구조의 개략도를 보여줍니다. 영역 1 및 영역 2는 각각 n-GaN 및 InGaN 영역입니다. 영역 1에서 촬영한 SAED(selective-area electron diffraction) 패턴은 [0001] 방향이 나노로드의 장축 및 질화물 나노로드의 공통 성장 방향에 평행함을 보여줍니다. 또한, 결정에 전위가 발견되지 않는다. 그림 2 c 및 d에서 원자 분해능 TEM 이미지는 c GaN 및 InGaN의 격자 상수는 각각 5.19 Å 및 5.25 Å이며 XRD 세타-2세타 스캔을 통해 브래그의 법칙에 의해 계산된 결과와 동일합니다. 또한 c 보충 정보:그림 S1에 표시된 원자 분해능 TEM 이미지를 통해 샘플 B에 대한 InGaN의 격자 상수는 5.23 Å입니다. 또한, 인듐 분포를 나타내는 고각 환형 암시야(HAADF) 이미지와 에너지 분산 X선 분광법(EDS) 라인 스캔이 보충 정보:그림 S2에 포함되어 있습니다.

아 theta-2theta 스캔을 위한 HR-XRD 스펙트럼. InGaN 재료의 인듐 함량은 Vegard의 법칙을 사용하여 샘플 B(빨간색 곡선)의 경우 8%, 샘플 C(파란색 곡선)의 경우 11%로 추정되었습니다. ㄴ 무전위 질화물 나노로드 TEM 이미지 및 n-GaN 영역의 SAED 패턴. 이미지 아래의 단일 nanorod 개략도는 구조적 상대적 규모를 따릅니다. c의 원자 해상도 TEM 이미지 영역 1 및 d의 n-GaN 영역 2의 InGaN은 전위가 없고 c 격자 상수

전기 및 광학 특성 분석

전류 밀도 대 전압 측정은 Keithley 2400 소스 미터로 수행되었습니다. 그림 3a는 나노로드 조립 태양 전지 개략도를 표시합니다. 총 장치 면적은 0.12 mm ² 입니다. 접촉 금속을 제외한 조명 아래의 유효 면적은 0.0924 mm ² 입니다. . 광자 생성 전자를 수집하기 위해 p-GaN 상단에 100nm 투명 전도성 ITO 필름을 증착하여 나노로드와 Ti/Al/Ti/Au(20 nm/300 nm/20 nm/50 nm)를 연결합니다. ) 손가락 전극. 장치의 광전 특성 분석은 그림 3b-d와 같이 1 sun, AM 1.5G 조건에서 솔라 시뮬레이터로 수행되었습니다. 직렬 저항 R _s 그림 3b–d에서 결정된 값은 83 Ω, 250 Ω 및 2.5kΩ이고 션트 저항 R _쉿 값은 샘플 A, B 및 C에 대해 각각 413kΩ, 550kΩ 및 2 MΩ입니다. 제로 전압에서의 광전류 밀도, J_sc , _0.08 중 Ga_0.92 N 장치(샘플 B) 및 In_0.11 GA_0.89 N 장치(샘플 C)는 7.77 mA/cm ² 입니다. 및 14.96 mA/cm ² 각기. 증가하는 In 농도에 대한 광전류 향상은 J_sc를 통해 입증되었습니다. 비교. 또한, Krogstrup et al. 나노로드 태양 전지의 집광 특성은 광 흡수를 향상시키고 높은 광전류를 제공할 수 있음을 설명했습니다[64]. 개방 회로 전압(V_oc ) 및 샘플 C의 충전율(FF)은 각각 0.28 V 및 30%입니다. 여러 그룹은 또한 더 낮은 V_oc를 갖는 나노로드 구조를 시연했습니다. [72, 75, 76]. 실제로 조명된 영역에서 실제 광전지 성능을 설명하려면 유효 영역 PCE, PCE_eff , 그리드 전극 면적을 제외한 유효 면적을 기준으로 효율을 설정하는 반면, 전체 면적 PCE, PCE_tot , 전체 장치 영역을 고려합니다. PCE_tot 및 PCE_eff 값은 0.98%와 1.27%로 지금까지 보고된 질화물 나노막대 태양전지의 PCE가 더 높음을 나타냅니다. 주요 기여는 높은 J_sc에서 비롯됩니다. , 비록 V_oc 다른 III-질화물 나노막대 태양전지보다 낮다[65, 77]. 낮은 V_oc의 두 가지 가능한 이유가 있습니다. , 밴드 다이어그램을 기반으로 하는 Si 밴드갭이 1.12 eV이고 제한된 전류 경로가 표면 페르미 레벨 고정으로 인해 생성될 수 있는 p-n Si 접합에서 제한된 준 페르미 준위를 포함하여 [66]. 표 1은 J_sc를 요약합니다. , V_oc , FF 및 세 가지 샘플의 PCE 비교.

