Ο στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η µελέτη των ιδιοτήτων που παρουσιάζουν οι
νανοκρυσταλλίτες πυριτίου µε στόχο την εφαρµογή τους σε φωτοβολταϊκές
διατάξεις. Το φάσµα των ιδιοτήτων οι οποίες εξετάστηκαν στο πλαίσιο της
διατριβής περιλαµβάνει τις δοµικές, οπτικές, οπτικοηλεκτρονικές ιδιότητες,
καθώς και φαινόµενα µεταφοράς σε συστοιχίες νανοκρυσταλλιτών σε µονοστρωµατική
ή πολυστρωµατική διάταξη. Επίσης κατασκευάσθηκε και µελετήθηκε φωτοβολταϊκή
διάταξη Si µε στόχο τη µελλοντική ενσωµάτωση σε αυτή νανοκρυσταλλιτών Si.
Οι ιδιότητες των νανοκρυσταλλιτών πυριτίου είναι πολύ διαφορετικές από αυτές
του εκτεταµένου κρυσταλλικού πυριτίου. Οι ιδιότητες αυτές εξαρτώνται σηµαντικά
από τη διάστασή τους. Για διαστάσεις κάτω από µερικά νανόµετρα, οι
νανοκρυσταλλίτες πυριτίου παρουσιάζουν φαινόµενα κβαντικού εντοπισµού των
φορέων, καθώς και φαινόµενα φόρτισης και φραγής Coulomb. Μακροσκοπικά
εµφανίζουν αυξηµένη φωτοεκποµπή στο ορατό φάσµα σε ερµοκρασία περιβάλλοντος
και αυξηµένο συντελεστή απορρόφησης, ο οποίος εξαρτάται από τις διαστάσεις τους.
Στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής γίνεται αρχικά µια εισαγωγή στα
φωτοβολταϊκά συστήµατα και στοιχεία, και στη συνέχεια γίνεται βιβλιογραφική
παρουσίαση των εφαρµογών των νανοκρυσταλλιτών πυριτίου για κατασκευή φθηνότερων
και πιο αποδοτικών φωτοβολταϊκών στοιχείων.
Το δεύτερο κεφάλαιο επικεντρώνεται στην παρασκευή των προς µελέτη δειγµάτων.
Παρουσιάζεται αρχικά µια σύνοψη των διαφόρων τεχνικών παρασκευής και οξείδωσης
νανοκρυσταλλιτών Si. Ακολουθεί επίσης η παρουσίαση των τεχνικών χαρακτηρισµού
των δοµικών και µορφολογικών ιδιοτήτων των υµενίων νανοκρυσταλλικού πυριτίου,
ενώ στο πειραµατικό µέρος γίνεται η παρουσίαση των λεπτοµερειών κατασκευής και
των αποτελεσµάτων της µορφολογικής µελέτης των δειγµάτων.
Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση του φαινοµένου της απορρόφησης στους
ηµιαγωγούς γενικότερα και στους νανοκρυσταλλίτες ηµιαγωγών ειδικότερα. Στο
πειραµατικό µέρος γίνεται η παρουσίαση των οργάνων µε τη οήθεια των οποίων
µελετήθηκαν οι οπτικές τους ιδιότητες και στη συνέχεια ακολουθεί η παρουσίαση
των αποτελεσµάτων. Τα κύρια αποτελέσµατα από τις οπτικές µετρήσεις έχουν ως
εξής :
-Η παρατήρηση του φαινοµένου του κβαντικού εντοπισµού στις δοµές.
- Βρέθηκε ότι το νανοκρυσταλλικό πυρίτιο παρουσιάζει αυξηµένο συντελεστή
απορρόφησης σε σχέση µε αυτόν του κρυσταλλικού πυριτίου.
-Υπολογίστηκαν οι συντελεστές διάθλασης των δειγµάτων.
-Παρατηρήθηκε το φαινόµενο της φωτοφωταύγειας σε µερικά από τα δείγµατα.
Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται αναλυτική µελέτη των βασικών φαινοµένων ηλεκτρικής
µεταφοράς φορέων σε συστοιχίες νανοκρυσταλλιτών σε µονοστρωµατικά και
πολυστρωµατικά λεπτά υµένια. Η µελέτη αυτή αγωγιµότητας των υµενίων είναι πολύ
σηµαντική εν όψει των εφαρµογών τους σε φωτοβολταϊκές διατάξεις. Εγινε
συστηµατική µελέτη των µηχανισµών αγωγιµότητας στους νανοκρυσταλλίτες πυριτίου,
παρουσιάζονται δε η θεωρία, τα αποτελέσµατα και τα συµπεράσµατα του ηλεκτρικού
χαρακτηρισµού. Τα κύρια αποτελέσµατα από τη µελέτη αυτή έχουν ως εξής :
- Ερµηνεία της αγωγιµότητας στο νανοκρυσταλλικό πυρίτιο.
