First-principles study on electronic and structural properties of Cu(In/Ga)Se alloys for solar cells

Thin-film photovoltaic solar cells based on the Cu(In1−xGax)Se2 (CIGS) alloys have attracted more and more attention due to their large optical absorption coefficient, long term stability, low cost, and high efficiency. Modern theoretical studies of this material with first-principles calculations can provide accurate description of the electronic structure and yield results in close agreement with experimental values, but takes a large amount of calculation time. In this work, we use first-principles calculations based on the computationally affordable meta- generalized gradient approximation of the density-functional theory to investigate electronic and structural properties of the CIGS alloys. We report on the simulation of the lattice parameters and band gaps, as a function of chemical composition. The obtained results were found to be in a good agreement with the available experimental data.

Monitorointimenetelmät membraanin likaantumisen seurantaan suodatuksen aikana

Membraani on ohut kalvo, jossa on pieniä nanomittakaavan reikiä, jotka erottavat partikkelit ja liuenneet yhdisteet liuoksesta. Membraanisuodatuksen käyttö on lisääntynyt merkittävästi vedenpuhdistuksessa, johtuen lisääntyneestä puhtaan veden tarpeesta ja tiukentuneista ympäristövaatimuksista. Tässä työssä esitellään reaaliaikaisia mittausmenetelmiä membraanin likaantumisen seurantaan. Esiteltyjä menetelmiä ovat suora havainnointi pinnan läpi, lasertriangulometria, varjoanalyysi, taittokykymittaus, kuvakatkaisu-menetelmä, partikkelin nopeusmääritys, radioisotooppinen merkintä ja ydinmagneettinen resonanssispektrometria. Mittausmenetelmien avulla likakerroksen paksuutta ja sen leviämistä on mahdollista seurata reaaliaikaisesti. Mittausmenetelmien soveltuvuus olemassa oleviin prosesseihin on vielä epävarmaa. Suurin osa menetelmistä on rajoittunut tiettyyn membraanin materiaaliin, tietynlaiseen membraanisuodatusprosessin rakenteeseen tai tiettyihin olosuhteisiin. Vallitsevien prosessiolosuhteiden lisäksi mittausanturin tulisi kestää myös puhdistusolosuhteet. Lisätutkimuksia tarvitaan, jotta voidaan löytää toimiva laitekokonaisuus tarvittavan tiedon tuottamiseen.

Pulsed laser deposition of YBa2Cu3O7-[delta]/PrBa2Cu3O7-[delta] /

The process of depositing thin films by the use of pulsed laser deposition (PLD) has become a more widely used technique for the growth of substances in a thin film form. Pulsed laser deposition allows for the stoichiometric film growth of the target which is of great significance in the deposition of High Temperature Superconducting materials. We will describe a system designed using an excimer laser and vaccum chamber in which thin films and superlattices of YBa2Cuj07_i, PrBa2Cu307_i, and YBajCujOr-j/ PrBajCusOr-^ were deposited on SrTiOs. Results of resistivity measurements using the four probe technique will be shown.

X-ray diffraction of a gram-negative bacterial membrane mimetic

This thesis applies x-ray diffraction to measure he membrane structure of lipopolysaccharides and to develop a better model of a LPS bacterial melilbrane that can be used for biophysical research on antibiotics that attack cell membranes. \iVe ha'e Inodified the Physics department x-ray machine for use 3.'3 a thin film diffractometer, and have lesigned a new temperature and relative humidity controlled sample cell.\Ve tested the sample eel: by measuring the one-dimensional electron density profiles of bilayers of pope with 0%, 1%, 1G :VcJ, and 100% by weight lipo-polysaccharide from Pse'udo'lTwna aeTuginosa. Background VVe now know that traditional p,ntibiotics ,I,re losing their effectiveness against ever-evolving bacteria. This is because traditional antibiotic: work against specific targets within the bacterial cell, and with genetic mutations over time, themtibiotic no longer works. One possible solution are antimicrobial peptides. These are short proteins that are part of the immune systems of many animals, and some of them attack bacteria directly at the membrane of the cell, causing the bacterium to rupture and die. Since the membranes of most bacteria share common structural features, and these featuret, are unlikely to evolve very much, these peptides should effectively kill many types of bacteria wi Lhout much evolved resistance. But why do these peptides kill bacterial cel: '3 , but not the cells of the host animal? For gramnegative bacteria, the most likely reason is that t Ileir outer membrane is made of lipopolysaccharides (LPS), which is very different from an animal :;ell membrane. Up to now, what we knovv about how these peptides work was likely done with r !10spholipid models of animal cell membranes, and not with the more complex lipopolysa,echaricies, If we want to make better pepticies, ones that we can use to fight all types of infection, we need a more accurate molecular picture of how they \vork. This will hopefully be one step forward to the ( esign of better treatments for bacterial infections.

Anisotropie de la photoluminescence dans des nanostructures organiques chirales autoassemblées

Nous investiguons dans ce travail la dynamique des excitons dans une couche mince d’agrégats H autoassemblés hélicoïdaux de molécules de sexithiophène. Le couplage intermoléculaire (J=100 meV) place ce matériau dans la catégorie des semi-conducteurs à couplage de type intermédiaire. Le désordre énergétique et la forte interaction électronsphonons causent une forte localisation des excitons. Les espèces initiales se ramifient en deux états distincts : un état d’excitons autopiégés (rendement de 95 %) et un état à transfert de charge (rendement de 5%). À température de la pièce (293K), les processus de sauts intermoléculaires sont activés et l’anisotropie de la fluorescence décroît rapidement à zéro en 5 ns. À basse température (14K), les processus de sauts sont gelés. Pour caractériser la dynamique de diffusion des espèces, une expérience d’anisotropie de fluorescence a été effectuée. Celle-ci consiste à mesurer la différence entre la photoluminescence polarisée parallèlement au laser excitateur et celle polarisée perpendiculairement, en fonction du temps. Cette mesure nous donne de l’information sur la dépolarisation des excitons, qui est directement reliée à leur diffusion dans la structure supramoléculaire. On mesure une anisotropie de 0,1 après 20 ns qui perdure jusqu’à 50ns. Les états à transfert de charge causent une remontée de l’anisotropie vers une valeur de 0,15 sur une plage temporelle allant de 50 ns jusqu’à 210 ns (période entre les impulsions laser). Ces résultats démontrent que la localisation des porteurs est très grande à 14K, et qu’elle est supérieure pour les espèces à transfert de charge. Un modèle numérique simple d’équations différentielles à temps de vie radiatif et de dépolarisation constants permet de reproduire les données expérimentales. Ce modèle a toutefois ses limitations, notamment en ce qui a trait aux mécanismes de dépolarisation des excitons.

Simulation de profils de gravure et de dépôt à l’échelle du motif pour l’étude des procédés de microfabrication utilisant une source plasma de haute densité à basse pression

En lien avec l’avancée rapide de la réduction de la taille des motifs en microfabrication, des processus physiques négligeables à plus grande échelle deviennent dominants lorsque cette taille s’approche de l’échelle nanométrique. L’identification et une meilleure compréhension de ces différents processus sont essentielles pour améliorer le contrôle des procédés et poursuivre la «nanométrisation» des composantes électroniques. Un simulateur cellulaire à l’échelle du motif en deux dimensions s’appuyant sur les méthodes Monte-Carlo a été développé pour étudier l’évolution du profil lors de procédés de microfabrication. Le domaine de gravure est discrétisé en cellules carrées représentant la géométrie initiale du système masque-substrat. On insère les particules neutres et ioniques à l’interface du domaine de simulation en prenant compte des fonctions de distribution en énergie et en angle respectives de chacune des espèces. Le transport des particules est effectué jusqu’à la surface en tenant compte des probabilités de réflexion des ions énergétiques sur les parois ou de la réémission des particules neutres. Le modèle d’interaction particule-surface tient compte des différents mécanismes de gravure sèche telle que la pulvérisation, la gravure chimique réactive et la gravure réactive ionique. Le transport des produits de gravure est pris en compte ainsi que le dépôt menant à la croissance d’une couche mince. La validité du simulateur est vérifiée par comparaison entre les profils simulés et les observations expérimentales issues de la gravure par pulvérisation du platine par une source de plasma d’argon.

Étude de la cinétique et des dommages de gravure par plasma de couches minces de nitrure d’aluminium

Une étape cruciale dans la fabrication des MEMS de haute fréquence est la gravure par plasma de la couche mince d’AlN de structure colonnaire agissant comme matériau piézoélectrique. Réalisé en collaboration étroite avec les chercheurs de Teledyne Dalsa, ce mémoire de maîtrise vise à mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques gouvernant la cinétique ainsi que la formation de dommages lors de la gravure de l’AlN dans des plasmas Ar/Cl2/BCl3. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de l’influence des conditions opératoires d’un plasma à couplage inductif sur la densité des principales espèces actives de la gravure, à savoir, les ions positifs et les atomes de Cl. Ces mesures ont ensuite été corrélées aux caractéristiques de gravure, en particulier la vitesse de gravure, la rugosité de surface et les propriétés chimiques de la couche mince. Dans les plasmas Ar/Cl2, nos travaux ont notamment mis en évidence l’effet inhibiteur de l’AlO, un composé formé au cours de la croissance de l’AlN par pulvérisation magnétron réactive et non issu des interactions plasmas-parois ou encore de l’incorporation d’humidité dans la structure colonnaire de l’AlN. En présence de faibles traces de BCl3 dans le plasma Ar/Cl2, nous avons observé une amélioration significative du rendement de gravure de l’AlN dû à la formation de composés volatils BOCl. Par ailleurs, selon nos travaux, il y aurait deux niveaux de rugosité post-gravure : une plus faible rugosité produite par la présence d’AlO dans les plasmas Ar/Cl2 et indépendante de la vitesse de gravure ainsi qu’une plus importante rugosité due à la désorption préférentielle de l’Al dans les plasmas Ar/Cl2/BCl3 et augmentant linéairement avec la vitesse de gravure.

Films minces de copolymères à blocs supramoléculaires et photosensibles

La technique de trempage («dip-coating») est un procédé rapide et efficace pour former des films minces de copolymères à blocs (CPB) d’épaisseur et de nano-morphologies variées. Très peu d’études ont toutefois porté sur le trempage des CPB supramoléculaires et/ou photosensibles. Le trempage du CPB poly(styrène-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) a premièrement été étudié avec des petites molécules (PM) d’acide 1-naphtoïque (NCOOH) et de 1-naphtol (NOH) capables de former des ponts hydrogène (ponts H) avec le bloc P4VP dans 4 solvants (tétrahydrofurane (THF), p-dioxane, toluène et chloroforme). Le ratio d’incorporation (RI) molaire PM/VP dans les films trempés augmente avec la vitesse de retrait mais sa variation dépend fortement du solvant et de la PM utilisés. Le RI et la morphologie des films minces dépendent de la possibilité (ou non) du solvant à former des ponts H avec la PM et de sa sélectivité au bloc de PS menant (ou non) à des micelles de P4VP/PM en solution dont la rigidité influence l’état cinétique du système en film mince. La dépendance en une courbe en V de l’épaisseur des films en fonction la vitesse de retrait définit deux régimes, nommés régimes capillaire et de drainage. Ces régimes influencent différemment le RI et la morphologie finale. Nous nous sommes ensuite intéressés aux complexes de PS-P4VP avec des azobenzènes (AB) photosensibles, le 4-hydroxy-4’-butyl-azobenzène (BHAB) et le 4-hydroxy-4’-cyano-azobenzène (CHAB). Ces AB peuvent non seulement former des ponts H avec le bloc P4VP mais aussi s'isomériser entre les formes trans et cis sous illumination. Les expériences avec PS-P4VP/BHAB dans le THF et le toluène ont révélé que l'irradiation pendant le trempage permet de provoquer une transition entre les morphologies sphérique et cylindrique à basses vitesses de retrait. Ces transitions sont expliquées par l’augmentation du ratio molaire BHAB/VP pris dans les films sous illumination et par le plus grand volume des isomères BHAB-cis par rapport aux BHAB-trans. L'irradiation permet également de moduler l'épaisseur des films sans égard à la présence des AB. Finalement, des solutions de PS-P4VP/CHAB et PS-P4VP/BHAB dans le THF avec un CPB de masse molaire plus élevée ont été étudiées afin de comprendre l’effet d'un temps de demi-vie plus court de l’AB et de la présence de micelles en solution. Le photocontrôle morphologique perd de son efficacité avec le CHAB car l’augmentation du RI de CHAB dans les films illuminés par rapport aux films non irradiés est moins prononcée que pour les complexes de BHAB. Le choix du PS-P4VP est également important puisque la présence de micelles dans les solutions de THF du PS-P4VP(36,5k-16k), même si elle n’influence pas les RI BHAB/VP, fige davantage la morphologie sphérique en solution par rapport à une solution non-micellaire de PS-P4VP(24k-9,5k), limitant les possibilités de transition morphologique.

Fabrication and Characterization of Spray Pyrolysed Cadmium Sulphide Homojunction Solar Cells

The study on the fabrication and characterization of spray pyrolysed cadmium sulphide homojunction solar cells. As an alternative to the conventional energy source, the PV technology has to be improved. Study about the factors affecting the performance of the existing solar cells and this will result in the enhancement of efficiency of the cells. At the same time it is equally important to have R&D works on developing new photovoltaic devices and processes which are less expensive for large scale production. CdS is an important binary compound semiconductor, which is very useful in the field of photovoltaics. It is very easy to prepare large area CdS thin films. In order to fabricate thin film homojunction cadmium sulphide cells, prepared and characterized SnO2 thin film as the lower electrode, p-CdS as the active layer and n-CdS as window layer. Cadmium material used for the fabrication of homojunction solar cells is highly toxic. The major damage due to continued exposure to low levels of cadmium are on the kidneys, lungs and bones. The real advantage of spray pyrolysis process is that there is no emission of any toxic gases during the deposition. Very low concentration of the chemicals is needed in this process. The risk involved from this material is very low, though they are toxic. On large scale usage it may become necessary that the cells after their life, should be bought back by the companies to retrieve chemicals like cadmium. This will reduce environmental problem and also the material wastage

Effects and Modifications in In/Se and In/Sb Systems by Swift Heavy Ion Irradiation

Department of Physics, Cochin University of Science and Technology

Fast imaging of laser-blow-off plume:Lateral confinement in ambient environment

The dynamics of plasma plume, formed by the laser-blow-off of multicomponent LiF-C thin film under various ambient pressures ranging from high vacuum to argon pressure of 3 Torr, has been studied using fast imaging technique. In vacuum, the plume has ellipsoidal shape. With the increase in the ambient pressure, sharp plume boundary is developed showing a focusing-like confinement in the lateral space behavior in the front end, which persists for long times. At higher ambient pressure (> 10−1 Torr ), structures are developed in the plasma plume due to hydrodynamic instability/turbulences.

Visible luminescence mechanism in nano ZnO under weak confinement regime

We describe the structure of luminescence spectrum in the visible region in nano-ZnO in colloidal and thin film forms under weak confinement regime by modeling the transition from excited state energy levels of excitons to their ground state. Measurements on nanocrystallites indicate the presence of luminescence due to excitonic emissions when excited with 255 nm. The relevant energy levels showing the transitions corresponding to the observed peaks in the emission spectrum of ZnO of particle size 18 nm are identified.

