Μελέτη νανοδομών πυριτίου για εφαρμογές φωτοβολταϊκών διατάξεων

Διδακτορική Διατριβή uoadl:1309055 533 Αναγνώσεις

Μονάδα:
Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης
Βιβλιοθήκη Σχολής Θετικών Επιστημών
Ημερομηνία κατάθεσης:
2014-12-22
Έτος εκπόνησης:
2014
Συγγραφέας:
Μανουσιάδης Παύλος
Στοιχεία επταμελούς επιτροπής:
Σπύρος Γλένης Επίκ. Καθηγητής ΕΚΠΑ (Επιβλέπων) , Σπύρος Γαρδέλης Κύριος Ερευνητής ΕΚΕΦΕ ΄΄Δημόκριτος΄΄, Ανδρούλα Νασιοπούλου Δ/ντρια Ερευνών ΕΚΕΦΕ ΄΄Δημόκριτος΄΄
Πρωτότυπος Τίτλος:
Μελέτη νανοδομών πυριτίου για εφαρμογές φωτοβολταϊκών διατάξεων
Γλώσσες διατριβής:
Ελληνικά
Μεταφρασμένος τίτλος:
Study of silicon nanostructures for photovoltaic applications
Περίληψη:
Ο στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η µελέτη των ιδιοτήτων που παρουσιάζουν οι
νανοκρυσταλλίτες πυριτίου µε στόχο την εφαρµογή τους σε φωτοβολταϊκές
διατάξεις. Το φάσµα των ιδιοτήτων οι οποίες εξετάστηκαν στο πλαίσιο της
διατριβής περιλαµβάνει τις δοµικές, οπτικές, οπτικοηλεκτρονικές ιδιότητες,
καθώς και φαινόµενα µεταφοράς σε συστοιχίες νανοκρυσταλλιτών σε µονοστρωµατική
ή πολυστρωµατική διάταξη. Επίσης κατασκευάσθηκε και µελετήθηκε φωτοβολταϊκή
διάταξη Si µε στόχο τη µελλοντική ενσωµάτωση σε αυτή νανοκρυσταλλιτών Si.
Οι ιδιότητες των νανοκρυσταλλιτών πυριτίου είναι πολύ διαφορετικές από αυτές
του εκτεταµένου κρυσταλλικού πυριτίου. Οι ιδιότητες αυτές εξαρτώνται σηµαντικά
από τη διάστασή τους. Για διαστάσεις κάτω από µερικά νανόµετρα, οι
νανοκρυσταλλίτες πυριτίου παρουσιάζουν φαινόµενα κβαντικού εντοπισµού των
φορέων, καθώς και φαινόµενα φόρτισης και φραγής Coulomb. Μακροσκοπικά
εµφανίζουν αυξηµένη φωτοεκποµπή στο ορατό φάσµα σε ερµοκρασία περιβάλλοντος
και αυξηµένο συντελεστή απορρόφησης, ο οποίος εξαρτάται από τις διαστάσεις τους.
Στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής γίνεται αρχικά µια εισαγωγή στα
φωτοβολταϊκά συστήµατα και στοιχεία, και στη συνέχεια γίνεται βιβλιογραφική
παρουσίαση των εφαρµογών των νανοκρυσταλλιτών πυριτίου για κατασκευή φθηνότερων
και πιο αποδοτικών φωτοβολταϊκών στοιχείων.
Το δεύτερο κεφάλαιο επικεντρώνεται στην παρασκευή των προς µελέτη δειγµάτων.
Παρουσιάζεται αρχικά µια σύνοψη των διαφόρων τεχνικών παρασκευής και οξείδωσης
νανοκρυσταλλιτών Si. Ακολουθεί επίσης η παρουσίαση των τεχνικών χαρακτηρισµού
των δοµικών και µορφολογικών ιδιοτήτων των υµενίων νανοκρυσταλλικού πυριτίου,
ενώ στο πειραµατικό µέρος γίνεται η παρουσίαση των λεπτοµερειών κατασκευής και
των αποτελεσµάτων της µορφολογικής µελέτης των δειγµάτων.
Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση του φαινοµένου της απορρόφησης στους
ηµιαγωγούς γενικότερα και στους νανοκρυσταλλίτες ηµιαγωγών ειδικότερα. Στο
πειραµατικό µέρος γίνεται η παρουσίαση των οργάνων µε τη οήθεια των οποίων
µελετήθηκαν οι οπτικές τους ιδιότητες και στη συνέχεια ακολουθεί η παρουσίαση
των αποτελεσµάτων. Τα κύρια αποτελέσµατα από τις οπτικές µετρήσεις έχουν ως
εξής :
-Η παρατήρηση του φαινοµένου του κβαντικού εντοπισµού στις δοµές.
- Βρέθηκε ότι το νανοκρυσταλλικό πυρίτιο παρουσιάζει αυξηµένο συντελεστή
απορρόφησης σε σχέση µε αυτόν του κρυσταλλικού πυριτίου.
-Υπολογίστηκαν οι συντελεστές διάθλασης των δειγµάτων.
-Παρατηρήθηκε το φαινόµενο της φωτοφωταύγειας σε µερικά από τα δείγµατα.
Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται αναλυτική µελέτη των βασικών φαινοµένων ηλεκτρικής
µεταφοράς φορέων σε συστοιχίες νανοκρυσταλλιτών σε µονοστρωµατικά και
πολυστρωµατικά λεπτά υµένια. Η µελέτη αυτή αγωγιµότητας των υµενίων είναι πολύ
σηµαντική εν όψει των εφαρµογών τους σε φωτοβολταϊκές διατάξεις. Εγινε
συστηµατική µελέτη των µηχανισµών αγωγιµότητας στους νανοκρυσταλλίτες πυριτίου,
παρουσιάζονται δε η θεωρία, τα αποτελέσµατα και τα συµπεράσµατα του ηλεκτρικού
χαρακτηρισµού. Τα κύρια αποτελέσµατα από τη µελέτη αυτή έχουν ως εξής :
- Ερµηνεία της αγωγιµότητας στο νανοκρυσταλλικό πυρίτιο.
- Παρατήρηση του φαινοµένου περιορισµού εύµατος λόγω φορτίων χώρου.
-Παρατήρηση του φαινοµένου φραγής Coulomb για τους µικρότερους
νανοκρυσταλλίτες, για ερµοκρασίες µικρότερες των 200 Κ.
Στο πέµπτο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση των οπτικοηλεκρονικών τους ιδιοτήτων.
Συγκεκριµένα γίνεται η περιγραφή της θεωρίας της φωτοαγωγιµότητας και των
πειραµατικών αποτελεσµάτων µελέτης στους νανοκρυσταλλίτες πυριτίου. Τα
σηµαντικότερα αποτελέσµατα της µελέτης περιλαµβάνουν την έρευνα γύρω από το
µηχανισµό της φωτοαγωγιµότητας και την εύρεση διαφόρων πειραµατικών παραµέτρων
οι οποίες είναι σηµαντικές για την κατασκευή των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Τα
κύρια αποτελέσµατα έχουν ως εξής :
-Ερµηνεία των µηχανισµών της φωτοαγωγιµότητας.
-Παρατηρήθηκε η εξάρτηση µεταξύ του φωτορεύµατος και του µεγέθους των
νανοκρυσταλλιτών.
-Ο χρόνος ωής των φωτο-διεγερµένων φορέων είναι µερικές δεκάδες µsec και η
επανασύνδεση είναι γραµµικού τύπου.
Η διατριβή κλείνει µε την περιγραφή της κατασκευής πρωτότυπης πειραµατικής
φωτοβολταϊκής διάταξης Si και τη µελέτη µεθόδων µεγιστοποίησης της απόδοσής
της. Η διάταξη αυτή µπορεί να χρησιµοποιηθεί στη συνέχεια για την ενσωµάτωση
νανοκρυσταλλιτών Si µε στόχο την περαιτέρω βελτίωση των χαρακτηριστικών της.
Λέξεις-κλειδιά:
Νανοκρυσταλλίτες πυριτίου, Φωτοβολταϊκά στοιχεία, Φραγή Coulomb
Ευρετήριο:
Όχι
Αρ. σελίδων ευρετηρίου:
0
Εικονογραφημένη:
Ναι
Αρ. βιβλιογραφικών αναφορών:
283
Αριθμός σελίδων:
176