Mesure de la tension de circuit ouvert locale dans jonctions radiales de nanofils Si par microscopie de force sonde Kelvin

Résumé

Cette étude démontre comment la microscopie de force sonde Kelvin (KPFM) peut extraire avec précision la tension de circuit ouvert (V_OC) de dispositifs à jonction radiale (RJ) en nanofils de silicium (SiNW) via la cartographie de phototension de surface (SPV). Des expériences initiales sur des cellules solaires RJ SiNW entièrement fabriquées montrent que les valeurs SPV diffèrent de moins de 5 % des mesures V_OC conventionnelles. Des mesures ultérieures sur des RJ SiNW individuels sans ITO révèlent que l'ombrage par la pointe peut sévèrement biaiser les lectures SPV. En optimisant la géométrie de la pointe et la direction d'illumination, nous obtenons des courbes SPV qui évoluent logarithmiquement avec la puissance lumineuse et maintiennent une relation linéaire avec le V_OC du dispositif. Ces résultats confirment que la détection SPV sans contact à l'échelle nanométrique est réalisable pour l'évaluation des performances photovoltaïques de dispositifs uniques.

Introduction

Les nanostructures semi-conductrices, en particulier les réseaux de nanofils à jonctions radiales, promettent des gains significatifs dans le piégeage de lumière et la collecte de porteurs, pouvant surpasser les architectures planes. Les RJ SiNW ont déjà atteint des rendements approchant 9,6 % lorsqu'ils sont fabriqués sur des plateformes à couches minces. Cependant, l'évaluation du comportement photoélectrique de nanofils individuels reste un défi critique pour l'optimisation des dispositifs.

Nous utilisons la KPFM pour sonder le V_OC local sur les RJ SiNW. Bien que le V_OC dérivé de KPFM ait été validé sur le photovoltaïque planaire, son application aux dispositifs nanostructurés n'est pas triviale car elle nécessite des mesures séparées dans l'obscurité et sous illumination pour capturer la phototension de surface (SPV).

Notre première stratégie examine des cellules RJ SiNW complètes incluant un contact avant ITO. Nous comparons les données courant-tension (I-V) conventionnelles avec le SPV dérivé de KPFM sur une gamme de puissances d'illumination. La seconde stratégie se concentre sur des RJ SiNW isolés (sans ITO) pour étudier comment la géométrie de la pointe et l'angle d'illumination affectent l'extraction SPV. Finalement, des mesures de sonde Kelvin macroscopiques fournissent des données SPV spectrales (SPS) sur les dispositifs isolés et complets.

Matériaux et méthodes

Croissance SiNW et fabrication de dispositifs à jonction radiale P-I-N

Les RJ SiNW ont été cultivés sur du verre Corning revêtu de ZnO:Al (Cg) par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) à 500 °C avec des catalyseurs nanoparticules d'étain. Une couche intrinsèque conforme (80 nm) suivie d'une couche n-type (10 nm) de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) a été déposée à 175 °C sur le cœur de SiNW de type p. Les dispositifs complets étaient finis avec un contact supérieur ITO de 4 mm de diamètre déposé par pulvérisation sous masque. Les détails complets de fabrication apparaissent ailleurs.

Sonde Kelvin et phototension de surface

Nous utilisons la KPFM à modulation d'amplitude (AM) pour sa stabilité supérieure à la modulation de fréquence (FM) lors du balayage de nanofils à topographie riche. Les mesures ont été effectuées sur une plateforme HORIBA/AIST-NT TRIOS dotée d'un système de déflexion par faisceau laser (LBBDS) à 1310 nm pour minimiser les artefacts d'excitation photo. Le système offre trois objectifs pour l'illumination par le haut, le côté et le bas.

Le SPV est obtenu en soustrayant le CPD sombre du CPD illuminé, une technique prouvée pour l'extraction du V_OC. L'illumination est fournie par une diode laser OXXIUS 488 nm à puissance variable.

Deux pointes AFM conductrices ont été utilisées : ARROW-EFM (pointe standard) et ATEC-EFM (pointe inclinée). Les deux ont des leviers en silicium dopé revêtus de PtIr.

Des mesures de sonde Kelvin macroscopiques avec une pointe en acier de 2 mm et un monochromateur à lampe halogène (400–1000 nm) complètent les données à l'échelle nanométrique, permettant une spectroscopie de phototension de surface qualitative (SPS).

Mesures I-V macroscopiques combinées à la KPFM

Pour les dispositifs complets, un KEITHLEY 2450 SourceMeter et une aiguille en tungstène positionnée via un micro-positionneur ont été utilisés pour la caractérisation I-V sous la même configuration AFM. Des courbes I-V sombres et illuminées (488 nm, 70–1000 µW) ont été enregistrées.

