Manufacturing and characterization of amorphous silicon alloys passivation layers for silicon hetero-junction solar cells

Nel presente lavoro di tesi magistrale sono stati depositati e caratterizzati film sottili (circa 10 nm) di silicio amorfo idrogenato (a-Si:H), studiando in particolare leghe a basso contenuto di ossigeno e carbonio. Tali layer andranno ad essere implementati come strati di passivazione per wafer di Si monocristallino in celle solari ad eterogiunzione HIT (heterojunctions with intrinsic thin layer), con le quali recentemente è stato raggiunto il record di efficienza pari a 24.7% . La deposizione è avvenuta mediante PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition). Tecniche di spettroscopia ottica, come FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy) e SE (spettroscopic ellipsometry) sono state utilizzate per analizzare le configurazioni di legami eteronucleari (Si-H, Si-O, Si-C) e le proprietà strutturali dei film sottili: un nuovo metodo è stato implementato per calcolare i contenuti atomici di H, O e C da misure ottiche. In tal modo è stato possibile osservare come una bassa incorporazione (< 10%) di ossigeno e carbonio sia sufficiente ad aumentare la porosità ed il grado di disordine a lungo raggio del materiale: relativamente a quest’ultimo aspetto, è stata sviluppata una nuova tecnica per determinare dagli spettri ellisometrici l’energia di Urbach, che esprime la coda esponenziale interna al gap in semiconduttori amorfi e fornisce una stima degli stati elettronici in presenza di disordine reticolare. Nella seconda parte della tesi sono stati sviluppati esperimenti di annealing isocrono, in modo da studiare i processi di cristallizzazione e di effusione dell’idrogeno, correlandoli con la degradazione delle proprietà optoelettroniche. L’analisi dei differenti risultati ottenuti studiando queste particolari leghe (a-SiOx e a-SiCy) ha permesso di concludere che solo con una bassa percentuale di ossigeno o carbonio, i.e. < 3.5 %, è possibile migliorare la risposta termica dello specifico layer, ritardando i fenomeni di degradazione di circa 50°C.

Test di silicon photomultipliers (sipm) accoppiati a scintillatori

In questa tesi si riportano i risultati di uno studio della risoluzione temporale di un fotomoltiplicatore al Silicio (SiPM). La diffusione di questi rivelatori è in notevole aumento sia nelle ricerche di Fisica Nucleare e Subnucleare che nelle applicazioni mediche. I vantaggi sono legati alla loro insensibilità ai campi magnetici e ai facili modi di operazione (piccoli, robusti e con utilizzo a basso voltaggio). Usati sino ad ora per la misura di cariche, sono oggi di grande interesse per possibili applicazioni che richiedano alta risoluzione temporale (sistemi di tempo di volo, trigger, calorimetria). In questo studio sono stati studiati due tipi diversi di accoppiamento Scintillatore-SiPM: diretto o tramite fibre. Per queste analisi sono stati utilizzati diversi metodi di acquisizione e successivamente si sono incrociati i relativi risultati.

Silicon oxide nitride (sion) films per applicazioni fotovoltaiche

La ricerca, negli ultimi anni, si è concentrata sullo studio di materiali con energy gap più ampio del silicio amorfo a-Si per ridurre gli assorbimenti parassiti all'interno di celle fotovoltaiche ad eterogiunzione. In questo ambito, presso l'Università di Costanza, sono stati depositati layers di silicon oxynitride amorfo a-SiOxNy. Le promettenti aspettative di questo materiale legate all'elevato optical gap, superiore ai 2.0 eV, sono tuttavia ridimensionate dai problemi intrinseci alla struttura amorfa. Infatti la presenza di una grande quantit a di difetti limita fortemente la conducibilita e aumenta gli effetti di degradazione legati alla luce. In quest'ottica, nella presente tesi, sono stati riportati i risultati di analisi spettroscopiche eseguite presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna su campioni di silicon oxynitride nanocristallino nc-SiOxNy, analisi che hanno lo scopo di osservare come la struttura nanocristallina influisca sulle principali proprieta ottiche e sulla loro dipendenza da alcuni parametri di deposizione.

