Bedankt voor uw bezoek aan nature.com. U gebruikt een browserversie met beperkte ondersteuning voor CSS. Voor de beste raden die we u aan een meer actuele ervaring kunnen gebruiken (of de compatibele browser te gebruiken in Internet Explorer uit te schakelen). Om ondersteuning te bieden, geven we de site in de tijd zonder stijlen en JavaScript.

npj 2D Materials and Applications volume 5, Artikelnummer: 12 (2021 ) Citeer dit artikel

Oppervlaktepassivering is cruciaal voor veel zware solid-state apparaten, met zonnecellen. Er is voorgesteld dat 2D hexagonale boornitride (hBN) films een bijna ideale passivering kunnen bieden vanwege hun brede bandafstand, gebrek aan bungelende bindingen, hoge diëlektrische constante en ontwikkeld overdraagbaarheid naar een reeks substraatn zonder hun bulkeigenschappen te vrede. Tot nu toe is de passieve ring van het belang voor kleine gebieden, vooral vanwege de kleine afmetingen. Hier hebben we de passiveringskenmerken van waferschaal, enkele monolagen dik, hBN activa door metaalorganische chemische dampafzetting. Met behulp van een recente cellene ITOcel/i latenP-zonnestructuur zien we een significante verbetering zien in de prestaties van zonne door gebruik te maken van enkele monolagen van hBN als passiveringslaag. De dichtheid van interfacedefecten (bij de hBN/i-P) berekend met behulp van C–V-meting was 2 × 1012 eV−1cm−2 en werd bereikt voorbijen met verschillende vooraf geïnformeerde passiveringslagen. Zo kan hBN in de toekomst een mogelijke kandidaat zijn om passieve kwaliteit te bereiken. Op hBN gebaseerde passieve ringslagen kunnen vooral nuttig zijn in gevallen waarin de groei van op hanen afgestemde passieve ringslagen is mogelijk, zoals in het geval van dunne-film damp-vaste en dicht bij elkaar gelegen op damptransport gebaseerde III-V halfgeleidergroeitechnieken .

Aan het halfgeleideroppervlak kan abrupte van het rooster leiden tot defecte toestanden binnen de halfgeleiderbandgap. Deze toestanden van oppervlaktedefecten kunnen de werking van halfgeleider apparaten, zoals zonnecellen, mogelijke uitvoering. Passivering is een methode voor het verminderen van recombinatie door deze toestanden van oppervlaktedefecten en is een van de meest basale zonnecellen vereist voor het bereiken van hoogrenderende cellen. In rivaliserende III-V-zonnecellen epitaxiaal versterken, op een op elkaar afgestemde III-V-materialen een zeer hoogwaardige passieve ring mogelijk. De meeste van deze op het rooster afgestemde brede bandgap III-V's zijn alleen beschikbaar voor GaAs. Hoewel hoogrenderende InP-zonnecellen zijn gerealiseerd met behulp van rooster-gematchte InGaAs- en InAlAs-passiveringslagen, hebben beide materialen, wanneer ze aan de voorkant worden gebruikt, een aanzienlijke parasitaire herkenning vanwege de lage bandgaps2,3,4,5. Het ontbreken van een passieve laag met brede bandgap voor InP heeft de ontwikkeling fundamentele belemmerd in vergelijking met die van GaAs-zonnecellen1.

Behalve epitaxiale passieve ringslagen is er ook werk voor vervolg passieve niet-epitaxiale ringslagen te vinden, inclusief maar niet beperkt tot Al2O3, Gd2O3, LaF3, ZnO, ZnS, GaS, SiO2, MgO, Ta2O3, POx , Si3Nx, enz.1,6,7,8,9,10. Van veel van deze materialen is aangetoond dat ze functioneren als passieve ringslagen; in de meeste gevallen blijft de gecontroleerde en reproduceerbare vorming van een hoogwaardige en defectvrije passiveringslaag een uitdagende taak . Ook wordt het meeste werk voor III-V- weinig transistors, met zeer weinig rapporten over III-V-zonnecellen met hoog rendement, met behulp van diëlektrische passivering.

Aan de andere kant hebben ongerepte 2D-materialen, in het bijzonder hexagonaal boornitride (hBN), veel karakteristieke eigenschappen, resulteren uit een ideale passiveringslaag zijn. hBN en andere 2D-materialen hebben bijvoorbeeld geen bungelende binding en kunnen zonder bulkeigenschappen resulteren van te vernietigen11, 12. Ook heeft hBN een brede band stabiliteit en hoge diëlektrische constante (~ 2,4), waardoor het ideaal is voor oppervlaktepassivering13. Tot nu toe de meest ongerepte vorm van hBN ontvangen door mechanische afschilfering van bulkkristallen; de laterale grootte van geëxfolieerde vlokkenbaarheid is beperkt tot slechts enkele tientallen micron, wat de schaal en toepassing van hBN op een groot gebied beperkt beperkt. Daarom worden nieuwe methoden zoals chemische dampafzetting (CVD), metaal-organische chemische dampafzetting (MOCVD) en fysische dampafzetting onderzocht om hBN11,14 met een groot oppervlak te bereiken.

