Generalized optoelectronic model of series-connected multijunction solar cells

The emission of light from each junction in a series-connected multijunction solar cell both complicates and elucidates the understanding of its performance under arbitrary conditions. Bringing together many recent advances in this understanding, we present a general 1-D model to describe luminescent coupling that arises from both voltage-driven electroluminescence and voltage-independent photoluminescence in nonideal junctions that include effects such as Sah-Noyce-Shockley (SNS) recombination with n ≠ 2, Auger recombination, shunt resistance, reverse-bias breakdown, series resistance, and significant dark area losses. The individual junction voltages and currents are experimentally determined from measured optical and electrical inputs and outputs of the device within the context of the model to fit parameters that describe the devices performance under arbitrary input conditions. Techniques to experimentally fit the model are demonstrated for a four-junction inverted metamorphic solar cell, and the predictions of the model are compared with concentrator flash measurements.

Optical properties of ZnMgO films grown by spray pyrolysis and their application to UV photodetection

This work presents a comprehensive optical characterization of Zn1−xMgxO thin films grown by spray pyrolysis (SP). Absorption measurements show the high potential of this technique to tune the bandgap from 3.30 to 4.11 eV by changing the Mg acetate content in the precursor solution, leading to a change of the Mg-content ranging from 0 up to 35%, as measured by transmission electron microscopy-energy dispersive x-ray spectroscopy. The optical emission of the films obtained by cathodoluminescence and photoluminescence spectroscopy shows a blue shift of the peak position from 3.26 to 3.89 eV with increasing Mg incorporation, with a clear excitonic contribution even at high Mg contents. The linewidth broadening of the absorption and emission spectra as well as the magnitude of the observed Stokes shift are found to significantly increase with the Mg content. This is shown to be related to both potential fluctuations induced by pure statistical alloy disorder and the presence of a tail of band states, the latter dominating for medium Mg contents. Finally, metal–semiconductor–metal photodiodes were fabricated showing a high sensitivity and a blue shift in the cut-off energy from 3.32 to 4.02 eV, i.e., down to 308 nm. The photodiodes present large UV/dark contrast ratios (102 − 107), indicating the viability of SP as a growth technique to fabricate low cost (Zn, Mg)O-based UV photodetectors reaching short wavelengths.

Nanomateriais luminescentes de terras raras utilizando complexos de benzenotricarboxilatos como precursores

O material Y2O3:Eu3+ vem sendo usado comercialmente como luminóforo vermelho desde da década de 1960, em uma grande variedade de aplicações devido ao seu elevado rendimento quântico (próximo de 100 %), elevada pureza de cor e boa estabilidade. Portanto, este trabalho propõe um novo método de síntese baseado nos complexos benzenotricarboxilatos (BTC) de terras raras trivalentes (RE3+) dopados com íons Eu3+. O objetivo principal é produzir materiais luminescente RE2O3:Eu3+ a temperatura mais baixa (500 °C) e em escala nanométrica. Os complexos precursores [RE(BTC):Eu3+] e [RE(TLA)·n(H2O):Eu3+], onde RE3+: Y, Gd e Lu; BTC: ácido trimésico (TMA) e ácido trimelítico (TLA) foram calcinados em diferentes temperaturas de 500 a 1000 °C, a fim de obter os materiais luminescentes RE2O3:Eu3+. Os complexos foram caracterizados por análise elementar de carbono e hidrogênio, analise térmica (TG), espectroscopia de absorção no infravermelho (FTIR), difração de raios-X - método do pó (XPD) e microscopia eletrônica de varredura (SEM). Todos os complexos são cristalinos e termo estáveis até 460 °C. Dados de fosforescência dos complexos de Y, Gd e Lu mostram que o nível T1 do aníon BTC3- tem energia acima do nível emissor 5D0 do íon Eu3+, indicando que os ligantes podem atuar como sensibilizadores de energia intramolecular. O estudo das propriedades fotoluminescentes dos complexos dopados foi baseado nos espectros de excitação e emissão e curvas de decaimento de luminescência. Ademais, foram determinados os parâmetros de intensidades experimentais (Ωλ), tempos de vida (τ), taxas de decaimentos radiativo (Arad) e não-radiativo (Anrad). Os materiais luminescentes RE2O3:Eu3+ foram sintetizados de forma bem sucedida por meio do método benzenotricarboxilatos calcinados a 500, 600, 700, 800, 900 e 1000 °C, apresentando alta homogeneidade química e controle de tamanho de cristalito. Os nanomateriais foram caracterizados pelas técnicas de FTIR, XPD SEM e TEM revelando a obtenção dos materiais C-RE2O3:Eu3+ mesmo a 500 °C. Os dados de XPD dos materiais confirmaram um aumento do tamanho dos cristalitos de 5 até 52 nm (equação de Scherrer) de em função da temperatura de calcinação de 500 a 1000 °C, respectivamente, corroborados pelas técnicas de SEM e TEM. Os espectros de emissão de RE2O3:Eu3+ mostram uma banda larga atribuída a transição interconfiguracional de transferência de carga ligante-metal (LMCT) em 260 nm, i.e. O2-(2p)→Eu3+(4f6). Além disso, foram observadas linhas finas de absorção devido as transições intraconfiguracionais 4f do íon európio (7F0,1𔾹LJ; J: 0, 1, 2, 3 e 4), como esperado. As propriedades fotoluminescentes dos luminóforos foram baseadas nos espectros (excitação e emissão) e curvas de decaimento luminescente. Os parâmetros de intensidade experimental, tempos de vida, assim como as taxas de decaimentos radiativos e não radiativos foram calculados. As propriedades fotônicas dos nanomateriais são consistentes com o sítio de baixa simetria C2 ocupado pelo íon Eu3+ no C-RE2O3:Eu3+, produzindo emissão vermelha dominada pela transição hipersensível 5D0𔾻F2 do íon Eu3+ no sitio C2, ao invés do sítio centrossimétrico S6. Além disso, os nanomateriais Y2O3:Eu3+ exibem características espectroscópicas semelhantes e elevados valores de eficiência quântica (η~91 %), compatível com os luminóforos comerciais disponíveis no mercado. Este novo método pode ser utilizado para o desenvolvimento de novos nanomateriais contendo íons terras raras, assim como outros íons metálicos.

