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文献类型

2 篇 学位论文

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2 篇 电子文献
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2 篇 理学
- 2 篇 物理学
2 篇 工学
- 2 篇 材料科学与工程（可...
- 1 篇 电子科学与技术（可...

主题

2 篇 光学吸收
2 篇 氢化纳米硅薄膜/单...
1 篇 氢化纳米硅
1 篇 光电流
1 篇 红外探测器
1 篇 光电导
1 篇 隧穿系数
1 篇 氢化纳米硅薄膜
1 篇 量子点粒径分布

机构

2 篇 上海交通大学

作者

1 篇 徐超
1 篇 张榕

语言

2 篇 中文

检索条件"主题词=氢化纳米硅薄膜/单晶硅异质结"

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详细简洁

排序：

氢化纳米硅薄膜光电导性质研究

氢化纳米硅薄膜光电导性质研究

引用

作者：张榕上海交通大学

学位级别：博士

本文主要是利用红外光谱实验研究氢化纳米硅薄膜(nc-Si:H)的光电响应特性,特别是氢化纳米硅薄膜内部特殊的微观结构对光生载流子产生和收集的影响。在传统的单晶硅(c-Si)材料中,光生载流子的产生效率比直接带隙半导体材料小很多。主要... 详细信息

本文主要是利用红外光谱实验研究氢化纳米硅薄膜(nc-Si:H)的光电响应特性,特别是氢化纳米硅薄膜内部特殊的微观结构对光生载流子产生和收集的影响。在传统的单晶硅(c-Si)材料中,光生载流子的产生效率比直接带隙半导体材料小很多。主要是因为单晶硅的间接带隙使得光电子的跃迁过程需要借助声子辅助作用才能满足光电子跃迁前后的动量守恒条件。对于成熟的硅材料而言,其光电子跃迁过程的声子辅助作用,主要是取决于材料内部的微观晶格结构。目前研究已经发现硅材料中的晶格长程有序结构的破缺是提高其光学吸收性能的有效途径之一,从而可以改善硅材料的光电子跃迁几率。我们使用化学腐蚀方法和气相沉积等方法,可以生长出长程有序破缺的硅材料,如多孔硅,非晶硅和多晶硅等形式。这些新型硅半导体材料,如多晶硅薄膜和非晶硅薄膜,可以通过低温条件下硅薄膜材料的技术来生长,它们不仅有效地改善了单晶硅材料的光电子性能,还大大降低了硅光电子器件的成本。目前,多晶硅薄膜和非晶硅薄膜被广泛应用于制作薄膜晶体管和太阳能电池等光电子半导体器件。对于这些硅薄膜材料,光学吸收过程的电子跃迁中准动量守恒选择定则的限制已经破坏,因而具有较强的光学吸收和发光等光学性能。然而,为了改善硅薄膜材料的光学性能,我们引入了大量不完整的和无序的晶格结构,这给光生载流子的输运和收集带来很多不利影响,不仅导致光电转化过程中光生载流子收集效率很低,而且还会产生光电导不稳定性和退化现象。基于上述当前硅光电子器件的现状,我们希望能够在保证硅材料的光生载流子产生效率的前提下,同时提高其光生载流子的输运电导,这样才可以保证光电导的有效提高。为此,我们首先在玻璃衬底上制备出氢化纳米硅薄膜(以下简称为nc-Si:H/glass薄膜),其中包含有高密度的纳米尺寸的晶粒和带有微小纳米量级空洞的晶界。该样品破坏了单晶硅的长程有序,从而提高光生载流子的效率,另外,其纳米量级的尺寸接近于电子的波长,因而不会严重地影响载流子的电导输运特性。研究表明在nc-Si:H薄膜中光电子跃迁过程明显不同于单晶硅材料中的间接跃迁过程,前者具有较高的光电子跃迁几率和较强的光学吸收。另外,在玻璃衬底上制备的nc-Si:H薄膜中就足以观测到较大的光电导增益,可以接近甚至高于单晶硅材料。该材料中观察到的强光电导响应有望可以应用在红外光探测器及成像器件上。在光电导实验结果的基础上,我们进一步从理论上扩展了扩散-复合光生载流子模型来描述nc-Si:H薄膜中的光电导现象。我们发现nc-Si:H薄膜中光电子跃迁主要来源于带间跃迁,但又不同于单晶硅材料的间接跃迁。特别是结合晶态比对光电导影响的实验结果,我们更进一步证实了其光生载流子主要来源于晶粒内部的光电跃迁过程。其次,我们还研究了在单晶硅衬底上制备出的nc-Si:H薄膜异质结(nc-Si:H (n)/c-Si (p))的光电导响应。异质结构的界面区耗尽电场本身就为光生载流子带来便利的收集条件,而且单晶硅衬底的晶格匹配生长条件对nc-Si:H薄膜内部的微观晶粒的形成及其电子态有非常显著的帮助。特别是对于基于单晶硅衬底上生长的氢化纳米硅薄膜(nc-Si:H),其内部结构更加均匀,而且晶界厚度更加薄(仅仅几个原子层的厚度而已)。该物理结构不仅为载流子输运带来更大的便利,而且不同晶粒之间的电子云也更加容易重叠,导致了微带的形成。在该nc-Si:H (n)/c-Si (p)异质结中我们不仅观察到较强的光电流信号,而且也从实验上证实了微带的存在。另外,在此基础上,我们详细研究了nc-Si:H (n)/c-Si (p)异质结中的光电导响应特点及其规律,同时揭示了其中温度对氢化纳米硅薄膜的光电导的影响和外部偏置电压对nc-Si:H (n)/c-Si (p)异质结的光电导特性。上述研究为硅材料光电子性能的发展开辟了新的方向,同时也为新型nc-Si:H (n)/c-Si (p)异质结光电器件的开发打下了基础。