hBN is gebruikt als een passiveringslaag in zonnecellen op basis van silicium, GaAs, chalcogenide, organische en 2D-transitiemetaal-chalcogeniden13,15,16,17,18,19. In de meeste van deze gevallen was het gebruikte hBN echter erg klein van formaat, wat niet praktisch is voor de toepassing van echte zonnecellen. In deze studie helpen we de toepassing van hBN-films voor de passieve op InP gebaseerde zonnecellen uit. Centimeter-grote MOCVD-gegroeide hBN-films werden op InP om te groeien. We laten zien dat door MOCVD uitvoere hBN met succes i-InP/p -InP-zonnecellen kan passief zijn om de donkere stroom te verminderen, omgekeerd lekstroom met orden van grootte, wat leidt tot betere prestaties van het apparaat. De met hBN gepassiveerde cellen hebben een Voc van >800 mV, in vergelijking met 720 mV voor niet-gepassiveerd i-InP/p-InP-apparaat. We onderzoeken ook het effect van hBN-filmdiktes en tonen aan dat een dunnere hBN vereist is om een ​​hogere Jsc te bereiken, een dikkere hBN-film leidt tot betere passivering en hogere Voc. Externe kwantum efficiëncy (EQE) meting van hBN-gedachte zonnecellen laten duidelijk een significant verbeterde (~20%) respons zien in het blauwe gebied van het zonnespectrum, resulterend in de passieve van de zonnecellen in de aanwezigheid van hBN-monolagen wordt bevestigd. De passivering als gevolg van hBN wordt verder bevestigd door dubbele diodefitting en analyse van de donkere IV-curven. Om meer inzicht te krijgen in de passiveringseffecten van hBN, werden ultraviolette foto-elektronspectroscopie (UPS) en CV-metingen uitgevoerd. Op basis van de analyse van onze resultaten stellen we dat passieve effect van hBN als een gecombineerd effect is van directe kwantummechanische tunneling en interfaceladingoverdracht. We bespreken ook de elektronenselectiviteit van hN.

Figuur 1a toont een optische microfoto van 7 ML hBN ontworpen op SiO2 / Si-substraat. Het met hB bedekte gebied kan gemakkelijk worden geïdentificeerd vanwege het verschil in brekingsindex met lucht. De dikte van de hBN-film werd gemeten met behulp van een atoomkrachtmicroscoop (AFM). Figuur 1b, c toont de dikte van 5 en 7 ML gemeten langs de trederand, met behulp van AFM-linescans. Raman-spectra van 5 en 7 ML hBN-films worden getoond in figuur 1d. De piek bij 1368 cm-1 komt overeenstemming met de E2g-trillingsmodus van sp2-gebonden boornitride20, en de intensiteit ervan neemt toe met de filmdikte. Bovendien werd bevestigd aan de fabricage van het apparaat, de succesvolle overdracht van hBN op het InP-substraat ook bevestigd met behulp van röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS). Figuur 1, f toont het spectrum op datum en N met B-1s-kernniveaus bij afgeleide 190,6 en 398, wat de aanwezigheid van hBN op InP bevestigd.

een optische microfoto van hBN-monolaag op een SiO2 / Si-substraat voor AFM- en Raman-karakterisering. AFM-resultaten van b 5 ML en c 7 ML hBN. De geïnstalleerde hoogtevariatie van de film wordt weergegeven onder het AFM-beeld. d Dikteafhankelijke Raman-intensiteit van de hBN-laag. XPS-spectra van de B-1's en f N-1's van de hBN-laag gericht op InP.

Figuur 2 toont een 3D-schema en de transversale transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) beelden van de zonnecel. Om de prestatie van hBN als passiveringslaag te beoordelen, werden IV (licht en donker) en kwantum efficiëncymetingen uitgevoerd op InP-zonnecellen met en zonder hBN. Voor zowel 5 als 7 ML hBN-gepassiveerde monsters hebben we drie apparaten gefabriceerd en de resultaten waren zeer reproduceerbaar. Figuur 3a toont IV kenmerken van de hBN-InP zonnecel @ 1 zon. Uit de figuur blijkt vrij duidelijk dat de introductie van hBN zowel de Voc van de zonne-energie als effecten, ook de vulfactor wordt verbeterd. De maximale efficiëntie van 17,2% werd ontvangen voor 5 ML hBN met een Voc van 0,78 V, Jsc van 29,4 mA cm−2 en een FF van 75,2%. De efficiën van InP-zonnecel met 7 ML hBN werd gemeten als 15,7% met een Voc, Jsc en FF van beïnvloed 0,8 V, 27,1 mA cm−2 en 72,1%. Dit toont duidelijk aan dat een dikkere hBN een iets hoger Voc geeft, maar een lager lager Jsc, wat een hoger niveau kan zijn om optimale prestaties van het apparaat te bereiken. In vergelijking met zowel 5 als 7 ML gepassiveerde In, blijft de efficiëntie van niet-gepassiveerde ITO/i-InP/p-InP aanzienlijk lager op 11,5% met een Voc van 0,72 V, Jsc van 27,4 mA cm−2 en een FF van 58,6%. Hier willen we de datum vermelden voor de MOCVD-gegroeide hB-films is aangetoond dat voor de continue dekking over het gehele 2 inch saffiersubstraat een minimale groeitijd van 1 uur nodig was . Deze groeiduurs vorm in hBN-film met een dikte van 5 ML. Daarom konden in de huidige studie geen hBN-films dunner dan 5 ML worden ontvangen. Desalniettemin zal het in de toekomst spannend zijn om te zien van monolagen <5 ML ook voldoende hoge passieve ring kunnen bieden om een ​​hoog rendement te bereiken. Zoals verwacht, zijn de lagere Voc en Jsc voor niet-gepassive I/i-InTO-zonnecellen

een eenheidsweergave van verschillende lagen van de zonnecel. b Een transversale transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) afbeelding van de zonnecel met de verschillende lagen (schaalbalk: 200 nm). c Een vergroot TEM-beeld met 2,55 nm dikke hBN ingeklemd tussen ITO en i-InP (schaalbalk: 20 nm). Inzet toont de gelaagde structuur van hBN.

Vergelijk a IV @ 1 sun, b EQE, en c dark IV voor de zonnecellen met en zonder hBN-laag.

De EQE van een zonnecel is een functie van de golflengte en is een directe maat voor zijn Jsc. Het kan worden geschreven als een verhouding van het aantal door foto gegenereerde elektronen dat is verzameld tot het aantal vormen van energie die op het apparaat

waarbij Iph de gemeten stroom is in kortsluiting wanneer verlicht met licht van frequentie, \(\upsilon\) en optisch vermogen, Popt, e de elektronische lading is, h de constante van Planck is, en \({\Phi} _{\ mathrm{p}}\) is de fotonenflux. De berekende EQE is gerelateerd aan Jsc van een zonnecel met behulp van Vgl. (2).

waarbij Jsc kortsluitstroom wordt berekend voor EQE gemeten tussen \(\lambda\) 1 en \(\lambda\) 2. Met behulp van Vgl. (2), de Jsc berekend voor het niet-gepassiveerde apparaat is 26,7 mA cm−2, de Jsc berekend voor 5 ML en 7 ML gepassiveerde monsters die 28,9 en 27,1 mA cm−2 zijn. Zoals verwacht de berekende Jsc zeer dicht bij de Jsc gemeten met behulp van de door licht gegenereerde IV-curve weergegeven in Fig. 3a.

Omdat de verschillende golflengten van licht in verschillende gebieden van de zonnecel worden geabsorbeerd, kan golflengte-afhankelijke EQE verkrijgen over opto-elektronische verliezen in de verschillende gebieden van het apparaat. In het bijzonder het licht met een kleinere golflengte wordt geabsorbeerd in het bovenste deel van de absorberende laag, en de kwantumeffecten in dit regime de verliezen als gevolg van oppervlakterecombinatie. Figuur 3b toont de gemeten EQE als functie van de golflengte. Mannen kunnen zien dat er een significante verbetering is in de EQE van de zonnecel na 5 ML hBN-passivering in het golflengtegebied, dwz tussen 350 en 600 nm. Een verbetering van ~ 20% EQE in het lagere golflengtegebied voor 5 ML hN-gepassiveerde monsters in vergelijking met de niet-gepassiveerde monsters, op een significante verbetering van de recombinatie van het voor oppervlak. Bovendien, verwant met 5 ML gepassiveerde monsters, 7 ML gepassiveerde monsters ook een betere EQE in het lagere golflengteregime in vergelijking met niet-gepassiveerde monsters, en een iets hogere EQE 350 nm in met 5 ML hBN gepassiveerde monsters, wat een iets betere passieve ringing dan 5 ML gepasserde monsters. De algemene kwantum efficiëntie is echter lager dan 5 ML hBN van tunneling (zoals later besproken), met een grotere hBN-dikte die leidt tot een lagere verzameling van ladingsdragers, en Jsc volgens vergelijkingen (1) en (2).

Dark IV-kenmerken van een zonnecel bieden verschillende nuttige informatie over het gedrag van apparaten van recombinatiestroom, idealiteitsfactor, omgekeerde lekstroom en serie- en shuntweerstanden. De zekerheid IV van een zonnecel kan bevestigd worden met behulp van Vgl. (3) hieronder om parameters zoals J01, J02, n1, n2, Rs en Rsh af te leiden (ref. 10).

In verg. (3), afgeleid de parameters J01 en J02 weergegeven op donkere stroom als gevolg van diffusie en recombinatie in het uitputtingsgebied, n1 en n2 de ideale tijdsfactor van diodes, en Rs en Rsh de serie- en shunten, overwogen. Tabel 1 vergelijkt de aanpassingsparameters van drie verschillende monsters, en het is vrij duidelijk dat voor alle monsters01 bijna gelijk is, wat betekent dat de recombinatie in bulk identiek is in alle monsters. J02 is bijna een orde van grootte lager voor hBN-gepassiveerde monsters in vergelijking met het niet-gepassiveerde monster. Dit is de belangrijkste te beginnen aan het passieve effect van de hBN-laag, die het vervoer van de drager over de drager besproken (later besproken), en de recombinatie in de uitputtingsgebieden. Ook hebben alle zonnecellen een zeer hoge serie en lage shuntweerstand die ook tot uiting komt in de lagere vulfactor van de apparaten. Uitgaande van een model met dubbele diode, het vulfactorverlies als gevolg van series (\({\mathrm{{\Delta} }}{\mathrm{FF}}_{R_{\mathrm{s}}}\) ) en shuntweerstanden (\({\mathrm{{\Delta} }}{\mathrm{FF}}_{R_{\mathrm{sh}}}\) ) kan worden gegeven door Vgl. (4) (ref. 21).