- Παρατήρηση του φαινοµένου περιορισµού εύµατος λόγω φορτίων χώρου.
-Παρατήρηση του φαινοµένου φραγής Coulomb για τους µικρότερους
νανοκρυσταλλίτες, για ερµοκρασίες µικρότερες των 200 Κ.
Στο πέµπτο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση των οπτικοηλεκρονικών τους ιδιοτήτων.
Συγκεκριµένα γίνεται η περιγραφή της θεωρίας της φωτοαγωγιµότητας και των
πειραµατικών αποτελεσµάτων µελέτης στους νανοκρυσταλλίτες πυριτίου. Τα
σηµαντικότερα αποτελέσµατα της µελέτης περιλαµβάνουν την έρευνα γύρω από το
µηχανισµό της φωτοαγωγιµότητας και την εύρεση διαφόρων πειραµατικών παραµέτρων
οι οποίες είναι σηµαντικές για την κατασκευή των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Τα
κύρια αποτελέσµατα έχουν ως εξής :
-Ερµηνεία των µηχανισµών της φωτοαγωγιµότητας.
-Παρατηρήθηκε η εξάρτηση µεταξύ του φωτορεύµατος και του µεγέθους των
νανοκρυσταλλιτών.
-Ο χρόνος ωής των φωτο-διεγερµένων φορέων είναι µερικές δεκάδες µsec και η
επανασύνδεση είναι γραµµικού τύπου.
Η διατριβή κλείνει µε την περιγραφή της κατασκευής πρωτότυπης πειραµατικής
φωτοβολταϊκής διάταξης Si και τη µελέτη µεθόδων µεγιστοποίησης της απόδοσής
της. Η διάταξη αυτή µπορεί να χρησιµοποιηθεί στη συνέχεια για την ενσωµάτωση
νανοκρυσταλλιτών Si µε στόχο την περαιτέρω βελτίωση των χαρακτηριστικών της.
(EL)
The present thesis was devoted to the investigation of the different properties
of Si nanocrystals that are of interest for their use in solar cells. The
properties that were studied involve structural, optical and optoelectronic
properties, as well as electrical transport phenomena in single- and multilayer
arrays of Si nanocrystals. Finally, a novel Si-based photovoltaic cell was
studied and fabricated, with the objective of its future use in combination
with Si nanocrystals.
The properties of Si nanocrystals are very different from those of bulk Si and
they are highly dependent on crystal size. For sizes below few nm, Si
nanocrystals show quantum confinement, charging and Coulomb blockade effects.
Macroscopically, they show enhanced light emission in the visible range at room
temperature and enhanced absorption, both depending on nanocrystal size.
The first chapter of the present thesis is devoted to an introduction to
photovoltaic systems and to a bibliographic presentation of the use of Si
nanocrystals in efficient photovoltaic devices.
The second chapter is devoted to sample preparation. We first give an overview
of the different techniques used to form Si nanocrystals and oxidise them. We
then present the characterisation techniques used in the present thesis for the
structural and morphological characterisation of the nanocrystal arrays,
together with the obtained results for the sample structure and morphology.
Chapter three is devoted to the absorption in semiconductors in general and
more specifically in Si nanocrystals. The main results from this study are as
follows:
-Observation of the quantum confinement phenomenon.
-It was found that the nanocrystalline silicon shows increased absorption
coefficient compared with the crystalline silicon.
-The refractive indexes of the samples were calculated.
-The phenomenon of the photoluminescence was observed in some samples.
Chapter four is devoted to the extended study of electrical transport phenomena
in arrays of Si nanocrystals arranged in single and multilayered structures.
This study is very relevant for the use of Si nanocrystals in solar cell
devices. We present the different mechanisms involved and conclusions are drawn
for the specific nanocrystal layers studied. The main results are as follows:
-Interpretation of the conductivity in nanocrystalline silicon.
-Observation of the space charge limited current.
-Observation of Coulomb blockade in the smaller Si nanocrystals for
temperatures lower than 200 K.
In chapter five the optoelectronic properties of Si nanocrystals are presented.
More specifically, the theory of photo-transport is reviewed, together with the
main results obtained within the thesis on the mechanism of phototransport and
the different parameters that are relevant for photovoltaics. The main
conclusions from this study are as follows:
-Interpretation of the photoconductivity mechanisms.
-Observation of the dependence between the photoconductivity and the dimensions
of the nanocrystals.
-The life time of the photo-excited carriers was found to be few µsec and the
recombination was of linear type.
The last part of the thesis is devoted to the fabrication of a novel Si-based
solar cell and the optimization of its performance. The specific solar cell can
be used in combination with Si nanocrystals for optimization of its performance
through "down shifting".
(EN)
Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών
