The valence band alignment at ultrathin SiO2/Si interfaces

High resolution x-ray photoelectron spectroscopy has been used to determine the valence band alignment at ultrathin SiO2/Si interfaces. In the oxide thickness range 1.6-4.4 nm the constant band-offset values of 4.49 and 4.43 eV have been obtained for the dry SiO2/Si(100) and the wet SiO2/Si(100) interfaces, respectively. The valence band alignment of dry SiO2/Si(111) (4.36 eV) is slightly smaller than the case of the dry SiO2/Si(100) interface.

Hegel, G.W.F. Gesammelte Werke Frühe Schriften Teil II Band . 2

Review: HEGEL, G. W. F. Gesammelte Werke. Frühe Schriften. Teil II, Bd 2. Bearbeitet von Friedhelm Nicolin (in memoriam), Ingo Rill und Peter Kriegel. Herausgegeben von Walter Jaeschke. Felix Meiner Verlag, Hamburg 2014, 714 Seiten.

Theoretical study of band alignment in nano-porous ZnO interacting with substituted Phthalocyanines

The aim of this work is the theoretical study of the band alignment between the two components of a hybrid organic-inorganic solar-cell. The working organic molecules are metal tetra-sulphonated phthalocyanines (M-Pc) and the inorganic material is nano-porous ZnO growth in the 001 direction. The theoretical calculations are being made using the density functional theory (DFT) using a GGA functional with the SIESTA code, which projects electron wave functions and density onto a real space grid and uses as basis set a linear combination of numerical, finite-range localized atomic orbitals. We also used the DFT+U method included in the code that allows a semi-empirical inclusion of electronic correlations in the description of electronic spectra for systems such as zinc oxide.

Near infrared high efficiency InAs/GaAsSb QDLEDs: band alignment and carrier recombination mechanisms

The development of high efficiency laser diodes (LD) and light emitting diodes (LED) covering the 1.0 to 1.55 μm region of the spectra using GaAs heteroepitaxy has been long pursued. Due to the lack of materials that can be grown lattice-macthed to GaAs with bandgaps in the 1.0 to 1.55 μm region, quantum wells (QW) or quantum dots (QD) need be used. The most successful approach with QWs has been to use InGaAs, but one needs to add another element, such as N, to be able to reach 1.3/1.5μm. Even though LDs have been successfully demonstrated with the QW approach, using N leads to problems with compositional homogeneity across the wafer, and limited efficiency due to strong non-radiative recombination. The alternative approach of using InAs QDs is an attractive option, but once again, to reach the longest wavelengths one needs very large QDs and control over the size distribution and band alignment. In this work we demonstrate InAs/GaAsSb QDLEDs with high efficiencies, emitting from 1.1 to 1.52 μm, and we analyze the band alignment and carrier loss mechanisms that result from the presence of Sb in the capping layer.

Size, strain, and band offset engineering in GaAs(Sb)(N)-capped InAs quantum dots for 1.3 - 1.55 µm LEDs and LDs

The optical and structural properties of InAs/GaAs quantum dots (QD) are strongly modified through the use of a thin (~ 5 nm) GaAsSb(N) capping layer. In the case of GaAsSb-capped QDs, cross-sectional scanning tunnelling microscopy measurements show that the QD height can be controllably tuned through the Sb content up to ~ 14 % Sb. The increased QD height (together with the reduced strain) gives rise to a strong red shift and a large enhancement of the photoluminescence (PL) characteristics. This is due to improved carrier confinement and reduced sensitivity of the excitonic bandgap to QD size fluctuations within the ensemble. Moreover, the PL degradation with temperature is strongly reduced in the presence of Sb. Despite this, emission in the 1.5 !lm region with these structures is only achieved for high Sb contents and a type-II band alignment that degrades the PL. Adding small amounts of N to the GaAsSb capping layer allows to progressively reduce the QD-barrier conduction band offset. This different strategy to red shift the PL allows reaching 1.5 !lm with moderate Sb contents, keeping therefore a type-I alignment. Nevertheless, the PL emission is progressively degraded when the N content in the capping layer is increased

Optics and Optoelectronics of Two-dimensional Semiconducting Monolayers and Heterostructures

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Analysis of the modified optical properties and band structure of GaAs12xSbx-capped InAs/GaAs quantum dots