Desenvolvimento de materiais nanoestruturados à base de SiO2-Nb2O5 preparados por uma nova rota sol-gel com aplicações em fotônica

Este trabalho concentra-se na preparação e caracterizações estrutural e espectroscópica de materiais nanoestruturados à base de SiO2-Nb2O5 dopados e codopados com íons Er3+, Yb3+ e Eu3+ na forma de pós e guias de onda planares. Os nanocompósitos foram preparados através de uma nova rota sol-gel utilizando óxido de nióbio como precursor em substituição ao alcóxido de nióbio. A correlação estrutura propriedades luminescentes foi estudada por difração de raios X, microscopia eletrônica de transmissão, espectroscopia vibracional de absorção no infravermelho, espectroscopia vibracional de espalhamento Raman, análise térmica, reflectância difusa e especular, espectroscopia de fotoluminescência e acoplamento M-line. Inicialmente foi avaliado a influência da concentração de nióbio nas propriedades estruturais e luminescentes de nanocompósitos (100-x)Si-xNb dopados e codopados com íons Er3+, Yb3+ e Eu3+ tratados termicamente a 900 °C por 3h. A cristalização do Nb2O5 foi dependente da concentração de Nb na matriz, com a distribuição dos íons lantanídeos preferencialmente no Nb2O5, afetando as propriedades luminescentes. Para os nanocompósitos codopados com íons Er3+ e Yb3+ foram obtidos valores de largura de banda a meia altura (FWHM) da ordem de 70 nm na região de 1550 nm e tempos de vida de até 5,2 ms. A emissão na região do visível, decorrente de processos de conversão ascendente, revelou-se dependente da concentração de nióbio. Foi verificada emissão preferencial na região do verde para menores concentrações de Nb. Enquanto que, para as maiores concentrações, processos de relaxação cruzada levaram a um aumento relativo na intensidade de emissão na região do vermelho. A eficiência quântica de emissão dos nanocompósitos (100-x)Si-xNb dopados com Eu3+ variou com o comprimento de onda de excitação, refletindo os diferentes sítios de simetria ocupados por este íons nesta estrutura complexa. A influência da temperatura de tratamento térmico no processo de cristalização do Nb2O5 em nanocompósitos 70Si:30Nb codopados com íons Er3+ e Yb3+ foi avaliada. Material amorfo foi obtido a 700 °C enquanto que a 900 e 1100 °C foram identificas as fases ortorrômbica (fase T) e monoclínica (fase M) do Nb2O5. Intensa emissão na região de 1550 nm com valores de FWHM de 52 e 67 nm e tempos de vida de 5,6 e 5,4 ms foram verificados a 700 e 900 °C sob excitação em 977 nm, respectivamente. Por fim, foram obtidos guias de onda planares com excelentes propriedades ópticas e com grande potencial de aplicação em dispositivos de amplificação óptica. Especificamente, materiais fotônicos com banda larga de emissão na região do infravermelho foram preparados, indicando fortemente a potencialidade para a aplicação em telecomunicações envolvendo não somente a banda C como também as bandas L e S em materiais contendo somente íons Er3+ como centros emissores.