Studio delle proprieta ottiche di film di silicon oxynitrides (sion) per applicazioni fotovoltaiche

Nelle celle solari HIT (Heterojunction Intrinsic Thin layer) attualmente in circolazione il materiale maggiormente utilizzato è sicuramente il silicio, per la sua buona caratteristica di assorbimento e disponibilità in natura. Tuttavia, la struttura amorfa del silicio impiegato come emettitore, limita fortemente la conducibilità e aumenta gli effetti di degradazione legati all'esposizione alla luce. In quest'ottica, nel presente lavoro di tesi, vengono analizzati sottili layers di Silicon Oxynitride ossigenato, depositati in forma nanocristallina presso l'Università di Costanza su substrati in vetro, tramite PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition). Il materiale, che non presenta i difetti intrinseci della forma amorfa, è dal punto di vista delle proprietà fisiche fondamentali ancora poco conosciuto e rappresenta una possibile alternativa agli analoghi campioni in forma amorfa. Le misure e le analisi presentate in questa tesi, svolte presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna, sono finalizzate ad indagare le principali proprietà ottiche, quali l'energy gap e l'indice di rifrazione dei layers. I risultati ottenuti, espressi in funzione dei parametri di deposizione, mostrano che un aumento della concentrazione di ossigeno in fase di deposito implica un aumento lineare dell'ampiezza dell'energy gap e un calo dell'indice di rifrazione. Anche altri parametri come la potenza di deposito e il tempo di annealing sembrano giocare un ruolo importante sul valore dell'energy gap. I risultati appaiono inoltre essere in buon accordo con quanto ottenuto da studi precedenti su layers simili ma con una maggiore fase amorfa. In conclusione, la possibilità di regolare il valore dell'energy gap e l'indice di rifrazione in base ai parametri di deposizione, unita alle buone prerogative tipiche dei materiali cristallini, conferisce al materiale buone prospettive per applicazioni fotovoltaiche come emettitori in celle ad eterogiunzione o rivestimenti con proprietà antiriflettenti

Film di silicon oxinitride (sion) per applicazioni fotovoltaiche, studio di transizioni ottiche.

I materiali per applicazioni fotovoltaiche hanno destato un interesse crescente nella comunità scienti�ca negli ultimi decenni. Le celle HIT (Het- erojunction Intrinsic Thin Layer ) sono dispositivi di ultima generazione che hanno raggiunto e�cienza elevata mantenendo bassi i costi di pro- duzione, e impiegano silicio amorfo (a-Si) come strato emettitore per il suo buon assorbimento della luce e silicio cristallino come regione attiva. La struttura amorfa del silicio presenta però una bassa conducibilità, oltre ad e�etti di degradazione che limitano considerevolmente la durevolezza di una cella. Per questo motivo si stanno cercando possibili alternative al silicio amorfo, in particolare strutture multifase e composti di silicio, ossigeno ed azoto. In questo lavoro sono esposti i risultati dell'analisi di sottili lay- er di Silicon Oxynitride ossigenato (SiOx Ny :H), in forma microcristallina, deposti tramite PECVD (P lasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) su vetro presso l'università di Costanza. La forma microcristallina è una distribuzione di agglomerati cristallini dell'ordine di grandezza di un mi- crometro in una matrice di silicio amorfo, e attualmente le sue proprietà ottiche ed elettroniche non sono ancora state studiate in maniera appro- fondita. Nonostante ciò, è invece evidente che la fase microstallina non presenta tanti difetti intrinseci come la forma amorfa e ne è quindi una val- ida alternativa. In questa ottica, si è svolto uno studio sperimentale delle proprietà ottiche di layers in forma microcristallina di SiOx Ny :H, quali la misura del gap energetico. I risultati sperimentali, volti a trovare la dipen- denza delle caratteristiche dai parametri di deposizione dei layers, hanno mostrato una riduzione del gap energetico con la concentrazione di N2 O, uno dei gas precursori utilizzati nella deposizione dei layers in camera di processo. In conclusione si può dire che il μc−SiOx Ny :H ha le buone carat- teristiche tipiche dei semiconduttori cristallini, che unite alla possibilità di regolare il valore del gap energetico in base alle scelte in fase di deposizione, gli conferisce buone prospettive per applicazioni in celle fotovoltaiche, come emettitore in celle ad eterogiunzione.