The origin of the modified optical properties of InAs/GaAs quantum dots (QD) capped with a thin GaAs1−xSbx layer is analyzed in terms of the band structure. To do so, the size, shape, and composition of the QDs and capping layer are determined through cross-sectional scanning tunnelling microscopy and used as input parameters in an 8 × 8 k·p model. As the Sb content is increased, there are two competing effects determining carrier confinement and the oscillator strength: the increased QD height and reduced strain on one side and the reduced QD-capping layer valence band offset on the other. Nevertheless, the observed evolution of the photoluminescence (PL) intensity with Sb cannot be explained in terms of the oscillator strength between ground states, which decreases dramatically for Sb > 16%, where the band alignment becomes type II with the hole wavefunction localized outside the QD in the capping layer. Contrary to this behaviour, the PL intensity in the type II QDs is similar (at 15 K) or even larger (at room temperature) than in the type I Sb-free reference QDs. This indicates that the PL efficiency is dominated by carrier dynamics, which is altered by the presence of the GaAsSb capping layer. In particular, the presence of Sb leads to an enhanced PL thermal stability. From the comparison between the activation energies for thermal quenching of the PL and the modelled band structure, the main carrier escape mechanisms are suggested. In standard GaAs-capped QDs, escape of both electrons and holes to the GaAs barrier is the main PL quenching mechanism. For small-moderate Sb (<16%) for which the type I band alignment is kept, electrons escape to the GaAs barrier and holes escape to the GaAsSb capping layer, where redistribution and retraping processes can take place. For Sb contents above 16% (type-II region), holes remain in the GaAsSb layer and the escape of electrons from the QD to the GaAs barrier is most likely the dominant PL quenching mechanism. This means that electrons and holes behave dynamically as uncorrelated pairs in both the type-I and type-II structures.

Comprendre et maîtriser le passage de type I à type II de puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur substrat de GaSb

Les antimoniures sont des semi-conducteurs III-V prometteurs pour le développement de dispositifs optoélectroniques puisqu'ils ont une grande mobilité d'électrons, une large gamme spectrale d'émission ou de détection et offrent la possibilité de former des hétérostructures confinées dont la recombinaison est de type I, II ou III. Bien qu'il existe plusieurs publications sur la fabrication de dispositifs utilisant un alliage d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) qui émet ou détecte à une certaine longueur d'onde, les détails, à savoir comment sont déterminés les compositions et surtout les alignements de bande, sont rarement explicites. Très peu d'études fondamentales sur l'incorporation d'indium et d'arsenic sous forme de tétramères lors de l'épitaxie par jets moléculaires existent, et les méthodes afin de déterminer l'alignement des bandes des binaires qui composent ces alliages donnent des résultats variables. Un modèle a été construit et a permis de prédire l'alignement des bandes énergétiques des alliages d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) avec celles du GaSb pour l'ensemble des compositions possibles. Ce modèle tient compte des effets thermiques, des contraintes élastiques et peut aussi inclure le confinement pour des puits quantiques. De cette manière, il est possible de prédire la transition de type de recombinaison en fonction de la composition. Il est aussi montré que l'indium ségrègue en surface lors de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d'In(x)Ga(1-x)Sb sur GaSb, ce qui avait déjà été observé pour ce type de matériau. Il est possible d'éliminer le gradient de composition à cette interface en mouillant la surface d'indium avant la croissance de l'alliage. L'épaisseur d'indium en surface dépend de la température et peut être évaluée par un modèle simple simulant la ségrégation. Dans le cas d'un puits quantique, il y aura une seconde interface GaSb sur In(x)Ga(1-x)Sb où l'indium de surface ira s'incorporer. La croissance de quelques monocouches de GaSb à basse température immédiatement après la croissance de l'alliage permet d'incorporer rapidement ces atomes d'indium et de garder la seconde interface abrupte. Lorsque la composition d'indium ne change plus dans la couche, cette composition correspond au rapport de flux d'atomes d'indium sur celui des éléments III. L'arsenic, dont la source fournit principalement des tétramères, ne s'incorpore pas de la même manière. Les tétramères occupent deux sites en surface et doivent interagir par paire afin de créer des dimères d'arsenic. Ces derniers pourront alors être incorporés dans l'alliage. Un modèle de cinétique de surface a été élaboré afin de rendre compte de la diminution d'incorporation d'arsenic en augmentant le rapport V/III pour une composition nominale d'arsenic fixe dans l'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y). Ce résultat s'explique par le fait que les réactions de deuxième ordre dans la décomposition des tétramères d'arsenic ralentissent considérablement la réaction d'incorporation et permettent à l'antimoine d'occuper majoritairement la surface. Cette observation montre qu'il est préférable d'utiliser une source de dimères d'arsenic, plutôt que de tétramères, afin de mieux contrôler la composition d'arsenic dans la couche. Des puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur GaSb ont été fabriqués et caractérisés optiquement afin d'observer le passage de recombinaison de type I à type II. Cependant, celui-ci n'a pas pu être observé puisque les spectres étaient dominés par un niveau énergétique dans le GaSb dont la source n'a pu être identifiée. Un problème dans la source de gallium pourrait être à l'origine de ce défaut et la résolution de ce problème est essentielle à la continuité de ces travaux.