아 nanorod는 태양 전지 개략도를 조립합니다. b의 전류 밀도-전압 곡선 n-GaN/n-Si, c p-GaN/In_0.08 Ga_0.92 N/n-GaN/n-Si 및 d p-GaN/In_0.11 GA_0.89 N/n-GaN/n-Si 나노로드 조립 태양 전지 1 태양, AM 1.5G 솔라 시뮬레이터

물리적 및 전기적 특성을 이해하기 위해 밴드 다이어그램은 1D-DDCC(One Dimensional Poisson, Drift-Diffusion 및 Schrodinger Solver) 프로그램을 사용하여 계산됩니다[78]. 사용된 ITO, Si 및 GaN의 전자 친화도는 각각 4.40 eV, 4.05 eV 및 4.1 eV입니다. 그림 4a와 b는 각각 전압 바이어스가 없는 ITO/n-GaN/n-Si 밴드 다이어그램과 어두운 상태에서 J-V 곡선을 보여줍니다. ITO/n-GaN/n-Si 구조는 정류 효과가 없고 선형 J-V 프로파일을 나타냅니다. Si와 GaN 사이의 전도대 오프셋이 50 meV의 작은 값으로 예상되기 때문에 이종 인터페이스의 전위 장벽은 캐리어가 전송하기 위해 무시할 수 있습니다. 이 저항과 같은 선형 J-V 곡선은 실험 결과와 모순됩니다.

아 ITO/n-GaN/n-Si 밴드 다이어그램, b ITO/n-GaN/n-Si J-V 곡선, c ITO/n-GaN/p-Si/n-Si 밴드 다이어그램 및 d 1D-DDCC 프로그램으로 시뮬레이션한 ITO/n-GaN/p-Si/n-Si의 J-V 곡선

J-V 곡선 결과에 대한 가능한 설명은 Ga 확산이 GaN/Si 계면에서 p-Si를 유도하고 p-n 접합을 생성한다는 것입니다. Reichertz et al. [14] 및 Neplokh et al. [76]은 질화물 층의 성장 동안 실리콘 기판으로의 Al 확산을 확인했다. 붕소, Al 및 Ga는 p-Si 층 형성을 위한 도펀트가 될 수 있는 IIIB족 원소이다. 그러나 Ga 확산 속도는 700°C에서 8 nm/day입니다[79]. 그림 4c는 n-GaN과 n-Si 계면 사이에 매우 얇은(1 nm) p-Si 층을 포함하는 밴드 다이어그램을 보여줍니다. 전자를 n-Si 기판으로, 정공을 ITO 접촉층으로 유도할 수 있는 p-n Si 접합에 작은 내장 전기장이 생성됩니다. 두께 종속 J-V 곡선은 그림 4d에서 p-Si 층의 두께가 얇아지면 다이오드 턴온 전압이 감소함을 보여줍니다. 초박형 p-Si는 준 페르미 준위 분리에 대한 제한 사항이 될 것이며 V_oc 태양열 성능. p-Si 층이 포함된 시뮬레이션된 전기적 특성이 이 연구 결과에 더 가깝습니다. 따라서 Mg:GaN/InGaN/Si:GaN/p-Si/n-Si 구조의 밴드 다이어그램은 그림 5와 같은 모델로 구축할 수 있습니다. 위쪽에서 AM 1.5G 빛의 조명은 흡수로 이어집니다. InGaN 밴드갭보다 높은 에너지를 갖는 광자. 막대와 막대 사이의 공간을 통해 빛이 Si에 조사되면 Si 밴드갭보다 큰 에너지를 가진 광자도 p-n Si 기판에 흡수되어 광전류가 생성됩니다. 동시에, 단파장 광에 의해 질화물 영역에서 생성된 전자-정공 쌍은 p-i-n 접합 내장 전계에 의해 분리된다. 결국, 광 생성 캐리어는 Mg:GaN에 대한 상부 ITO(인듐 주석 산화물) 접촉 및 하부 Si n-접촉을 통해 수집될 수 있습니다. 이 구조 모델을 기반으로 ITO 접촉에 의해 도입된 쇼트키 장벽을 고려한 J-V 곡선 시뮬레이션은 그림 5b에 나와 있습니다. 시뮬레이션된 J-V 곡선은 S자 모양이 p-접점의 비저항 거동으로 인해 발생함을 나타냅니다. 이것이 그림 3의 c와 d에서 Mg:GaN/u-InGaN/Si:GaN(샘플 B와 C)에 존재하는 S자 모양을 설명할 수 있는 이유이다. 따라서 네거티브 바이어스(J_{네거티브 바이어스(− 0.5 V)}에서 전류 밀도 ) S자 모양이 평평해진 경우는 표 S2에 나와 있습니다. J_{부정적 편향} 추가 최적화 및 목표 값을 위한 체크 포인트가 될 수 있습니다.

