Medición del voltaje de circuito abierto local en uniones radiales de nanohilos Si usando microscopía de fuerza de sonda Kelvin

Resumen

Este estudio demuestra cómo la microscopía de fuerza de sonda Kelvin (KPFM) puede extraer con precisión el voltaje de circuito abierto (V_OC) de dispositivos unión radial (RJ) nanohilos silicio (SiNW) mediante mapeo fotovoltaje superficial (SPV). Experimentos iniciales en celdas solares RJ SiNW completamente fabricadas muestran que valores SPV difieren menos 5 % de mediciones V_OC convencionales. Mediciones posteriores en RJ SiNW individuales, sin ITO, revelan que sombreado punta puede sesgar severamente lecturas SPV. Optimizando geometría punta y dirección iluminación, logramos curvas SPV que escalan logarítmicamente con potencia luz y mantienen relación lineal con V_OC dispositivo. Estos resultados confirman que sondeo SPV sin contacto, nanoescala, es factible para evaluación rendimiento fotovoltaico dispositivo individual.

Introducción

Estructuras semiconductor nanoestructuradas, especialmente arreglos nanohilos uniones radiales, prometen ganancias significativas atrapamiento luz y recolección portadores, potencialmente superando arquitecturas planares [1, 2]. Uniones radiales SiNW ya alcanzado eficiencias cercanas 9,6 % fabricadas plataformas película delgada [3]. Sin embargo, evaluar comportamiento foto‑eléctrico nanohilos individuales sigue siendo desafío crítico optimización dispositivos.

Empleamos KPFM sondear V_OC local RJ SiNW. Aunque V_OC derivado KPFM validado fotovoltaicos planares [3, 4], su aplicación dispositivos nanoestructurados no trivial porque requiere mediciones separadas oscuro e iluminadas capturar fotovoltaje superficial (SPV).

Nuestra primera estrategia examina celdas RJ SiNW completadas que incluyen contacto frontal ITO. Comparamos datos corriente‑voltaje (I‑V) convencionales con SPV derivado KPFM rango potencias iluminación. Segunda estrategia se centra RJ SiNW aislados (sin ITO) para estudiar cómo geometría punta y ángulo iluminación afectan extracción SPV. Finalmente, mediciones sonda Kelvin macroscópicas proveen datos espectrales SPV (SPS) tanto dispositivos aislados como completados.

Materiales y métodos

Crecimiento SiNW y fabricación dispositivo unión radial P‑I‑N

RJ SiNW crecieron sobre vidrio Corning recubierto ZnO:Al (Cg) usando deposición química vapor mejorada plasma (PECVD) 500 °C con catalizadores nanopartículas Sn. Capa intrínseca conforme (80 nm) seguida capa n‑tipo (10 nm) silicio amorfo hidrogenado (a‑Si:H) depositada 175 °C sobre núcleo p‑tipo SiNW. Dispositivos completados finalizaron con contacto superior ITO 4 mm diámetro depositado sputtering bajo máscara. Detalles fabricación completos en [1, 5–7].

Sonda Kelvin y fotovoltaje superficial

Usamos KPFM modulación amplitud (AM) por su estabilidad superior sobre modulación frecuencia (FM) escaneando nanohilos rica topografía. Mediciones realizadas plataforma HORIBA/AIST‑NT TRIOS con sistema deflexión haz láser 1310 nm (LBBDS) minimizar artefactos foto‑excitación [8–10]. Sistema ofrece tres objetivos iluminación superior, lateral, inferior.

SPV obtenido restando CPD oscuro del CPD iluminado, técnica probada extracción V_OC [5, 11]. Iluminación provista diodo láser OXXIUS 488 nm potencia variable.

Dos puntas AFM conductoras usadas: ARROW‑EFM (punta estándar) y ATEC‑EFM (punta inclinada). Ambas tienen cantilevers silicio dopado recubiertos PtIr.

Mediciones sonda Kelvin macroscópica con punta acero 2 mm y monocromador lámpara halógena (400–1000 nm) complementan datos nanoescala, permitiendo espectroscopía fotovoltaje superficial (SPS) cualitativa.

Mediciones I‑V macroscópicas combinadas KPFM

Dispositivos completados, KEITHLEY 2450 SourceMeter y aguja tungsteno posicionada micro‑posicionador usados caracterización I‑V bajo misma configuración AFM. Trazas I‑V oscuro e iluminado (488 nm, 70–1000 µW) registradas.

Esquemas configuración medición tanto KPFM como mediciones I‑V macroscópicas

Mapeo KPFM RJ SiNW aislados realizado ambas puntas ARROW y ATEC bajo iluminación superior y lateral idénticos niveles potencia.

Resultados y discusión

Primero evaluamos influencia longitud onda LBBDS AFM. Curvas I‑V macroscópicas tomadas TRIOS (1310 nm) y AFM externo (690 nm) muestran diferencias despreciables oscuro, con desplazamiento 0,5 mV V_OC y 1 nA I_SC cuando haz 1310 nm activo. En contraste, haz 690 nm induce respuesta fotovoltaica pronunciada (545 mV V_OC, 28 µA I_SC), subrayando importancia LBBDS infrarrojo cercano mediciones oscuro.