In de bovenstaande vergelijking geeft FF0 de vulfactor van de weerstandsvrije cel en \({\mathrm{{\Delta} }}{\mathrm{FF}}_{R_{\mathrm{s}}}\) en \({\ mathrm{\Delta} } }{\mathrm{FF}}_{R_{\mathrm{sh}}}\) geven beïnvloed het vulfactorverlies aan als gevolg van serie- en shuntweerstanden. Bovendien kan naast weerstanden ook recombinatie in het uitputtingsgebied leiden tot een lagere vulfactor. Om het verlies als gevolg van een recombinatie van het uitputtingsgebied te berekenen, moeten we eerst een bovengrens van de vulfactor voor de cel berekenen, die kan worden berekend met behulp van een analytische berekening voorgesteld door Green22.

Combineren van vergelijkingen. (7) en (4) is het vulfactorverlies als gevolg van een recombinatie in het uitputtingsgebied eenvoudig het verschil tussen FFJ01 en FF0. Bovendien, met behulp van Vgl. 7 bleek de bovengrens van de vulfactor (FFJ01) voor zowel gepassiveerde als niet-gepassiveerde monsters >85% te zijn. Voor 5 ML hBN gepassive monsters, komt het vulfactorverlies als gevolg van serie- en shuntweerstand uit op gestuurd 4,1% en 0,1%, terwijl het J02-recombinatieverlies ~6,3% is. Voor 7 ML hBN gepassiveerde monsters, met een verhoogde dikte van hBN, neemt de serieweerstand iets toe, wat leidt tot een iets hogere serieweerstandsverlies. Echter, zoals verwacht, is vulfactorverlies als gevolg van shuntweerstand en J02-recombinatie verwerking met 5 ML gepassiveerde monsters. Het meest prominente vulfactorverliesmechanisme het recombinatieverlies als gevolg van J02-stroom is, wat consistent is met de eerder besproken resultaten.

Om het effect van hBN op de hBN/i-InP-interface beter te begrijpen, hebben we UPS-metingen uitgevoerd op ITO, i-InP en hBN/i-InP. De UPS-spectra voor monsters met en zonder hBN zijn uitgezet in figuur 4a, met bindingsenergie (BE) op de x-as en intensiteit op de y-as. Elke vooraf meting werd het instrument gekalibreerd tegen een standaard zilvermonster en werd de valentiebandmaxima (VBM) berekend door de bijdrage van de valentieband aan de BE-as te extrapoleren. De werkfunctie van de monsters werd berekend met behulp van de volgende vergelijking:

waarbij \(h\upsilon\) = 21,2 eV voor He-I-lijn, \(E_{{\mathrm{cut - off}}}\) wordt berekend door de secundaire elektronaanzet te extrapoleren naar de x-as, en \( E_{{\mathrm{Fermi}}\) is hete Fermi-niveau. Omdat we het voor elke meting hebben gekalibreerd (met behulp van een Ag-monster), gaan we voor de berekening van de werkfunctie uit van \(E_{{\mathrm{Fer}}}\) = 0. Met Vgl . (8) werd berekend op de werkfunctie van ITO en i-InP berekend op1 de 4,8 en 5 eV. Verrassend genoeg was er geen significante verandering in de werkfunctie van i-InP voor en na hBN-overdracht, zoals weergegeven in figuur 4a. Er was echter een verschuiving in VBM van i-InP na hBN-overdracht. Figuur 4b toont het vergrote valentiebandgebied van de i-InP, met en zonder hBN. De VBM van i-InP beweegt met bijna 0,27 eV naar het Fermi-niveau in aanwezigheid van hBN. Op basis van UPS-resultaten tekenen we een banddiagram dat wordt weergegeven in Fig. 4c. Het is vrij duidelijk in het banddiagram dat een accumulatie van elektronen is op het hBN/i-InP-interface, wat een belangrijk gevolg heeft in de richting van het verminderen van de interface-recombinatie en het aanpassen van de selectiviteit van zoals, zoals later wordt besproken in de sectie over passiveringsmechanismen.

een vergelijkende UPS-spectra van i-InP met en zonder hBN-monolaag. b Vergrote bijdrage van de valentieband van de UPS-spectra van i-InP met en zonder hBN-laag. c Banddiagram getekend met UPS-gegevens van de bandbuiging op de interface van hBN/i-InP te tonen.

Om de passieve ring bij de hBN/i-InP-interface verder te bevestigen, hoogfrequente (100 kHz) capaciteit-spanning (CV werden) uitgevoerd op Au/ITO/hBN/i-InP/i-InP/InP-teststructuren, waar ITO en Au door een schaduwmasker werden afgezet om cirkelvormige poortcontacten te vormen. Interfacetoestandsdichtheid (Dit) werd geëxtraheerd via de methode van Terman (Fig. 5)23, en energie afhankelijk interfacetoestandsdichtheid werd aangeboden bij zowel 5 als 7 ML hBN-gepassiveerde monsters, met een Dit van 2-3 × 1012 eV −1 cm− 2 in het midden van de opening. Dit steekt gunstig af bij rapporten voor andere passieve 3D-dunne films op InP, zoals feiten in tabel 2. In tegenstelling tot 3D-passiveringslagen is de passivering in het geval van 2D hBN echter niet te voorkomen aan de passivering van bungelende bindingen. Op basis van aanvankelijke rapporten stellen we dat 2D hN de overdracht van de oppervlaktedefecten passieve door toestanden van oppervlaktedefecten naar hBN, resulteren ze elektronisch inactief worden en de actieve interfacedefecte betrekking tot elektronische overdracht.

