Νανονήματα Si για φωτοβολταϊκές διατάξεις
Authors: Λεοντής Ιωάννης 
Published: September 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ενσωμάτωση συστοιχίας κάθετων νανονημάτων Si στην επιφάνεια του εκπομπού φωτοβολταϊκής διάταξης μονοκρυσταλλικού Si, για χρήση ως αντιανακλαστικό στρώμα, με σκοπό την αύξηση της οπτικής απορρόφησης της διάταξης. Προς την κατεύθυνση αυτή αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν συστοιχίες πορωδών και συμπαγών κάθετων νανονημάτων Si μέσω χημικής εγχάραξης Si καταλυόμενης από μέταλλο (MACE). Eπίσης παρασκευάσθηκαν και μελετήθηκαν φωτοβολταϊκές διατάξεις μονοκρυσταλλικού Si με ενσωματωμένη συστοιχία κάθετων νανονημάτων Si στην επιφάνεια του εκπομπού τους.Πιο αναλυτικά, στην αρχή της παρούσας διατριβής γίνεται μια σύντομη αναφορά στις ιδιότητες των νανονημάτων Si, καθώς και στις βασικές τεχνικές ανάπτυξης νανονημάτων Si σε υπόστρωμα κρυσταλλικού Si, δίνοντας έμφαση στα πλεονεκτήματα που προσφέρει η τεχνική της καταλυόμενης από μέταλλο εγχάραξης του Si έναντι των υπολοίπων. Eπίσης γίνεται μία σύντομη αναφορά στους κύριους μηχανισμούς της MACE, όπως οι βασικές χημικές αντιδράσεις αυτής, ο ρόλος του μετάλλου σε αυτήν, καθώς και οι βασικές παράμετροι που επηρεάζουν την ανάπτυξη των νημάτων, όπως η σύσταση του διαλύματος και η θερμοκρασία εγχάραξης.Στο πειραματικό μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής αρχικά μελετώνται οι εγγενείς ιδιότητες νανονηματων Si, ανεπτυγμένων στην επιφάνεια μονοκρυσταλλικού υποστρώματος Si μέσω καταλυόμενης από μέταλλο χημικής εγχάραξης του Si (MACE). Πιο αναλυτικά, σχετικά με τα νανονήματα Si ανεπτυγμένα σε υπόστρωμα Si χαμηλής ειδικής αντίστασης, παρατηρήθηκε ότι παρουσιάζουν πλήρη μεσοπορώδη δομή, η οποία μελετήθηκε μέσω φασμάτων φωτοφωταύγειας. Παράλληλα, κατασκευάσθηκαν και μελετήθηκαν τρισδιάστατες δομές μετάλλου/διηλεκτρικού/ημιαγωγού (MIS) μετά από εναπόθεση 10nm Al2O3 και 500nm Al σε επιφανειακά τροποποιημένα, αλλά και μη τροποποιημένα, συμπαγή νανονήματα ανεπτυγμένα μέσω MACE σε n και p-τύπου Si μεσαίας ειδικής αντίστασης. Σκοπός αυτής της διερεύνησης ήταν η μελέτη της αύξησης της πυκνότητας χωρητικότητας των παρασκευασμένων πυκνωτών, λόγω της αυξημένης επιφάνειας των νανονημάτων, αλλά κυρίως η αξιολόγηση της χημικής επιφανειακής επεξεργασίας των νημάτων μέσω διαδοχικών κύκλων piranha/HF, καθώς και η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τις εγγενείς ιδιότητες των επιφανειακά τροποποιημένων συμπαγών νανονημάτων. Η παραπάνω μελέτη επέδειξε ότι τα νανονήματα ανεπτυγμένα μέσω MACE σε p-τύπου Si μεσαίας ειδικής αντίστασης, αν και συμπαγή, παρουσιάζουν ένα επιφανειακό νανοπορώδες στρώμα, το οποίο μετά από 3 διαδοχικούς κύκλους piranha/HF διαλύεται εντελώς. Αντιθέτως, τα νανονήματα ανεπτυγμένα μέσω MACE σε n-τύπου Si, μεσαίας ειδικής αντίστασης, δεν παρουσιάζουν κάποιο πορώδες επιφανειακό στρώμα, ακόμη και πριν τη χημική επιφανειακή επεξεργασία τους, παρά μόνον αυξημένη επιφανειακή τραχύτητα, η οποία επίσης μειώνεται μετά από δύο διαδοχικούς κύκλους piranha/HF.Λόγω των παραπάνω αποτελεσμάτων, τα συμπαγή νανονήματα Si σε n-τύπου Si μεσαίας ειδικής αντίστασης κρίθηκαν καταλληλότερα για τη χρήση τους ως αντιανακλαστικό στρώμα σε φωτοβολταϊκές διατάξεις μονοκρυσταλλικού Si, καθώς εισάγουν μικρότερο αριθμό επιφανειακών κέντρων επανασύνδεσης φορέων. Ως εκ τούτου παρασκευάσθηκαν n-τύπου φωτοβολταϊκές διατάξεις με ενσωματωμένη συστοιχία νανονημάτων Si σε όλη την επιφάνεια του εκπομπού τους. Η δημιουργία της p-n επαφής στις διατάξεις πραγματοποιήθηκε με την τεχνική Spin-On-Doping μετά από την ανάπτυξη συστοιχίας κάθετων νανημάτων Si στην επιφάνεια του εκπομπού. Η μελέτη των παρασκευασμένων φωτοβολταϊκών διατάξεων με νανονήματα Si επέδειξε ότι, αν και παρουσιάζουν αυξημένη φωτοβολταϊκή απόδοση σε σχέση με την επίπεδη διάταξη χωρίς νήματα, η βελτίωση της λειτουργίας τους οφείλεται κυρίως στηχαμηλή ανακλαστικοτήτα των νημάτων, καθώς οι φωτοβολταϊκές διατάξεις με νανονήματα παρουσιάζουν αυξημένη σειριακή αντίσταση και χειρότερα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά από αυτά της επίπεδης διάταξης. Τέλος, για την περαιτέρω βελτίωση των φωτοβολταϊκών χαρακτηριστικών των διατάξεων με νανονήματα, δοκιμάστηκε μια νέου τύπου φωτοβολταϊκή διάταξη, στην οποία οι μπροστά μεταλλικές επαφές αναπτύχθηκαν σε συμπαγές Si, ενώ νανονήματα Si αναπτύχθηκαν μόνο στις περιοχές του εκπομπού, οι οποίες είναι οπτικά ενεργές. Αυτή η νέου τύπου φωτοβολταϊκή διάταξη επέδειξε βελτίωση σχεδόν όλων των φωτοβολταϊκών παραμέτρων σε σχέση με την αντίστοιχη διάταξη με νανονήματα σε όλη την επιφάνεια του εκπομπού, με τελική φωτοβολταϊκή απόδοση 13.5%.