Characterization of integrated Bragg gratings in silicon-on-insulator

Silicon-on-insulator (SOI) is rapidly emerging as a very promising material platform for integrated photonics. As it combines the potential for optoelectronic integration with the low-cost and large volume manufacturing capabilities and they are already accumulate a huge amount of applications in areas like sensing, quantum optics, optical telecommunications and metrology. One of the main limitations of current technology is that waveguide propagation losses are still much higher than in standard glass-based platform because of many reasons such as bends, surface roughness and the very strong optical confinement provided by SOI. Such high loss prevents the fabrication of efficient optical resonators and complex devices severely limiting the current potential of the SOI platform. The project in the first part deals with the simple waveguides loss problem and trying to link that with the polarization problem and the loss based on Fabry-Perot Technique. The second part of the thesis deals with the Bragg Grating characterization from again the point of view of the polarization effect which leads to a better stop-band use filters. To a better comprehension a brief review on the basics of the SOI and the integrated Bragg grating ends up with the fabrication techniques and some of its applications will be presented in both parts, until the end of both the third and the fourth chapters to some results which hopefully make its precedent explanations easier to deal with.

Looking for silicene: studies of silicon deposition on metallic and semiconductor substrates

Nel presente lavoro espongo i risultati degli esperimenti svolti durante la mia internship all’Institut des NanoSciences de Paris (INSP), presso l’Università Pierre et Marie Curie (Paris VI), nel team "Phisico-Chimie et Dynamique des Surfaces", sotto la supervisione del Dott. Geoffroy Prévot. L’elaborato è stato redatto e in- tegrato sotto la guida del Dott. Pasquini, del dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Bologna. La tesi s’inserisce nel campo di ricerca del silicene, i.e. l’allotropo bidimensionale del silicio. Il cosidetto free-standing silicene è stato predetto teoricamente nel 2009 utilizzando calcoli di Density Functional Theory, e da allora ha stimolato un’intensa ricerca per la sua realizzazione sperimentale. La sua struttura elettronica lo rende particolarmente adatto per eventuali appli- cazioni tecnologiche e sperimentali, mentre lo studio delle sue proprietà è di grande interesse per la scienza di base. Nel capitolo 1 presento innanzitutto la struttura del silicene e le proprietà previste dagli studi pubblicati nella letteratura scientifica. In seguito espongo alcuni dei risultati sperimentali ottenuti negli ultimi anni, in quanto utili per un paragone con i risultati ottenuti durante l’internship. Nel capitolo 2 presento le tecniche sperimentali che ho utilizzato per effettuare le misure. Molto tempo è stato investito per ottenere una certa dimistichezza con gli apparati in modo da svolgere gli esperimenti in maniera autonoma. Il capitolo 3 è dedicato alla discussione e analisi dei risultati delle misure, che sono presentati in relazione ad alcune considerazioni esposte nel primo capitolo. Infine le conclusioni riassumono brevemente quanto ottenuto dall’analisi dati. A partire da queste considerazioni propongo alcuni esperimenti che potrebbero ulteriormente contribuire alla ricerca del silicene. I risultati ottenuti su Ag(111) sono contenuti in un articolo accettato da Physical Review B.