De energieafhankelijke dichtheid van de interfacetoestand geëxtraheerd voor de hBN-films van verschillende dikte uit hoogfrequente (100 kHz) CV-metingen. Merk op dat de schijnbare dip/minima tussen 0 en 0,4 eV een verwacht artefact is van de extractiemethode en moet worden genegeerd. Dit op het 10 Ei is Fermi-niveau in beide gevallen ~2 ×12 eV−1 cm−2 en iets hoger bij midgap (~37 meV <Ei voor InP bij kamertemperatuur).

Hoewel CV-meting bewijs levert van hBN-passivering, biedt het niet de reden voor dikteafhankelijke hBN-passivering, zoals blijkt uit IV- en EQE-metingen. Om verder uit te leggen, we hebben het mechanisme van ladingsdragertunneling over hBN-monolagen. Bijna alle kwantummechanische tunnelvergelijkingen zijn een uitbreiding van de standaard Fowler-Nordheim (FN) tunnelvergelijking, die in zijn eenvoudige vorm wordt gegeven door:

waarbij A, B en Fox als volgt worden gegeven:

In de bovenstaande vergelijking is Vox de spanning over het diëlektricum, \(\phi _{\mathrm{b}}\) is de effectieve barrièrehoogte, en \(m_{{\mathrm{ox}}}^ \ast\ ) is de elektromagnetische massa in de diëlerische laag (hBN). De FN-tunnelvergelijking voorspelt voornamelijk dat de tunnelstroom in aanwezigheid van een voldoende hoog elektrisch elektrisch afhangt van de barrièrehoogte tot de 3/2. De FN-vergelijking is echter alleen van toepassing op de driehoekige tunnel barrière, die vooral\ phi _{\mathrm{b}\} . In het huidige geval zijn we vooral geïnteresseerd in het laagspanningsregime, dwz Vox < \(\phi _{\mathrm{b}}\) , waar de meeste stroom door hBN vloeit via directe tunneling. Meest recent hebben Lee en Hu een aangepast FN-model voorgesteld om de directe tunnelstroom (Ji) te berekenen (Vgl. 10)25.

Het meest significante verschil tussen Vgl. (9) en (10) is dat ze een correctiefactor uit \(C\left( {V,V_{{\mathrm{ox}}},t_{\mathrm{ox}}},\phi _{i , {\mathrm{ox}}}} \right)\) gegeven door:

waarbij, \(i\left( = {\mathrm{ECB}}\, {\mathrm{or}}\, {\mathrm{HVB}} \right)\) de indexen zijn om tunneling van een elektron uit de geleidingsband (i = ECB) van tunneling van gaten uit de valentieband (i = HVB), N is de dichtheid van dragers in de inversie- of accumulatielaag, en \(\alpha _{i,{\mathrm{ox}} }\) is een passende parameter. De exponentiële term die is gebaseerd op de correctiefactor houdt rekening met secundaire effecten en heeft alleen invloed op de kromming van tunnelkarakteristieken. Maar een van de voordelen van het gebruik van de vergelijking van Lee en Hu is dat het de tunnelstroom direct correleert met de accumulatie en inversie van dragers, en de geleidings- en valentieband-offsets van i-InP/hBN (zie figuur 6). Over het algemeen, vgl. (9) en (10) laten zien geleiding zien dat de tunnelstroom bij gegeven spanningsopbouw is met de dikte van de diëlektrische laag en bandoffsets, en recht gelijk is met de ladingsdragerdichtheid op de diëlektrische/halfinterface (hN/i -InP). Daarom biedt in het huidige scenario een dunnere hBN-laag een hogere Jsc in vergelijking met dikkere hBN-films. met een grotere dikte van de hBN-laag, zal ook de tunnelstroom van gaten verminderen Waardevol met een dunnere film.

Een banddiagram dat de directe kwantummechanische tunneling van i-InP naar ITO weergeeft. In de eerste kunnen twee tunnelcomponenten worden berekend met behulp van Vgl. (10): elektronentunnelstroom uit de geleidingsband (JECB) en gattunneling uit de valentieband (JVB). ϕECB is de barrièrehoogte voor tunneling van de i-InP-geleidingsband met ITO, en ϕHVB is de barrièrehoogte voor gaten die tunnelen van de i-InP-valentieband naar ITO. Omdat ϕECB < ϕHVB, en er is een opeenhoping van elektronen op het grensvlak, JHVB.

