Tanki filmovi amorfno-nanokristalnog silicija

doctoral thesis

• Title: Tanki filmovi amorfno-nanokristalnog silicija : strukturne i optičke osobine
• Title (english): Amorphous-nanocrystalline silicon thin films : structural and optical properties
• Author: Krunoslav Juraić
• Mentor: Davor Gracin (mentor)
• Committee member: Antun Tonejc (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Mile Ivanda (član povjerenstva)
• Committee member: Davor Gracin (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Science; (Department of Physics); Zagreb
• Defense date and country: 2012-07-18, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: NATURAL SCIENCES; Physics
• Universal decimal classification (UDC): 53 - Physics

Abstract

Istražene su strukturne i optičke osobine tankih filmova amorfno-nanokristalnog silicija debljine 100-400 nm pripremljenih kemijskom depozicijom pojačanom radiofrekventnim izbojem u plazmi iz smjese silana i vodika. Promjenom parametara depozicije u odnosu na pripremu slojeva amorfnog silicija što uključuje povišenu snagu izboja (100-180 W/m2) i jako razrijeđenu smjesu silana sa vodikom (94-95 % udio vodika) dobiveni su slojevi a-nc-Si:H sa volumnim udjelom nanokristalne faze od potpuno amorfnog do 38 % udjela (Raman), sa raspodjelom veličine nanokristala čija se prosječna vrijednost kretala u rasponu od 2 do 9 nm i slijedila log-normalnu raspodjelu (HRTEM). Rast slojeva a-nc-Si:H određuju procesi depozicije i jetkanja tako da u početnoj fazi rasta nastaje potpuno amorfan sloj a s vremenom se kroz procese jetkanja stvaraju uređene jezgre iz kojih dalje rastu nanokristali. Tako su pripremljeni slojevi potpuno amorfni uz podlogu, a u smjeru prema površini udio i veličina nanokristala se povećava (GISAXS, GIWAXS). Sa povećanjem udjela nanokristala u amorfnoj matrici povećava se broj defekata na graničnim plohama nanokristala sa amorfnom matricom. Pokazano je da optička svojstva (koeficijent apsorpcije, širina optičkog procjepa) ovisi o volumnom udjelu i veličini nanokristala što je posljedica kvantnih efekata povezanih sa malim dimenzijama nanokristala. Kontroliranjem veličine i udjela nanokristala silicija uronjenih u amorfnu matricu, postignuta je varijacija u širini energijskog procjepa od vrijednosti karakteristične za amorfni silicij (1.7 eV) pa do 2.1 eV za uzorak sa najvećim udjelom nanokristala. Ugradnjom takvih slojeva u sunčeve ćelije postignut je plavi pomak maksimuma kvantne efikasnosti do Δλ = 20 nm u odnosu na amorfni silicij što je uz poboljšanu otpornost na degradaciju efikasnosti tijekom izlaganja svjetlu bitno za primjenu anc-Si:H u sunčevim ćelijama treće generacije.

Abstract (english)

Structural and optical properties of amorphous-nanocrystalline silicon thin films, 100-400 nm thick, prepared by plasma-enhanced chemical-vapor deposition using silane and hydrogen mixture were investigated. By using increased discharge power (100-180 W/m2) and highly diluted mixture of silane and hydrogen (94-95% hydrogen), nanocrystalline silicon thin films with crystallinity from completely amorphous up to 38% percent and wide log-normal size distribution of nanocrystals with average size 2-9 nm were obtained. Thin film growth appears to be governed both by deposition and plasma etching forming completely amorphous layer in the beginning stages of deposition. During the etching process ordered centers for nanocrystals formation are formed. In that way the samples are completely amorphous close to substrate, and the crystallinity and size of nanocrystals are larger close to the surface. Defects density (mainly dangling bonds that are mostly concentrated at grain boundaries) increased with the volume contribution of nanocrystals. Optical properties (absorption coefficient and optical band gap) are highly correlated to the size and crystallinity of nanocrystals. That is result of quantum size effect. By varying size and volume fraction of silicon nanocrystals incorporated in amorphous matrix it were obtained samples with increased optical bandgap from 1.7 eV (value characteristic for a-Si:H) up to 2.1 eV for the most crystalline sample. Those samples are incorporated in p-i-n structure of thin film solar cells. It results in the blue shift of up to 20 nm in the quantum efficiency maximum, compared to the value characteristic for completely amorphous silicon.

• Keywords: amorfno-nanokristalni silicij; nanokristali; tanki filmovi; HRTEM; Raman; GIWAXS; GISAXS; PDS; optička svojstva; strukturna svojstva; sunčeve ćelije; kvantna efikasnost
• Keywords (english): amorphous-nanocrystalline silicon; nanocrystals; thin films; HRTEM; Raman; GIXRD; GISAXS; PDS; optical properties; structural properties; solar cell; quantum efficiency
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:217:463842
• Study programme: Title: Physics; Study programme type: university; Study level: postgraduate; Academic / professional title: doktor/doktorica znanosti, područje prirodnih znanosti, polje fizika (doktor/doktorica znanosti, područje prirodnih znanosti, polje fizika)
• Type of resource: Text
• Extent: 112 str.
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2017-08-23 10:56:51