Curvas I‑V dispositivo SiNW RJ bajo oscuro (negro), LBBDS 1310 nm (azul), LBBDS 690 nm (rojo). Inset zooma región lineal (−5 mV a +5 mV).

Figura 3 ilustra características I‑V bajo 70, 150, 270, 560 µW iluminación, mostrando aumento esperado I_SC y V_OC con intensidad luz. Acompañante mapa KPFM muestra topografía, CPD oscuro, CPD iluminado (488 nm, 270 µW). Variaciones CPD (~±10 mV) bordes nanohilo atribuidas artefactos topografía‑inducidos; valores extraídos cimas nanohilo usados análisis subsiguiente.

a Curvas I‑V macroscópicas 66, 5, 149, 268, 555 µW (488 nm); b topografía, CPD oscuro, CPD iluminado (270 µW).

Figura 4 compara V_OC I‑V y SPV KPFM versus potencia iluminación dos dispositivos. Desviación máxima <5 % a 70 µW y <2 % potencias mayores. Ambas curvas siguen tendencia logarítmica (500–600 mV) con factores idealidad 1,5 ± 0,1 (dispositivo 1) y 1,75 ± 0,25 (dispositivo 2), consistentes literatura uniones P‑I‑N a‑Si:H [12–14].

V_OC y SPV versus potencia luz dispositivos 1 (a) y 2 (b).

Mediciones SPV RJ SiNW aislados resaltan efectos sombreado. Usando puntas ARROW iluminación superior produce valores SPV bajos (Fig 5a, cuadrados) pendiente ~0,4. Cambiando punta inclinada ATEC aumenta SPV 40 % (Fig 5b, triángulos). Cambiando iluminación superior a lateral con punta ARROW (Fig 5c, puntos azul) mejora SPV, pero valores permanecen por debajo dispositivos completados. Sombreado ausente celdas completadas porque capa ITO homogeneiza fotovoltaje muchos nanohilos.

SPV versus potencia luz RJ NW aislados con puntas ARROW‑EFM y ATEC‑EFM bajo iluminación superior y lateral. Dispositivo referencia 1 mostrado. Esquina inferior derecha: topografía NW aislados.

SPS cualitativo dispositivos aislados agrupados (Fig 6a) revela SPV significativo (80–260 mV) infrarrojo cercano (800–1000 nm), contrastando SPV despreciable dispositivos completados bajo 800 nm. En contraste, dispositivo completado muestra aumento agudo SPV 630 nm, alcanzando 560 mV, pero cae bajo 10 mV NIR. Remover capa ITO dispositivo completado reduce drásticamente SPV (400–750 nm) inmediatamente tras grabado, pero señal recupera 72 h, acercándose nivel NW aislados. Estos hallazgos confirman interfaz ITO/a‑Si:H crucial alto V_OC; su ausencia NW aislados limita curvatura banda y magnitud SPV.

Medidas SPS: a dispositivo completado vs. NW aislados; b dispositivo completado antes y 72 h tras remoción ITO.

En general, mapeo SPV local KPFM proporciona proxy fiable V_OC dispositivos RJ SiNW completamente fabricados, mientras NW aislados exhiben SPV reducido por sombreado punta y falta contacto ITO.

Conclusión

Estudios simultáneos I‑V y KPFM celdas RJ SiNW completadas confirman SPV extraído vía KPFM coincide estrechamente V_OC mediciones convencionales. En contraste, RJ SiNW aislados muestran SPV reducido por sombreado punta; optimizar forma punta y dirección iluminación mitiga este efecto pero no recupera totalmente V_OC dispositivos completados. Experimentos SPS demuestran interfaz ITO/a‑Si:H esencial alto fotovoltaje; su ausencia NW aislados limita curvatura banda y SPV. No obstante, correlación lineal entre SPV local y V_OC dispositivo valida SPV nanoescala sin contacto como herramienta potente evaluar rendimiento fotovoltaico uniones individuales SiNW.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos datos usados y/o analizados durante este estudio disponibles autor correspondiente solicitud razonable.

Abreviaturas

AFM

Microscopía fuerza atómica

AM

Modulación amplitud

a‑Si:H

Silicio amorfo hidrogenado

Cg

Vidrio Corning

CPD

Diferencia potencial contacto

FM

Modulación frecuencia

ITO

Óxido indio‑estaño

I‑V

Corriente‑voltaje

KPFM

Microscopía fuerza sonda Kelvin

LBBDS

Sistema deflexión basado haz láser

n

Factor idealidad

NW

Nanohilo

PECVD

Deposición química vapor mejorada plasma

PV

Fotovoltaico

RJ

Unión radial

SiNW

Nanohilo silicio

SPS

Espectroscopía fotovoltaje superficial

SPV

Fotovoltaje superficial

V_OC

Voltaje circuito abierto