Naast de passiveringslaag kan hBN ook als selectief contact werken. Voorheen werden tunnelbarrières ook gebruikt als selectieve contacten26,27,28. Voor zonnecellen die diëlektricum gebruiken als selectief contact, Peibst et al. . Uitgaande van een consequente diëlektrische barrière (zoals weergegeven in Fig. 6)

In de bovenstaande vergelijking zijn Te en Th uitwerking- en gatentunnelkansen, tox is de dikte van de diëlektrische laag, \(m_\mathrm{ox,e}}}^ \ast\) en \(m_{ {\mathrm {ox,h}}}^ \ast\) zijn afgeleide effectieve massa van elektronen en gaten in het diëlektricum. De massa van elektronen en gaten in 2D hBN is bij ~0,54 m0 (ref. 29). Daarom wordt voor een zekere dikte van hBN de selectiviteit van de uitsluitend bepaalde door de barrièrehoogte. Daarom neemt de barrièrehoogte voor elektronentunneling af en werkt hB als een elektronenselectief. Daarentegen, when er een opeenhoping van gaten is op het grensvlak, zal het selectief worden voor gaten. Dit is de reden waarom eerder is gemeld dat hBN werkt als selectieve correspondentie voor oorspronkelijk als de accumulatie van de gaten is op de hBN/halfinterface30.

De hBN-films werden oorspronkelijk op in de handel verkrijgbaar 2 inch saffiersubstraat met behulp van MOCVD, zoals beschreven in ref. 14. De dikte van de films werd geregeld door de groeitijd te variëren. Hoewel verschillende diktes van hBN werden onderzocht voor passieve ring, om onze discussie beknopt te houden, bespreken we hier alleen de resultaten van twee verschillende hBN-films met een dikte van ~ 1,65 en ~ 2,15 nm, wat begonnen met vijf en zeven monolagen van hBN (ook wel overwogen 5 ML en 7 ML).

Voor de passieve ring van het P-oppervlak van hBN-films van cm-formaat InP met behulp van de methoden beschreven in ref. 20. Eerst werd het saffiersubstraat (met hBN) in een stukje van cm-formaat gebroken. Later PMMA door spincoating op het hBN/saffiersubstraat werd en op een hete plaat gebakken om overtollig oplosmiddel te verwijderen. De hBN-laag werd vervolgens in een 2% HF-zuurbad laten drijven. Het zuur bevochtigde het hBN-saffier-interface en etste het saffiersubstraat lateraal. Na korte tijd scheidde de hBN-laag zich van de saffier en dreef op het oppervlak van het HF-bad. Vervolgens werd de drijvende hBN-PMMA-stapel- uit de oplossing gevist en meerdere keren gewassen in gedeïoniseerd (DI) water om onderliggende achtergebleven HF te verwijderen. Het hBN-PMMA werd vervolgens voorzichtig gelicht op het oppervlak van een DI-waterbad en vervolgens gericht op het InP-substraat. Mannen lieten enkele uren onder omgevingstemperatuur drogen. Uiteindelijk werd PMMA verwijderd in aceton. Met hetzelfde proces werd de hN-PMMA-stapel ook gericht naar een vlak SiO2 / Si-substraat voor verdere karakterisering. Na het verwijderen van de PMMA-laag is de hBN-films gekarakteriseerd met behulp van AFM- en Raman-spectroscopie. Ten slotte werd transversale TEM-lamel bereid door gefocusseerde ionenbundelfrezen met behulp van FEI's Helios 600 NanoLab, en TEM met hoge resolutie werd uitgevoerd met een JEOL 2100 F-instrument.

Een 3D-schema en de transversale TEM-afbeeldingen van de zonnecel worden getoond in Fig. 1. Het bestaat uit een back ohms contact met lage weerstand, een p -InP-basis, een i-InP-absorberende laag, een hBN-laag , een ITO laag en een metalen contact over ITO. De fabricage van het apparaat begon met de groei van de epilaag van 2 micron dik i-InP op een p -InP-wafer. Vervolgens werd een Zn/Au (20 nm/100 nm) metaalcontactlaag verdampt op de achterkant van het p -InP-substraat, uitgegloeid bij 400 °C in vormgas (5% H2:95% N2) gedurende 40 min. om een ​​rugcontact met lage weerstand te creëren. Vervolgens werd MOCVDgegroeid hBN-op het InP-substraat, zoals hierboven beschreven. Het hBN hecht zich aan de InP door middel van Van der Waals-binding en blijft onaangetast tijdens de verdere verwerking van de monsters. Later werd ITO door sputteren bovenop het hBN afgezet met behulp van de omstandigheden die zijn vermeld in ref. 5 Ten slotte wordt een 500 nm dik zilver verdampt door een masker om het bovenste contact te vormen schaduw. Ter vergelijking onder identieke verwerkingsomstandigheden parallel ook een hBN-laag gefabriceerd.

De karakterisering van het apparaat begon met de bevestiging van de succesvolle overdracht van hBN op InP met XPS. Om de bandverbuiging op de interface van ITO/hBN/i-InP te begrijpen, werden UPS-metingen uitgevoerd op i-InP, hBN/i-InP en ITO. De IV-kenmerken van de apparaten zijn ontvangen met behulp van een Oriel-zonnesimulator en IV-teststation, onder de 1-zon @ luchtmassa 1,5 G (bij 25 ° C) en in het donker. Voor elke meting werd de zonnesimulator gekalibreerd op 1-zon @ luchtmassa 1,5 Gbij 25 °C), met behulp van een standaard testmonster dat door de fabrikant werd geleverd. De donkere IV-curve werd aangepast met behulp van de dubbele diodevergelijking om het effect van hBN-passivering te geïntegreerd. Het algoritme dat voor de aanpassing werd gebruikt, is gebaseerd op het werk van Suckow et al.21,22. De EQE van het monster werd gemeten bij kamertemperatuur met behulp van een kwantum efficiëntie-opstelling van Oriel. Net als bij de zonnesimulator, werd de EQE-opstelling gekalibreerd met behulp van een in de handel verkrijgbaar testmonster verkregen van de fabrikant.