Efficiency limits for silicon/perovskite tandem solar cells: a theoretical model

The primary goal of this work is related to the extension of an analytic electro-optical model. It will be used to describe single-junction crystalline silicon solar cells and a silicon/perovskite tandem solar cell in the presence of light-trapping in order to calculate efficiency limits for such a device. In particular, our tandem system is composed by crystalline silicon and a perovskite structure material: metilammoniumleadtriiodide (MALI). Perovskite are among the most convenient materials for photovoltaics thanks to their reduced cost and increasing efficiencies. Solar cell efficiencies of devices using these materials increased from 3.8% in 2009 to a certified 20.1% in 2014 making this the fastest-advancing solar technology to date. Moreover, texturization increases the amount of light which can be absorbed through an active layer. Using Green’s formalism it is possible to calculate the photogeneration rate of a single-layer structure with Lambertian light trapping analytically. In this work we go further: we study the optical coupling between the two cells in our tandem system in order to calculate the photogeneration rate of the whole structure. We also model the electronic part of such a device by considering the perovskite top cell as an ideal diode and solving the drift-diffusion equation with appropriate boundary conditions for the silicon bottom cell. We have a four terminal structure, so our tandem system is totally unconstrained. Then we calculate the efficiency limits of our tandem including several recombination mechanisms such as Auger, SRH and surface recombination. We focus also on the dependence of the results on the band gap of the perovskite and we calculare an optimal band gap to optimize the tandem efficiency. The whole work has been continuously supported by a numerical validation of out analytic model against Silvaco ATLAS which solves drift-diffusion equations using a finite elements method. Our goal is to develop a simpler and cheaper, but accurate model to study such devices.

Study of Periodic and Quasi-Periodic Structures in Silicon-on-Insulator

In this thesis, a numerical design approach has been proposed and developed based on the transmission matrix method in order to characterize periodic and quasi-periodic photonic structures in silicon-on-insulator. The approach and its performance have been extensively tested with specific structures in 2D and its validity has been verified in 3D.

Studio e caratterizzazione di sensori Silicon PhotoMultiplier (SiPM) per applicazioni di timing nell'esperimento ALICE 3

Lo studio che verrà presentato in questo lavoro di tesi riguarda la caratterizzazione di Silicon PhotoMultiplier (SiPM): essi sono sensori a semiconduttore che sono stati proposti per la realizzazione del layer Time-Of-Flight (TOF) del nuovo esperimento proposto ad LHC, ALICE 3. Sono stati testati sensori diversi, sia in termini di casa di fabbricazione (FBK o HPK), sia in termini di struttura; in particolare, i modelli a disposizione di produzione FBK sono singoli SPAD, singoli SiPM e mini-array di SiPM, mentre i modelli HPK sono tutti singoli SiPM. La caratterizzazione è avvenuta mediante misure di corrente e capacità del sensore al variare della tensione (curve IV e curve CV); l'obiettivo primario è studiare e confrontare tali andamenti, in modo da poter selezionare i sensori con caratteristiche simili per la costruzione del layer del TOF. Si è osservato che sensori della stessa casa produttrice e con la stessa struttura interna esibiscono comportamenti quasi sovrapponibili, dimostrando in generale una ottima uniformità.

Characterization of innovative kerfless cutting of monocrystalline silicon wafers for photovoltaic applications

Nowadays renewable energies are a hot research topic, and the goal is to improve cell efficiency and reduce production costs, aiming to make the use of photovoltaics increasingly widespread and convenient. Monocrystalline silicon solar cells are leaders in the photovoltaic market. However, market-established cutting techniques produce a consistent amount of material waste when cutting ingots into wafers. The“Stress-induced LIft-Off Method” (SLIM) is emerging in recent years as an alternative, more sustainable separation technique, which reduces material loss and can lead to obtaining increasingly thinner wafers, further reducing the required amount of silicon. This thesis presents the micro-characterization of the separated wafers with the SLIM technique. The wafers were obtained with a two-step procedure. First, a layer of defects was induced in the silicon using ultra-short medium-infrared laser pulses. Then, the material was deposited on one of the sides and induced stress in the silicon, such as to further weaken it. In this way, only rapid cooling is required for detachment to occur. The obtained results indicate that the SLIM-cut technique halves the minority carriers’ lifetime. There is no amorphization, crystal disorder or high-pressure phases. However, changes in the Raman spectra suggest that tensile stress may have been produced on these surface layers by the separation process. The AFM topography highlights surface irregularities, which may be removed with a polishing step. The surface also shows laser-modified regions, which are evident in SEM images, but not in AFM topographies, suggesting a charging effect due to electron bombardment. Lastly, the electrical characterization by conductive AFM lacks any changes in the conductive behaviour of the material where the laser-modified areas should be located. In conclusion, these preliminary results are promising to carry out a systematic characterization of this technique of this innovative SLIM technique.