migliore efficienza di drogaggio migliori propriètà di trasporto

1. Caratterizzazione strutturale, ottica ed elettrica di film nanostrutturati di silicio-carbonioLaboratorio semiconduttori amorfiU. Coscia- G. Ambrosone

2. I materiali costituiti da nanocristalli (nc) di silicio immersi in una matrice dielettrica consentono: • migliore efficienza di drogaggio • migliori propriètà di trasporto • minore degradazione delle prestazioni all’esposizione alla luce

3. I nanocristalli con dimensioni < 10 nm si comportano come quantum dots a causa del confinamento quantico dei portatori di carica in tre dimensioni. La presenza dei quantum dots permette : Modifica della struttura a bande(formazione di minibande e allargamento della band-gap) Trasporto di cariche per tunneling( mobilità dei portatori dipendente dall’ altezza della barriera e dalla distanza intercorrente tra i quantum dots)

4. TRIPLE JUNCTION SOLAR CELL EFFICIENCY> 20 %

5. Matrici dielettriche amorfe ossido di silicioSiO2(Eg ~9.0 eV)nitruro di silicioSi3N4(Eg ~ 5.3 eV)silicio carbonioSiC(Eg ~2.5 eV) bassa barriera di potenziale maggiore mobilità.

6. Sistemi deposizione 1) Annealing ad alta temperatura di precursori amorfi: nc-Si immersi in una matrice di SiC sono stati ottenuti mediante trattamento termico a ~1100°C di SiC amorfo deposto per magnetron cosputtering. 2) Deposizione diretta con sistema plasma enhanced chemical vapour deposition PECVD LIMITI: Piccola area di deposizione (1 cm x 1 cm) Alta temperatura di annealing (>1000 °C) (Substrato ad alto costo-Diffusione di impurezze) VANTAGGI : Larga area di deposizione (>30 cm x 30 cm) Bassa temperatura di deposizione (150-400°C) Substrati basso costo (vetro, plastica)

7. Con la tecnica PECVDè possibile • deporre direttamente film nano-strutturati di silicio-carbonio a basse temperature, usando una miscela di silano-metano (SiH4+CH4) altamente diluita in idrogeno • È possibile controllare la dimensione dei cristalli durante la crescita variando opportunamente la potenza di radiofrequenza (rf).

9. Effetto alta diluizione H2 a-SiC:H CH3 Gas: SiH4+CH4+H2 Alta concentrazione di H atomico • Gas:SiH4+CH4 • Decomposizione • SiH4 = SiH3+H e CH4 =CH3+H • 2) SiH3 , CH3 interagiscono con la superficie Ricopre la superficie Rompe i legami deboli (amorfi) 3) Formazione a:SiC:H Legami Si-Si forte Nucleazione

10. Parametri di deposizione

11. Caratterizzazioni microscopioRaman inVia Reflex della Renishaw spettri Raman STRUTTURALE spettrofotometro Perkin Elmer 2000 FTIR spettri IR spettri di trasmittanza e riflettanza nella regione UV- Vis-NIR spettrofotometro Perkin Elmer Lambda 900 OTTICA lampada alogena elettrometro Keithley fotoconducibilità in presenza di luce bianca ELETTRICA Apparato fotoconducibilità (monocromatore, lock-in..) o Filtri interferenziali fotoconducibilità spettrale

12. Spettri Raman w < 30 W PRESENZA DI UNA FASE CRISTALLINA w ≥ 30W PRESENZA DI UNA FASE NANOCRISTALLINA NON SONO PRESENTI CRISTALLITI DI SiC o C

13. Immagini TEM Film 180 nm c-Si substrate 10 nm

14. Frazione cristallinae dimensioni d=2(B/Dw)1/2

15. FILM MICROCRISTALLINI w < 30W frazione cristallina > 50 % dimensioni cristalliti d≈ 20 nm FILM NANOSTRUTTURATI w ≥ 30 W frazione cristallina < 50% dimensioni cristalliti d< 10 nm

16. Spettri IR s SPETTRI IR Regioni di assorbimento di interesse 2800-3100 cm-1stretching C-H 2000-2100 cm-1stretching Si-H 700-800 cm-1stretching Si-C

17. IL CARBONIO SI LEGA PREFERENZIALMENTE AL SILICIO ED E’ PRESENTE SOLO NELLA MATRICE DIELETTRICA AMORFA Concentrazione dei legami Si-H e Si-C

18. Spettro di trasmittanza di un film di SiC Indice di rifrazione nf nf( w) diminuisce da 3.4 a 2.9 Spessore d d varia tra 250 e 400 nm

19. Calcolo dell’energia di gap Eg

20. L’ aumento di Eg è correlato alla dimensione dei cristalliti EFFETTO DI CONFINAMENTO QUANTICO

21. Confinamento quantico per nanocristalli di dimensioni < 10 nm Eg-bulk= (1.7±0.4) eV C = (1.8±0.3)eVnm2 R = 0.98

22. MISURE DI FOTOCONDUCIBILITA’

23. Fotoconducibilità in presenza di luce bianca P = 100 mW/cm2 s d film nanostrutturati > sd film silicio carbonio amorfo FASE NANOCRISTALLINA DI Si Fotosensività (sph/sd) film nanostrutturati > 100 MIGLIORE RISPOSTA ALLA RADIAZIONE INCIDENTE

24. parametro di ricombinazione dei portatori fotogenerati NEI FILM NANOCRISTALLINI LA RICOMBINAZIONE HA INFLUENZA MINORE SULLE PROPRIETA’ DI TRASPORTO

25. Fotoconducibilità spettrale F=Pl /hc

26. b(l) film nc > b(l) film mc Per tutti i film b(l) cresce in funzione di l.

27. Determinazione del coefficiente di assorbimento amediante misure di fotocorrente spettrale ao = a(lo) = 104 cm-1

28. Calcolo del coefficiente di assorbimento acon la tecnica della fotocorrente spettrale LA SENSIBILITA’DELLA PCSPETTRALE E’ MAGGIORE DI BEN 4 ORDINI DI GRANDEZZA rispetto a quella di una misura spettrofotometrica

29. (m-SiC) ≈a ( c-Si ) • (nc-SiC ) > a (c-Si) • in UV-Vis > a (a-SiC) in IR • all’aumentare di w • a (nc:SiC)  a(a-SiC)

30. E’ possibile deporre direttamente film nanostrutturatti di silicio-carbonio con la tecnica PECVD a basse temperature (250°C) • E’ possibile controllare le dimensioni dei cristalliti variando la potenza di deposizione durante la crescita del film. • Le proprietà di assorbimento e le proprietà di fotoconducibilità nella regione UV-Vis-NIR e la possibilità di modulare l’energia di gap attraverso il controllo delle dimensioni dei cristalli di silicio rendono i film nanostrutturati di SiC potenziali candidati per la realizzazione di celle fotovoltaiche ad alta efficienza.

31. GENERAZIONE E RICOMBINAZIONE DELLE CARICHE DETERMINAZIONE DEI TEMPI DI VITA MEDIA

38. MISURE PRESSO IL LABORATORIODI SEMICONDUTTORI AMORFI MISURE DI FOTOCONDUCIBILITA’ IN PRESENZA DI LUCE BIANCA E RADIAZIONE MONOCROMATICA NELL’INTERVALLO 365-1200 nm MISURE DI FOTOCONDUCIBILITA’ IN FUNZIONE DEL TEMPO