De gegevens die in dit onderzoek zijn gebruikt, zijn op verzoek verkrijgbaar bij de corresponderende auteur VR

Raj, V., Tan, HH & Jagadish, C. Niet-epitaxiale carrier-selectieve contacten voor III-V-zonnecellen: een overzicht. toepassing Mater. Vandaag 18, 100503 (2019).

Raj, K. Jain. InP zonnecel met raamlaag. VS-octrooi, US 5322573 (1994).

Connolly, JP & Mencaraglia, D. in materiaaluitdagingen: anorganische fotovoltaïsche zonne-energie, 209-246 (The Royal Society of Chemistry, Cambridge, 2015).

Mar, JM State-of-the-art van III-V-zonnecelfabricagetechnologieën, apparaatontwerpen en toepassingen. in Advanced Photovoltaic Cell Design, Ch. 1, 1−8 (EN548, 2004).

Raj, V. et al. Op indiumfosfide gebaseerde zonnecel met ultradun ZnO als een elektronenselectieve laag. J. Fys. D-app. Fys. 51, 395301 (2018).

Robertson, J., Guo, Y. & Lin, L. Passivering van defecte toestand bij III-V-oxide-interfaces voor complementaire metaal-oxide-halfgeleiderapparaten. J. Appl. Fys. 117, 112806 (2015).

Lin, L. & Robertson, J. Defecttoestanden bij III-V halfgeleideroxide-interfaces. toepassing Fys. Laten. 98, 082903 (2011).

Zhou, L. et al. Kort overzicht van oppervlaktepassivering op III-V-halfgeleider. Kristallen 8, 226 (2018).

Raj, V., Fu, L., Tan, HH & Jagadish, C Ontwerpprincipes voor de fabricage van op InP gebaseerde radiale junctie nanodraadzonnecellen met behulp van een selectief contact. IEEE J. Fotovolt. 9, 980-991 (2019).

Raj, V., Vora, K., Fu, L., Tan, HH & Jagadish, C. Hoogrenderende zonnecellen van substraat met een extreem lage levensduur van minderheidsdragers met behulp van nanodraadarchitectuur met radiale junctie. ACS Nano 13, 12015-12023 (2019).

Hui, F. et al. Over het gebruik van tweedimensionaal hexagonaal boornitride als diëlektricum. Micro-elektron. Ing. 163, 119-133 (2016).

Cinzia CFW 2D-materialen voor nano-elektronica (CRC Press, Boca Raton, 2016).

Shanmugam, M., Jacobs-Gedrim, R., Durcan, C. & Yu, B. 2D gelaagde isolator hexagonaal boornitride maakte oppervlaktepassivering mogelijk in met kleurstof gesensibiliseerde zonnecellen. Nanoschaal 5, 11275-11282 (2013).

Chugh, D. et al. Flow modulatie epitaxie van hexagonaal boornitride. 2D Mater. 5, 045018 (2018).

Cho, A.-J. & Kwon, J.-Y. Zeshoekige boornitride voor oppervlaktepassivering van tweedimensionale van der Waals heterojunctie zonnecellen. ACS-app. Mater. Interfaces 11, 39765-39771 (2019).

Kalita, G., Kobayashi, M., Shaarin, MD, Mahyavanshi, RD & Tanemura, M. Schottky-barrièrediode-kenmerken van grafeen-GaN-heterojunctie met hexagonale boornitride-grensvlaklaag. Fys. Status Solidi A 215, 1800089 (2018).

Li, X. et al. Grafeen/h-BN/GaAs sandwichdiode als zonnecel en fotodetector. opt. Express 24, 134-145 (2016).

Li, Q., Zhou, Q., Shi, L., Chen, Q. & Wang, J. Recente ontwikkelingen in oxidatie- en degradatiemechanismen van ultradunne 2D-materialen onder omgevingsomstandigheden en hun passiveringsstrategieën. J. Mater. Chem. A 7, 4291-4312 (2019).

Shanmugam, M., Jain, N., Jacobs-Gedrim, R., Xu, Y. & Yu, B. Gelaagde isolator hexagonaal boornitride voor oppervlaktepassivering in quantum dot-zonnecel. toepassing Fys. Laten. 103, 243904 (2013).

Chugh, D., Jagadish, C. & Tan, H. Zeshoekig boornitride met groot oppervlak voor oppervlakteversterkte raman-spectroscopie. Adv. Mater. technologie. 4, 1900220 (2019).

Khanna, A. et al. Een vulfactorverliesanalysemethode voor zonnecellen van siliciumwafels. IEEE J. Fotovolt. 3, 1170-1177 (2013).

Green, MA Nauwkeurigheid van analytische zonne-woorden voor vulfactoren van cellen. Sol. Cellen 7, 337-340 (1982).

Terman, LM Een onderzoek naar oppervlaktetoestanden op een silicium/siliciumoxide-interface met behulp van metaaloxide-siliciumdiodes. Solid State Elektron. 5, 285-299 (1962).

Park, JH et al. Defecte passivering van overgangsmetaal dichalcogeniden via een ladingsoverdracht van der Waals-interface. Wetenschap. Adv. 3, e1701661 (2017).