Filmes de óxido de zinco e nitreto de zinco depositados por magnetron sputtering com diferentes pressões de argônio, oxigênio e nitrogênio.

O óxido de zinco é um material semicondutor que apresenta alta transparência óptica no espectro visível, alta energia de ligação de éxcitons e piezoeletricidade. Por suas propriedades, ele é utilizado na área de sensores, eletrodos transparentes e dispositivos optoeletrônicos. No entanto, sua utilização ainda é limitada pela dificuldade de obtenção de condutividade tipo p, cujo principal dopante é o nitrogênio, devido à assimetria de dopagem ocasionada por defeitos intrínsecos do material, dopagem em valências diferentes das esperadas e formação de níveis de aceitadores profundos na banda proibida. A aplicação em dispositivos piezoelétricos também exige alta resistividade e ótimas propriedades cristalinas. Muitos processos de deposição estabelecidos hoje ainda utilizam altas temperaturas, o que impede sua deposição sobre superfícies ou substratos sensíveis a altas temperaturas. O objetivo deste trabalho é desenvolver técnicas de deposição de filmes de ZnO, principalmente em baixas temperaturas ( 100°C), pelo método de magnetron sputtering de rádio frequência, para avaliar a influência dos gases de processo nas características estruturais, estequiométricas, elétricas e ópticas dos filmes. Para isso, foram obtidos filmes utilizando pressão total de argônio, e pressões parciais de argônio e oxigênio e argônio e nitrogênio, utilizando alvo cerâmico de óxido de zinco ou alvo metálico de zinco. Para alvo de ZnO, filmes com condutividade tipo n foram obtidos em ambiente de argônio, em condições que geraram deficiências de oxigênio. Filmes altamente resistivos foram obtidos com a utilização de pressão parcial de oxigênio no gás de processo, em condições que resultaram em filmes estequiométricos, inclusive com condutividade tipo p. Condutividade tipo p mais alta foi observada, apenas por ponta quente, para uma amostra obtida em argônio logo após a utilização de nitrogênio na câmara de processo, que provavelmente sofreu influência da dopagem não intencional do cobre, que foi identificado como um contaminante do processo devido à estrutura da câmara. Para alvo de Zn, observou-se a formação de nitreto de zinco, que demonstrou alta capacidade de oxidação em ambiente atmosférico, e portanto, transforma-se naturalmente ao longo do tempo ou por processos de oxidação térmica em ZnO dopado com nitrogênio. Filmes de ZnO produzidos a partir de nitreto de zinco foram os únicos dos testados que apresentaram fotoluminescência característica do ZnO, mesmo para processos onde não houve aquecimento intencional.

Spin splitting in a polarized quasi-two-dimensional exciton gas

We have observed a large spin splitting between "spin" +1 and -1 heavy-hole excitons, having unbalanced populations, in undoped GaAs/AlAs quantum wells in the absence of any external magnetic field. Time-resolved photoluminescence spectroscopy, under excitation with circularly polarized light, reveals that, for high excitonic density and short times after the pulsed excitation, the emission from majority excitons lies above that of minority ones. The amount of the splitting, which can be as large as 50% of the binding energy, increases with excitonic density and presents a time evolution closely connected with the degree of polarization of the luminescence. Our results are interpreted on the light of a recently developed model, which shows that, while intraexcitonic exchange interaction is responsible for the spin relaxation processes, exciton-exciton interaction produces a breaking of the spin degeneracy in two-dimensional semiconductors.

Single-exciton spectroscopy of semimagnetic quantum dots

A photoexcited II-VI semiconductor quantum dots doped with a few Mn spins is considered. The effects of spin-exciton interactions and the resulting multispin correlations on the photoluminescence are calculated by numerical diagonalization of the Hamiltonian, including exchange interaction between electrons, holes, and Mn spins, as well as spin-orbit interaction. The results provide a unified description of recent experiments on the photoluminesnce of dots with one and many Mn atoms as well as optically induced ferromagnetism in semimagnetic quantum dots.

