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Caratterizzazione strutturale, ottica ed elettrica di film nanostrutturati di silicio-carbonio Laboratorio semiconduttori amorfi U. Coscia- G. Ambrosone.

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Presentazione sul tema: "Caratterizzazione strutturale, ottica ed elettrica di film nanostrutturati di silicio-carbonio Laboratorio semiconduttori amorfi U. Coscia- G. Ambrosone."— Transcript della presentazione:

1 Caratterizzazione strutturale, ottica ed elettrica di film nanostrutturati di silicio-carbonio Laboratorio semiconduttori amorfi U. 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 bassa barriera di potenziale
Matrici dielettriche amorfe ossido di silicio SiO2 (Eg ~9.0 eV) nitruro di silicio Si3N4 (Eg ~ 5.3 eV) silicio carbonio SiC (Eg ~2.5 eV) bassa barriera di potenziale maggiore mobilità.

6 1) Annealing ad alta temperatura di precursori amorfi:
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 ( °C) Substrati basso costo (vetro, plastica)

7 Con la tecnica PECVD è 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).

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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
Flusso di CH4 0.7 sccm Flusso di SiH4 Flusso di H2 222 sccm Temperatura del substrato 250 °C Pressione 249 Pa Distanza tra gli elettrodi 2.3 cm Potenza rf 10, 20, 30, 40, 45, 50, 60, 70, 80 W Diluizione H2 (H2/(CH4+SiH4) 158.6

11 Caratterizzazioni STRUTTURALE OTTICA ELETTRICA
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 NON SONO PRESENTI CRISTALLITI DI SiC o C
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 180 nm Film c-Si substrate 10 nm

14 Frazione cristallina e dimensioni
d=2(B/Dw)1/2

15 FILM MICROCRISTALLINI w < 30W FILM NANOSTRUTTURATI w ≥ 30 W
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 cm-1 stretching C-H cm-1 stretching Si-H cm stretching Si-C

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

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 Per tutti i film b(l) cresce in funzione di l.
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 a mediante misure di fotocorrente spettrale
ao = a(lo) = 104 cm-1

28 Calcolo del coefficiente di assorbimento a con la tecnica della fotocorrente spettrale
LA SENSIBILITA’ DELLA PC SPETTRALE 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

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38 MISURE PRESSO IL LABORATORIO DI SEMICONDUTTORI AMORFI
MISURE DI FOTOCONDUCIBILITA’ IN PRESENZA DI LUCE BIANCA E RADIAZIONE MONOCROMATICA NELL’INTERVALLO nm MISURE DI FOTOCONDUCIBILITA’ IN FUNZIONE DEL TEMPO


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