МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2011, том 40, № 1, с. 36-44
НАНОСТРУКТУРЫ
УДК 621.3.049.77
УВЕЛИЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЕМ ПОВЕРХНОСТИ
© 2011 г. Е. И. Ваганова1, А. А. Мироненко1, В. А. Папорков2, Н. А. Рудь2,
А. С. Рудый2, А. В. Проказников1
1Ярославский филиал Физико-технологического института Российской АН 2Ярославский Государственный Университет им. П.Г. Демидова E-mail: prokaznikov@mail.ru Поступила в редакцию 16.03.2010 г.
Предложен способ создания наноструктурированных объектов, который увеличивает эффективность исследуемой фотоэлектрической системы, используемой в преобразовании энергии электромагнитного излучения в электрическую. Способ основан на формировании на основе приповерхностного слоя пористого кремния металлических наноточек, концентрирующих энергию электромагнитного излучения за счет локализованных плазмонных мод.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время свойствам наноструктуриро-ванных систем уделяется большое внимание в связи с миниатюризацией физических систем современной электроники, с одной стороны, и использованием необычных свойств новых объектов, с другой стороны. Уникальность свойств объектов малых размеров определяется, прежде всего, законами квантовой физики, которые вступают в силу на этих масштабах. Таким образом, удается подключить работу новых, необычных физических явлений, обуславливая их полноправное вступление в области, традиционно опирающиеся на закономерности хорошо изученных физических систем. Отметим, что нано масштабы представляют те характерные размеры, на которых встречаются и конкурируют законы микро- и макрофизики, поэтому эта область получила называние мезофизики. В связи с тем, что исследования в этой области с целью масштабного практического применения находятся на начальной стадии, представляет интерес обнаружение любого физического явления, имеющего перспективы либо практического, либо фундаментального использования.
В настоящей работе продемонстрирована возможность радикального изменения свойств физической системы, которая имеет перспективы использования в областях преобразования солнечной энергии, посредством наноструктурирования приповерхностной области этой системы и создания металлических наноразмерных объектов на поверхности (см. обзор по данному направлению [1]).
Предварительная идея усиления фотоэлектрических свойств основывалась как на выводах экспериментальных работ [2, 3], так и серии теоретических исследований [3—6]. В частности, в работе [2] пред-
ложен и реализован способ усиления оптического поглощения полупроводников за счет возбуждения локализованных плазмонных мод в металлических нано частицах золота (Аи). Теоретические возможности возбуждения подобных локализованных на малых объектах плазмонных колебаний рассматривались в серии работ [4—6], где исследовалось отщепление локализованной краевой плазмонной моды от энергетического уровня плазмона для диэлектриков, а также в работе [7], в которой проведены аналогичные исследования для металлов. Как следует из работ, отщепление краевых мод для структур типа клина облегчает возбуждение плаз-монных мод, что приводит к возможности концентрировать энергию электромагнитного излучения вблизи этих объектов [8].
Основная идея настоящей работы — создание наноточечных концентраторов электромагнитной энергии на фоточувствительной структуре типа фо-товольтаической ячейки. Структура фотовольтаи-ческого элемента аналогична структуре из работы [2], хотя имеется ряд существенных отличий, которые будут изложены ниже.
ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИХ СТРУКТУР
Исследуемые структуры формировались на основе стандартной кремниевой пластины КЭФ-4.5 с ориентацией (100), путем легирования бором (В) верхнего слоя пластины. Легирование производилось стандартным способом, аналогичным изложенному в работе [9], основной операцией которого был отжиг силикатного соединения на основе ТЭОС при температуре 1100°С в течение 40 мин. Исследования ВИМС свидетельствуют о том, что глубина легирования бором составляла порядка 1 мкм с кон-
Рис. 1. Структура из пористого кремния и никелевых наноточек (а); схема фотовольтаической ячейки, состоящей из слоя пористого кремния (толщиной 120 нм) на основании р+^1, слоя (толщиной 1 мкм), верхнего никелевого (N1) контакта, нижнего алюминиевого (А1) контакта (б).
центрацией атомов бора (В) порядка 5 х 1018 см-3. Ввиду того, что бор является примесью, обладающей малой энергией ионизации, т.е. имеющей мелкие уровни в кремнии, то можно сделать вывод, что в результате технологических операций формировался слой р+-кремния толщиной 1 мкм с концентрацией носителей заряда п = 5 х 1018 см-3. Затем наносился и вжигался с обратной стороны пластины алюминиевый контакт, после чего производилось анодирование в растворе плавиковой кислоты (HF) для формирования слоя пористого кремния в приповерхностной области. Толщина слоя пористого кремния имела порядок 120 нм, при этом расстояние между порами было порядка — 20-40 нм. Следующей операцией являлось осаждение нано точек никеля (N1) электролитическим способом путем подачи кратковременного импульса тока при соответствующей полярности.
