Μελέτη νανοδομών πυριτίου για εφαρμογές φωτοβολταϊκών διατάξεων
Authors: Μανουσιάδης Παύλος 
Published: August 2021

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. 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 Si 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 Si, ενώ στο πειραματικό μέρος γίνεται η παρουσίαση των λεπτομερειών κατασκευής και των αποτελεσμάτων της μορφολογικής μελέτης.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 βοήθεια των οποίων μελετήθηκαν οι οπτικές τους ιδιότητες και 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 Si παρουσιάζει αυξημένο συντελεστή απορρόφησης σε σχέση με αυτόν του κρυσταλλικού Si.•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 Si, 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 Si.•Παρατήρηση του φαινομένου περιορισμού ρεύματος λόγω φορτίων χώρου.•Παρατήρηση του φαινομένου φραγής Coulomb για τους μικρότερους νανοκρυσταλλίτες, για θερμοκρασίες 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 Si. Τα κύρια αποτελέσματα έχουν ως εξής: •Ερμηνεία των μηχανισμών της φωτοαγωγιμότητας.•Παρατηρήθηκε η εξάρτηση μεταξύ του φωτορεύματος και του μεγέθους των νανοκρυσταλλιτών.•Ο χρόνος ζωής 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.