Photothermal and photoacoustic investigations on certain polymers and semi conducting materials

Material synthesizing and characterization has been one of the major areas of scientific research for the past few decades. Various techniques have been suggested for the preparation and characterization of thin films and bulk samples according to the industrial and scientific applications. Material characterization implies the determination of the electrical, magnetic, optical or thermal properties of the material under study. Though it is possible to study all these properties of a material, we concentrate on the thermal and optical properties of certain polymers. The thermal properties are detennined using photothermal beam deflection technique and the optical properties are obtained from various spectroscopic analyses. In addition, thermal properties of a class of semiconducting compounds, copper delafossites, arc determined by photoacoustic technique.Photothermal technique is one of the most powerful tools for non-destructive characterization of materials. This forms a broad class of technique, which includes laser calorimetry, pyroelectric technique, photoacollstics, photothermal radiometric technique, photothermal beam deflection technique etc. However, the choice of a suitable technique depends upon the nature of sample and its environment, purpose of measurement, nature of light source used etc. The polynler samples under the present investigation are thermally thin and optically transparent at the excitation (pump beam) wavelength. Photothermal beam deflection technique is advantageous in that it can be used for the detennination of thermal diffusivity of samples irrespective of them being thermally thick or thennally thin and optically opaque or optically transparent. Hence of all the abovementioned techniques, photothemlal beam deflection technique is employed for the successful determination of thermal diffusivity of these polymer samples. However, the semi conducting samples studied are themlally thick and optically opaque and therefore, a much simpler photoacoustic technique is used for the thermal characterization.The production of polymer thin film samples has gained considerable attention for the past few years. Different techniques like plasma polymerization, electron bombardment, ultra violet irradiation and thermal evaporation can be used for the preparation of polymer thin films from their respective monomers. Among these, plasma polymerization or glow discharge polymerization has been widely lIsed for polymer thin fi Im preparation. At the earlier stages of the discovery, the plasma polymerization technique was not treated as a standard method for preparation of polymers. This method gained importance only when they were used to make special coatings on metals and began to be recognized as a technique for synthesizing polymers. Thc well-recognized concept of conventional polymerization is based on molecular processcs by which thc size of the molecule increases and rearrangemcnt of atoms within a molecule seldom occurs. However, polymer formation in plasma is recognized as an atomic process in contrast to the above molecular process. These films are pinhole free, highly branched and cross linked, heat resistant, exceptionally dielectric etc. The optical properties like the direct and indirect bandgaps, refractive indices etc of certain plasma polymerized thin films prepared are determined from the UV -VIS-NIR absorption and transmission spectra. The possible linkage in the formation of the polymers is suggested by comparing the FTIR spectra of the monomer and the polymer. The thermal diffusivity has been measured using the photothermal beam deflection technique as stated earlier. This technique measures the refractive index gradient established in the sample surface and in the adjacent coupling medium, by passing another optical beam (probe beam) through this region and hence the name probe beam deflection. The deflection is detected using a position sensitive detector and its output is fed to a lock-in-amplifIer from which the amplitude and phase of the deflection can be directly obtained. The amplitude and phase of the deflection signal is suitably analyzed for determining the thermal diffusivity.Another class of compounds under the present investigation is copper delafossites. These samples in the form of pellets are thermally thick and optically opaque. Thermal diffusivity of such semiconductors is investigated using the photoacoustic technique, which measures the pressure change using an elcctret microphone. The output of the microphone is fed to a lock-in-amplificr to obtain the amplitude and phase from which the thermal properties are obtained. The variation in thermal diffusivity with composition is studied.

Spray Pyrolysed CuInS2/In2S3 Solar Cell: Material Characterization and Device Fabrication

As emphasis towards sustainable and Renewable energy resources grows world-wide,interest in the capture and use of solar energy is increasing dramatically.Solar cells have been known and used for many years,but depletion of conventional energy resources resulted in the intensification of research on solar cells leading to new design and technique of fabrication.The current emphasis is directed towards high effiency inexpensive solar cells.This thesis includes deposition and characterization of CuInS2 and In2S3 thin films using chemical Spray Pyrolysis(CSP) technique.The optimum condition for these films to be used as absorber and buffer layer respectively in solar cells were thus found out.Solar cell with the stucture,ITO/CuInS2/In2S3/metal electrode was fabricated using these well-characterized films,which yielded an efficiency of 9.5%.