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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 Matrici dielettriche amorfe ossido di silicio SiO 2 (E g ~9.0 eV) nitruro di silicio Si 3 N 4 (E g ~ 5.3 eV) silicio carbonio SiC (E g ~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 ( °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 (SiH 4 +CH 4 ) 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 Gas:SiH 4 +CH 4 1)Decomposizione SiH 4 = SiH 3 +H e CH 4 =CH 3 +H 2) SiH 3, CH 3 interagiscono con la superficie 3) Formazione a:SiC:H Gas: SiH 4 +CH 4 +H 2 Alta concentrazione di H atomico Ricopre la superficie Rompe i legami deboli (amorfi) Legami Si-Si forte Nucleazione Effetto alta diluizione H 2 CH 3 a-SiC:H

10 Flusso di CH sccm Flusso di SiH sccm Flusso di H sccm Temperatura del substrato250 °C Pressione249 Pa Temperatura del substrato250 °C Distanza tra gli elettrodi2.3 cm Potenza rf10, 20, 30, 40, 45, 50, 60, 70, 80 W Diluizione H 2 (H 2 /(CH 4 +SiH 4 )158.6 Parametri di deposizione

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

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

13 180 nm Film c-Si substrate 10 nm

14 Frazione cristallina e dimensioni  

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

16 Spettri IR s Regioni di assorbimento di interesse cm -1 stretching C-H cm -1 stretching Si-H cm -1 stretching Si-C SPETTRI IR

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

19 Calcolo dell’energia di gap E g

20 L’ aumento di E g è correlato alla dimensione dei cristalliti EFFETTO DI CONFINAMENTO QUANTICO

21 Confinamento quantico per nanocristalli di dimensioni < 10 nm E g-bulk = (1.7 ± 0.4) eV C = (1.8 ± 0.3) eVnm 2 R = 0.98

22 MISURE DI FOTOCONDUCIBILITA’

23  d film nanostrutturati >  d film silicio carbonio amorfo FASE NANOCRISTALLINA DI Si  d film nanostrutturati >  d film silicio carbonio amorfo FASE NANOCRISTALLINA DI Si Fotosensività (  ph /  d ) film nanostrutturati > 100 MIGLIORE RISPOSTA ALLA RADIAZIONE INCIDENTE Fotosensività (  ph /  d ) film nanostrutturati > 100 MIGLIORE RISPOSTA ALLA RADIAZIONE INCIDENTE Fotoconducibilità in presenza di luce bianca P = 100 mW/cm 2

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

25 Fotoconducibilità spettrale F=P  /hc

26 Per tutti i film  cresce in funzione di   film nc >  film  c

27    =  ( o ) = 10 4 cm -1 Determinazione del coefficiente di assorbimento  mediante misure di fotocorrente spettrale

28 LA SENSIBILITA’  DELLA PC SPETTRALE E’ MAGGIORE DI BEN 4 ORDINI DI GRANDEZZA rispetto a quella di una misura spettrofotometrica Calcolo del coefficiente di assorbimento  con la tecnica della fotocorrente spettrale

29  (  -SiC) ≈  ( c-Si )  (nc-SiC ) >  (c-Si) in UV-Vis >  (a-SiC) in IR all’aumentare di w  (nc:SiC)   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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