Résultats et discussion

Nous avons d'abord évalué l'influence de la longueur d'onde du LBBDS AFM. Les courbes I-V macroscopiques prises avec le TRIOS (1310 nm) et un AFM externe (690 nm) montrent des différences négligeables dans le noir, avec un décalage de 0,5 mV en V_OC et 1 nA en I_SC lorsque le faisceau 1310 nm est actif. En revanche, le faisceau 690 nm induit une réponse photovoltaïque prononcée (545 mV V_OC, 28 µA I_SC), soulignant l'importance d'un LBBDS proche infrarouge pour les mesures sombres.

La Figure 3 illustre les caractéristiques I-V sous 70, 150, 270 et 560 µW d'illumination, montrant l'augmentation attendue de I_SC et V_OC avec l'intensité lumineuse. La carte KPFM accompagnante affiche la topographie, le CPD sombre et le CPD illuminé (488 nm, 270 µW). Les variations CPD (~±10 mV) aux bords des nanofils sont attribuées à des artefacts induits par la topographie ; les valeurs extraites des sommets des nanofils sont utilisées pour l'analyse subséquente.

La Figure 4 compare le V_OC de I-V et le SPV de KPFM versus la puissance d'illumination pour deux dispositifs. La déviation maximale est <5 % à 70 µW et <2 % à des puissances plus élevées. Les deux courbes suivent une tendance logarithmique (500–600 mV) avec des facteurs d'idéalité de 1,5 ± 0,1 (dispositif 1) et 1,75 ± 0,25 (dispositif 2), cohérents avec la littérature pour les jonctions P-I-N a-Si:H.

Les mesures SPV sur RJ SiNW isolés mettent en évidence les effets d'ombrage. L'utilisation de pointes ARROW avec illumination par le haut donne de faibles valeurs SPV (Fig 5a, carrés) et une pente ~0,4. Le passage à une pointe inclinée ATEC augmente le SPV de 40 % (Fig 5b, triangles). Le changement d'illumination du haut vers le côté avec une pointe ARROW (Fig 5c, points bleus) améliore encore le SPV, mais les valeurs restent inférieures à celles des dispositifs complets. L'ombrage est absent dans les cellules complètes car la couche ITO homogénéise la phototension sur de nombreux nanofils.

La SPS qualitative sur des dispositifs isolés groupés (Fig 6a) révèle un SPV significatif (80–260 mV) dans le proche infrarouge (800–1000 nm), contrastant avec le SPV négligeable des dispositifs complets en dessous de 800 nm. En revanche, un dispositif complet montre une hausse nette du SPV à 630 nm, atteignant 560 mV, mais chute sous 10 mV dans le NIR. L'élimination de la couche ITO d'un dispositif complet réduit drastiquement le SPV (400–750 nm) immédiatement après gravure, mais le signal récupère après 72 h, approchant le niveau des NW isolés. Ces résultats confirment que l'interface ITO/a-Si:H est cruciale pour un V_OC élevé ; son absence dans les NW isolés limite le band-bending et l'amplitude du SPV.

Dans l'ensemble, la cartographie SPV locale par KPFM fournit un proxy fiable pour le V_OC dans les dispositifs RJ SiNW entièrement fabriqués, alors que les NW isolés présentent un SPV réduit en raison de l'ombrage par la pointe et de l'absence de contact ITO.

Conclusion

Des études simultanées I-V et KPFM sur des cellules RJ SiNW complètes confirment que le SPV extrait via KPFM correspond étroitement au V_OC des mesures conventionnelles. En revanche, les RJ SiNW isolés montrent un SPV réduit en raison de l'ombrage par la pointe ; l'optimisation de la forme de la pointe et de la direction d'illumination atténue cet effet mais ne récupère pas pleinement le V_OC des dispositifs complets. Les expériences SPS démontrent que l'interface ITO/a-Si:H est essentielle pour une phototension élevée ; son absence dans les NW isolés limite le band-bending et le SPV. Néanmoins, la corrélation linéaire entre le SPV local et le V_OC du dispositif valide la SPV sans contact à l'échelle nanométrique comme un outil puissant pour évaluer les performances photovoltaïques de jonctions SiNW individuelles.

Disponibilité des données et matériaux

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

AFM

Microscopie à force atomique

AM

Modulation d'amplitude

a-Si:H

Silicium amorphe hydrogéné

Cg

Verre Corning

CPD

Différence de potentiel de contact

FM

Modulation de fréquence

ITO

Oxyde d'indium-étain

I-V

Courant-tension

KPFM

Microscopie de force sonde Kelvin

LBBDS

Système de déflexion par faisceau laser

n

Facteur d'idéalité

NW

Nanofil

PECVD

Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma

PV

Photovoltaïque

RJ

Jonction radiale

SiNW

Nanofil de silicium

SPS

Spectroscopie de phototension de surface

SPV

Phototension de surface

V_OC

Tension de circuit ouvert