아 1D-DDCC 프로그램으로 시뮬레이션한 p-n Si 태양전지 밴드 다이어그램의 p-i-n 질화물 나노로드. ㄴ p-n Si 태양 전지의 p-i-n 질화물 나노로드의 J-V 곡선 시뮬레이션

Si:GaN/n:Si(샘플 A), Mg:GaN/u-In_{0.08 Ga0.92 N/Si:GaN(샘플 B) 및 Mg:GaN/u-In0.11 GA0.89 N/Si:GaN(샘플 C). 샘플 C는 InGaN 층의 흡수로 인해 단파장에서 더 높은 값의 원인이 될 수 있는 더 높은 In 농도를 가지고 있습니다. 샘플 A, B 및 C의 최대 EQE는 각각 32%, 55% 및 63%입니다. 그림 6b에 표시된 Si 웨이퍼, 샘플 A, B 및 C의 반사 스펙트럼과 비교할 때 EQE의 진동과 반사 스펙트럼은 서로 다른 층의 간섭으로 인한 것입니다. 베어 Si 웨이퍼는 평평한 표면으로 인해 반사율이 가장 높습니다. 샘플 A, B, C는 나노로드 구조가 빛을 포착하는 효과가 있기 때문에 반사율이 낮습니다. 샘플 C는 장파장에서 가장 높은 EQE를 갖고 가장 높은 광 포획 효과로 인해 가장 낮은 반사율을 갖는 것으로 밝혀졌습니다. 이 결과는 샘플 C에서 생성된 더 높은 광전류를 설명할 수 있습니다. 샘플 B와 샘플 C의 실온(RT, 300 K) 광발광(PL) 스펙트럼이 그림 6c에 나와 있습니다. 3.40 eV에 위치한 가장 높은 피크는 GaN NBE(near band edge) 방출입니다. 3.09 eV 및 3.03 eV에 위치한 피크는 In0.08로 인한 것입니다. Ga0.92 N 및 In0.11 GA0.89 N NBE 방출. 결과는 RT에서 3.1 eV 및 3.0 eV의 보잉 방정식 계산 값과 유사합니다[4]. 또한 EQE 및 반사 스펙트럼과 동일한 강력한 Fabry-Perot 진동(별 기호로 표시)을 보여주며 각 레이어/표면 사이의 부드러운 인터페이스를 나타냅니다.}

아 3개의 질화물 나노로드/Si 샘플의 외부 양자 효율 스펙트럼. ㄴ 베어 Si 웨이퍼와 3개의 질화물 나노로드/Si 샘플의 반사 스펙트럼. ㄷ 두 개의 InGaN 샘플의 실온 광발광 스펙트럼