Comprendre et maîtriser le passage de type I à type II de puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur substrat de GaSb

Les antimoniures sont des semi-conducteurs III-V prometteurs pour le développement de dispositifs optoélectroniques puisqu'ils ont une grande mobilité d'électrons, une large gamme spectrale d'émission ou de détection et offrent la possibilité de former des hétérostructures confinées dont la recombinaison est de type I, II ou III. Bien qu'il existe plusieurs publications sur la fabrication de dispositifs utilisant un alliage d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) qui émet ou détecte à une certaine longueur d'onde, les détails, à savoir comment sont déterminés les compositions et surtout les alignements de bande, sont rarement explicites. Très peu d'études fondamentales sur l'incorporation d'indium et d'arsenic sous forme de tétramères lors de l'épitaxie par jets moléculaires existent, et les méthodes afin de déterminer l'alignement des bandes des binaires qui composent ces alliages donnent des résultats variables. Un modèle a été construit et a permis de prédire l'alignement des bandes énergétiques des alliages d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) avec celles du GaSb pour l'ensemble des compositions possibles. Ce modèle tient compte des effets thermiques, des contraintes élastiques et peut aussi inclure le confinement pour des puits quantiques. De cette manière, il est possible de prédire la transition de type de recombinaison en fonction de la composition. Il est aussi montré que l'indium ségrègue en surface lors de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d'In(x)Ga(1-x)Sb sur GaSb, ce qui avait déjà été observé pour ce type de matériau. Il est possible d'éliminer le gradient de composition à cette interface en mouillant la surface d'indium avant la croissance de l'alliage. L'épaisseur d'indium en surface dépend de la température et peut être évaluée par un modèle simple simulant la ségrégation. Dans le cas d'un puits quantique, il y aura une seconde interface GaSb sur In(x)Ga(1-x)Sb où l'indium de surface ira s'incorporer. La croissance de quelques monocouches de GaSb à basse température immédiatement après la croissance de l'alliage permet d'incorporer rapidement ces atomes d'indium et de garder la seconde interface abrupte. Lorsque la composition d'indium ne change plus dans la couche, cette composition correspond au rapport de flux d'atomes d'indium sur celui des éléments III. L'arsenic, dont la source fournit principalement des tétramères, ne s'incorpore pas de la même manière. Les tétramères occupent deux sites en surface et doivent interagir par paire afin de créer des dimères d'arsenic. Ces derniers pourront alors être incorporés dans l'alliage. Un modèle de cinétique de surface a été élaboré afin de rendre compte de la diminution d'incorporation d'arsenic en augmentant le rapport V/III pour une composition nominale d'arsenic fixe dans l'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y). Ce résultat s'explique par le fait que les réactions de deuxième ordre dans la décomposition des tétramères d'arsenic ralentissent considérablement la réaction d'incorporation et permettent à l'antimoine d'occuper majoritairement la surface. Cette observation montre qu'il est préférable d'utiliser une source de dimères d'arsenic, plutôt que de tétramères, afin de mieux contrôler la composition d'arsenic dans la couche. Des puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur GaSb ont été fabriqués et caractérisés optiquement afin d'observer le passage de recombinaison de type I à type II. Cependant, celui-ci n'a pas pu être observé puisque les spectres étaient dominés par un niveau énergétique dans le GaSb dont la source n'a pu être identifiée. Un problème dans la source de gallium pourrait être à l'origine de ce défaut et la résolution de ce problème est essentielle à la continuité de ces travaux.

CdSe/CdTe interface band gaps and band offsets calculated using spin-orbit and self-energy corrections

We performed ab initio calculations of the electronic structures of bulk CdSe and CdTe, and their interface band alignments on the CdSe in-plane lattice parameters. For this, we employed the LDA-1/2 self-energy correction scheme [L.G. Ferreira, M. Marques, L.K. Teles, Phys. Rev. B 78 (2008) 125116] to obtain corrected band gaps and band offsets. Our calculations include the spin-orbit effects for the bulk cases, which have shown to be of importance for the equilibrium systems and are possibly degraded in these strained semiconductors. Therefore, the SO showed reduced importance for the band alignment of this particular system. Moreover, the electronic structure calculated along the transition region across the CdSe/CdTe interface shows an interesting non-monotonic variation of the band gap in the range 0.8-1.8 eV, which may enhance the absorption of light for corresponding frequencies at the interface between these two materials in photovoltaic applications. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Research on intermediate band solar cells and development of experimental techniques for their characterization under concentrated illumination