Optical probing of spin fluctuations of a single paramagnetic Mn atom in a semiconductor quantum dot

We analyzed the photoluminescence intermittency generated by a single paramagnetic spin localized in an individual semiconductor quantum dot. The statistics of the photons emitted by the quantum dot reflect the quantum fluctuations of the localized spin interacting with the injected carriers. Photon correlation measurements, which are reported here, reveal unique signatures of these fluctuations. A phenomenological model is proposed to quantitatively describe these observations, allowing a measurement of the spin dynamics of an individual magnetic atom at zero magnetic field. These results demonstrate the existence of an efficient spin-relaxation channel arising from a spin exchange with individual carriers surrounding the quantum dot. A theoretical description of a spin-flip mechanism involving spin exchange with surrounding carriers gives relaxation times in good agreement with the measured dynamics.

Single-exciton spectroscopy of single Mn doped InAs quantum dots

The optical spectroscopy of a single InAs quantum dot doped with a single Mn atom is studied using a model Hamiltonian that includes the exchange interactions between the spins of the quantum dot electron-hole pair, the Mn atom, and the acceptor hole. Our model permits linking the photoluminescence spectra to the Mn spin states after photon emission. We focus on the relation between the charge state of the Mn, A0 or A−, and the different spectra which result through either band-to-band or band-to-acceptor transitions. We consider both neutral and negatively charged dots. Our model is able to account for recent experimental results on single Mn doped InAs photoluminescence spectra and can be used to account for future experiments in GaAs quantum dots. Similarities and differences with the case of single Mn doped CdTe quantum dots are discussed.

Electrical control of a single Mn atom in a quantum dot

We report on the reversible electrical control of the magnetic properties of a single Mn atom in an individual quantum dot. Our device permits us to prepare the dot in states with three different electric charges, 0, +1e, and -1e which result in dramatically different spin properties, as revealed by photoluminescence. Whereas in the neutral configuration the quantum dot is paramagnetic, the electron-doped dot spin states are spin rotationally invariant and the hole-doped dot spins states are quantized along the growth direction.

Controlling Long-Range Ordered Self-assembly of Solid-Binding Peptide Monolayers on Atomically Flat Layered Materials

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

Structural, electrical, and optical analysis of ion implanted semi-insulating InP

Semi-insulating InP was implanted with MeV P, As, Ga, and In ions, and the resulting evolution of structural properties with increased annealing temperature was analyzed using double crystal x-ray diffractometry and cross sectional transmission electron microscopy. The types of damage identified are correlated with scanning spreading resistance and scanning capacitance measurements, as well as with previously measured Hall effect and time resolved photoluminescence results. We have identified multiple layers of conductivity in the samples which occur due to the nonuniform damage profile of a single implant. Our structural studies have shown that the amount and type of damage caused by implantation does not scale with implant ion atomic mass. (C) 2004 American Institute of Physics.

Metalorganic chemical vapor deposition of GaAsN epilayers: microstructures and optical properties

In this article, we investigate the parameters used in the MOCVD growth of GaAsN epilayers on GaAs substrates and some of their microstructures and optical properties. The N incorporation was found to mainly depend on the growth temperature and the fractional 1,1-dimethylhydrazine molar flow. A thin highly strained interface layer was observed between GaAsN and GaAs, which, contrary to previously published results, was not N enriched. The low-temperature (10 K) photoluminescence spectra were composed of several emissions that we attribute to a combination of interband transition and transitions involving localized defect states. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Enhanced optical properties of the GaAsN/GaAs quantum-well structure by the insertion of InAs monolayers

Microstructural and optical properties of InAs-inserted and reference single GaAsN/GaAs quantum-well (QW) structures grown by metalorganic chemical vapor deposition were investigated using cross-sectional transmission electron microscopy and photoluminescence (PL). Significant enhancement of PL intensity and a blueshift of PL emission were observed from the InAs-inserted GaAsN/GaAs QW structure, compared with the single GaAsN/GaAs QW structure. Strain compensation and In-induced reduction of N incorporation are suggested to be two major factors affecting the optical properties. (C) 2004 American Institute of Physics.

Absorption and fluorescence spectroscopy of rhodamine 6G in titanium dioxide nanocomposites

A comparison has been made between the spectroscopic properties of the laser dye rhodamine 6G (R6G) in mesostructured titanium dioxide (TiO2) and in ethanol. Steady-state excitation and emission techniques have been used to probe the dye-matrix interactions. We show that the TiO2-nanocomposite studied is a good host for R6G, as it allows high dye concentrations, while keeping dye molecules isolated, and preventing aggregation. Our findings have important implications in the context of solid state dye-lasers and microphotonic device applications. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.