Результатом описанных операций является структура, фотография которой приведена на рис. 1. Хорошо заметны (рис. 1а) две наноструктурирован-ные системы - пористый кремний и изолированные островки никеля. Размеры и форма никелевых наноточек различны, что делает возможным использовать достаточно широкую селективность сформированной структуры. Это означает, что с большой вероятностью найдутся наноточки, на которых возможно возбуждение локализованной плазмонной моды при различных углах падения света разной длины волны. Структура сформированного фото-вольтаического элемента приведена на рис. 1б. Отметим, что верхний никелевый контакт формируется в нашем случае автоматически в ходе осаждения никеля из раствора в силу характерных особенностей строения нашей электролитической ячейки. Для проведения исследований формировались два типа структур: контрольные структуры со слоем только пористого кремния, а также структуры со слоем по-
ристого кремния и наноточками никеля. Формирование слоя пористого кремния производилось в одинаковых режимах для контрольных структур и структур с наноточками. В случае структур только со слоем пористого кремния верхний контакт формировался напылением алюминия (А1) через специальную маску.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТО-ВОЛЬТАИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Как показали исследования вольт-амперных характеристик (ВАХ) созданных фотовольтаических элементов, ВАХ для структур без освещения практически совпадают и имеют обычный выпрямляющий вид (рис. 2), характерный для структур с использованием пористого кремния, рассмотренных в работах [10—12], как для контрольных образцов только со слоем пористого кремния, так и для образцов на основе пористого кремния и наноточек №. При освещении исследуемые образцы проявляли различное поведение ВАХ (рис. 3). На ВАХ для контрольных образцов на основе только пористого слоя наблюдался характерный изгиб вблизи точки Уос, приводящий к значительному уменьшению к.п.д. фотоэлементов, как это отмечалось в работе [13]. Наличие этого изгиба связано, по мнению авторов [13] со значительным потенциальным барьером для дырок, образующимся в области широкозонного окна. Большой разрыв валентных зон образуется в нашем случае на границе раздела пористого кремния—р+-кремний вследствие уширения запрещенной зоны из-за квантово-размерного эффекта в пористом кремния [14].
Нагрузочные ВАХ, представленные на рис. 4, позволили определить значение фактора заполнения ВАХ, ток короткого замыкания 15с и напряжение хо-
ВАГАНОВА и др. 3.-5-
-0.-5-Напряжение, В
Рис. 2. Динамическая вольт-амперная характеристика фотовольтаической ячейки, снятая в темноте для структуры с алюминиевым контактом к пористому кремнию (1); то же для структуры с никелевым контактом к пористому кремнию и никелевыми наноточками на поверхности переменного кремния(2).
м
о
1.5
-Ю-1- ■
Напряжение, В
Рис. 3. Динамическая вольт-амперная характеристика фотовольтаической ячейки, снятая при освещении без светофильтра для структуры с алюминиевым контактом к пористому кремнию (1); то же для структуры с никелевым контактом к пористому кремнию и никелевыми наноточками на поверхности пористого кремния (2).
5
лостого хода Уос. Как показали численные оценки, фактор заполнения ВАХ в обоих случаях приблизительно одинаков и равен ГГ~ 0.25, ток короткого замыкания для структур на основе ПК с наноточками N1 равен = 5.5 мА, а напряжение холостого хода Уос = 0.45 В, тогда как для контрольной структуры без наноточек Ж—1с = 1.07 мА, а Уос = 0.26 В. Спектры фоточувствительности близки и имеют максимум около ^тах ~ 780 нм (рис. 5). Оценка светового потока дает значение Ф = 30 мВт/см2, а интегральная
мощность оценивается Р ~ 1.5 мВт. Оценки коэффициента полезного действия (к.п.д.) проводились с использованием лампы накаливания, которая имеет спектр отличный от солнечного спектра в наземных условиях. В силу этого обстоятельства имеет смысл привести только отношение к.п.д. элемента на основе пористого кремния с наноточками из № к к.п.д. контрольного элемента. Это отношение равняется двум. Таким образом, наблюдается увеличение в два раза к.п.д. фотовольтаического элемента на основе системы с нано-точками №. Отметим, также то об-
Рис. 4. Нагрузочная вольт-амперная характеристика фотовольтаической ячейки, снятая при освещении без светофильтра для структуры с алюминиевым контактом к пористому кремнию 1; то же для структуры с никелевыми контактом к пористому кремнию и никелевыми наноточками на поверхности пористого кремния 2.
стоятельство, что характерный изгиб на ВАХ в районе Усю, уменьшающий к.п.д. элемента, исчезает при использовании структур с нано-точками N1.
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТООПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Исследования магнитооптического экваториального эффекта Керра (МОЭЭК) проводились со-
гласно методике, описанной в работе [15]. Лазерный пучок света (к = 632 нм) диаметром 1 мм, поляризованный в плоскости падения (р-во
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.