关键词：氢化纳米硅薄膜氢化纳米硅薄膜/单晶硅异质结光电导光学吸收红外探测器

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氢化纳米硅薄膜硅量子点光电流响应调控

氢化纳米硅薄膜硅量子点光电流响应调控

引用

作者：徐超上海交通大学

学位级别：硕士

作为一种高效、低廉的纳米结构生长技术,自组装半导体纳米晶粒的出现为新一代的光电子器件以及光伏技术的发展开创了一条新的途径。氢化纳米硅薄膜是单晶硅和非晶硅的混相物质,由纳米尺度的单晶硅颗粒镶嵌在氢化非晶硅的网络中构成。先... 详细信息

作为一种高效、低廉的纳米结构生长技术,自组装半导体纳米晶粒的出现为新一代的光电子器件以及光伏技术的发展开创了一条新的途径。氢化纳米硅薄膜是单晶硅和非晶硅的混相物质,由纳米尺度的单晶硅颗粒镶嵌在氢化非晶硅的网络中构成。先前的研究已经表明,氢化纳米硅的混相体系可以有效降低在非晶硅材料中不可避免出现的光至衰退现象,从而有效地阻止了商用硅基薄膜太阳电池光电转化效率随光照时间加强而降低的难题。同时,氢化纳米硅薄膜中大量存在的单晶硅量子点使得体系拥有明显的量子限制效应,这使得人们可以通过纳米硅薄膜生长结构来调控材料的光学带隙以实现对太阳光谱的响应,从而获得更高的光吸收效率。目前已经发现,由于材料的高光吸收截面以及优良的电导率,纳米硅薄膜具有很好的光吸收系数以及光电流响应。所以许多小组正在积极尝试将纳米硅薄膜应用的单结或多结太阳电池中去以实现高效稳定的新型硅基薄膜电池,并为人类的光伏领域带来一场革命。在本文中,我们从实验和理论两个方面详细研究了氢化纳米硅薄膜光电流响应光谱特性,并讨论了薄膜内单晶硅量子点的粒径分布情况对光谱分布的影响。在先前的研究报道中,人们已经通过拉曼面扫描技术从实验上观察到了氢化纳米硅薄膜内的量子点粒径涨落,并研究了薄膜生长中磷烷组分的浓度改变材料均匀性以及晶粒尺寸的作用同时讨论了材料的生长机制。在这里,我们通过变温电流电压实验观察到并验证了纳米硅薄膜中硅量子点内部因量子限制效应而造成的分裂能级结构。根据这一结果,我们拟合分解了具有不同量子点粒径分布的纳米硅薄膜异质结光电流响应光谱,并通过对分解谱线的峰位、线宽以及强度并结合量子限制效应理论分析研究了薄膜内量子点平均尺寸,粒径涨落对光电流响应谱的影响。我们发现随着量子点粒径分布变广,纳米硅薄膜能通过增加光谱响应范围来提高光吸收能力,然而量子点内光生载流子电隧穿输运能力会减弱,从而使得光电流积分强度呈现的先上升后下降的趋势。鉴于纳米硅薄膜内存在这种由量子限制效应引起的光学带隙调控能力,我们研究了利用量子点粒径分布调控手段来调节纳米硅薄膜对光谱的响应范围,并讨论了将其应用到新型太阳能电池的结构中的设想。虽然在大多数基于量子点材料的光电子器件中,量子点生长时不可避免形成的尺寸涨落会引起辐射跃迁能级的错位从而在光学吸收谱上导致非本征展宽并降低器件的性能。但是在光伏领域,这种光学吸收谱的展宽却提供了一种便捷而有效的增强材料对太阳光吸收的方式被应用到量子点彩虹太阳电池中去,从而突破现有单结太阳电池的光电转化效率极限。虽然由于量子点粒径分布变宽而导致的量子点间能级错位加剧会减弱电子隧穿输运能力,从而对光生载流子收集产生负面影响。正因为量子点粒径分布变宽所导致的光吸收增强与输运减弱同时发生,两者竞争性地增强/减弱光电流。因此,本文工作揭示了通过调节合适的薄膜内量子点粒径分布来优化电池的光电响应效率,从而提供了一种简单低廉适用于大规模工业生产的纳米硅薄膜生长策略来最大化太阳电池的效率。以上的研究得到了国家自然科学基金重点项目(10734020)、国家重大基础研究计划(纳米计划)(2010CB933702)和上海市科学技术委员会优秀学科带头人计划研究项目(08XD14022)的资助。

关键词：氢化纳米硅氢化纳米硅薄膜/单晶硅异质结光电流光学吸收隧穿系数量子点粒径分布

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