Wen-Chin, L. & Chenming, H. Modellering van poort- en substraatstromen als gevolg van geleidings- en valentiebandelektronen en gatentunneling [CMOS-technologie]. In 2000 Symposium over VLSI-technologie. Digest of Technical Papers (Cat. No.00CH37104) 198-199 (IEEE, Honolulu, HI, 2000).

Peibst, R. et al. Werkingsprincipe van carrier-selectieve poly-Si/c-Si-juncties: is tunnelen het hele verhaal? Sol. Energie Mater. Sol. 158, 60-67 (2016).

Rienäcker, M. et al. Overgangsweerstand van carrier-selectief polysilicium op oxide-overgangen en de impact op de prestaties van zonnecellen. IEEE J. Fotovolt. 7, 11-18 (2017).

Wietler, TF et al. Pinhole-dichtheid en contactweerstand van dragerselectieve overgangen met polykristallijn silicium op oxide. toepassing Fys. Laten. 110, 253902 (2017).

Cao, XK, Clubine, B., Edgar, JH, Lin, JY & Jiang, HX Tweedimensionale excitonen in driedimensionaal hexagonaal boornitride. toepassing Fys. Laten. 103, 191106 (2013).

Chu, D., Lee, YH & Kim, EK Selectieve controle van elektronen- en gattunneling in 2D-assemblage. Wetenschap. Adv. 3, e1602726 (2017).

Dit werk wordt ondersteund door de Australian Research Council via de Discovery-Project-. Toegang tot de epitaxiale groei- en fabricagefaciliteiten wordt mogelijk gemaakt door de steun van de Australian National Fabrication Facility, ACT Node.

Deze auteurs gedragen gelijkelijk bij: Vidur Raj, Dipankar Chugh.

Department of Electronic Materials Engineering, Research School of Physics, The Australian National University, Canberra, ACT, 2601, Australië

Vidur Raj, Dipankar Chugh, Hark Hoe Tan & Chennupati Jagadish

Research School of Electrical, Energy and Materials Engineering, ANU College of Engineering and Computer Science, The Australian National University, Canberra, ACT, 2601, Australië

Lachlan E. Black, MM Shehata & Daniel H. Macdonald

Australian National Fabrication Facility, Research School of Physics, The Australian National University, Canberra, ACT, 2601, Australië

Centrum voor geavanceerde microscopie, de Australian National University, Canberra, ACT, 2601, Australië

ARC Centre of Excellence voor transformatieve meta-optische systemen, de Australian National University, Canberra, ACT, 2601, Australië

Hark Hoe Tan & Chennupati Jagadish

U kunt deze auteur ook zoeken in PubMed Google Scholar

U kunt deze auteur ook zoeken in PubMed Google Scholar

U kunt deze auteur ook zoeken in PubMed Google Scholar

U kunt deze auteur ook zoeken in PubMed Google Scholar

U kunt deze auteur ook zoeken in PubMed Google Scholar

U kunt deze auteur ook zoeken in PubMed Google Scholar

U kunt deze auteur ook zoeken in PubMed Google Scholar

U kunt deze auteur ook zoeken in PubMed Google Scholar

U kunt deze auteur ook zoeken in PubMed Google Scholar

LEB en MMSn CV-meting en analyse uit. LL en FKn uitschakeling FIB en TEM uit. DHM, HHT en CJ begeleidden het project. VR schreef het manuscript met bijdrage van alle auteurs. Alle auteurs hebben goedgekeurd aan de definitieve versie van het manuscript.

Correspondentie ontmoette Vidur Raj van Hark Hoe Tan.

De auteurs verstrekt geen belangen.

Opmerking van de uitgever Springer Nature blijft neutraal met betrekking tot jurisdictieclaims in gepubliceerde kaarten en toekomstige affiliaties.

Open Access Dit artikel is gelicentieerd onder een Creative Commons Attribution 4.0 International License, die, delen, aanpassing, distributie en reproductie in elk medium van formaat staat, zolang je de auteur(s) en de bron op de juiste manier vermeldt, geef een link naar de Creative Commons-licentie en geef aan of er wijzigingen zijn mooi. De afbeeldingen van ander materiaal van derden in dit artikel zijn opgenomen in de Creative Commons-licentie van het artikel, tenzij anders aangegeven in een kredietlijn bij het materiaal. Als materiaal is niet opgenomen in de Creative Commons en uw gebruik niet is toegestaan ​​door de wettelijke voorschriften van het artikel gebruik overschrijdt, dient u rechtstreeks te verkrijgen van de auteursrechthebbende. Ga naar http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ om een ​​kopie van deze licentie te bekijken.

Raj, V., Chugh, D., Black, LE et al. Passiveren van InP-zonnecellen met behulp van hexagonale BN-lagen met een groot oppervlak. npj 2D Mater Appl 5, 12 (2021). https://doi.org/10.1038/s41699-020-0192-y

DOI: https://doi.org/10.1038/s41699-020-000192-y

Iedereen met wie u de volgende link deelt, kan deze inhoud lezen:

Sorry, er is momenteel geen deelbare link beschikbaar voor dit artikel.

Geleverd door het Springer Nature SharedIt-initiatief voor het delen van inhoud

npj 2D Materialen en Toepassingen (npj 2D Mater Appl) ISSN 2397-7132 (online)