Abstract This work is a contribution to the research and development of the intermediate band solar cell (IBSC), a high efficiency photovoltaic concept that features the advantages of both low and high bandgap solar cells. The resemblance with a low bandgap solar cell comes from the fact that the IBSC hosts an electronic energy band -the intermediate band (IB)- within the semiconductor bandgap. This IB allows the collection of sub-bandgap energy photons by means of two-step photon absorption processes, from the valence band (VB) to the IB and from there to the conduction band (CB). The exploitation of these low energy photons implies a more efficient use of the solar spectrum. The resemblance of the IBSC with a high bandgap solar cell is related to the preservation of the voltage: the open-circuit voltage (VOC) of an IBSC is not limited by any of the sub-bandgaps (involving the IB), but only by the fundamental bandgap (defined from the VB to the CB). Nevertheless, the presence of the IB allows new paths for electronic recombination and the performance of the IBSC is degraded at 1 sun operation conditions. A theoretical argument is presented regarding the need for the use of concentrated illumination in order to circumvent the degradation of the voltage derived from the increase in the recombi¬nation. This theory is supported by the experimental verification carried out with our novel characterization technique consisting of the acquisition of photogenerated current (IL)-VOC pairs under low temperature and concentrated light. Besides, at this stage of the IBSC research, several new IB materials are being engineered and our novel character¬ization tool can be very useful to provide feedback on their capability to perform as real IBSCs, verifying or disregarding the fulfillment of the “voltage preservation” principle. An analytical model has also been developed to assess the potential of quantum-dot (QD)-IBSCs. It is based on the calculation of band alignment of III-V alloyed heterojunc-tions, the estimation of the confined energy levels in a QD and the calculation of the de¬tailed balance efficiency. Several potentially useful QD materials have been identified, such as InAs/AlxGa1-xAs, InAs/GaxIn1-xP, InAs1-yNy/AlAsxSb1-x or InAs1-zNz/Alx[GayIn1-y]1-xP. Finally, a model for the analysis of the series resistance of a concentrator solar cell has also been developed to design and fabricate IBSCs adapted to 1,000 suns. Resumen Este trabajo contribuye a la investigación y al desarrollo de la célula solar de banda intermedia (IBSC), un concepto fotovoltaico de alta eficiencia que auna las ventajas de una célula solar de bajo y de alto gap. La IBSC se parece a una célula solar de bajo gap (o banda prohibida) en que la IBSC alberga una banda de energía -la banda intermedia (IB)-en el seno de la banda prohibida. Esta IB permite colectar fotones de energía inferior a la banda prohibida por medio de procesos de absorción de fotones en dos pasos, de la banda de valencia (VB) a la IB y de allí a la banda de conducción (CB). El aprovechamiento de estos fotones de baja energía conlleva un empleo más eficiente del espectro solar. La semejanza antre la IBSC y una célula solar de alto gap está relacionada con la preservación del voltaje: la tensión de circuito abierto (Vbc) de una IBSC no está limitada por ninguna de las fracciones en las que la IB divide a la banda prohibida, sino que está únicamente limitada por el ancho de banda fundamental del semiconductor (definido entre VB y CB). No obstante, la presencia de la IB posibilita nuevos caminos de recombinación electrónica, lo cual degrada el rendimiento de la IBSC a 1 sol. Este trabajo argumenta de forma teórica la necesidad de emplear luz concentrada para evitar compensar el aumento de la recom¬binación de la IBSC y evitar la degradación del voltage. Lo anterior se ha verificado experimentalmente por medio de nuestra novedosa técnica de caracterización consistente en la adquisicin de pares de corriente fotogenerada (IL)-VOG en concentración y a baja temperatura. En esta etapa de la investigación, se están desarrollando nuevos materiales de IB y nuestra herramienta de caracterizacin está siendo empleada para realimentar el proceso de fabricación, comprobando si los materiales tienen capacidad para operar como verdaderas IBSCs por medio de la verificación del principio de preservación del voltaje. También se ha desarrollado un modelo analítico para evaluar el potencial de IBSCs de puntos cuánticos. Dicho modelo está basado en el cálculo del alineamiento de bandas de energía en heterouniones de aleaciones de materiales III-V, en la estimación de la energía de los niveles confinados en un QD y en el cálculo de la eficiencia de balance detallado. Este modelo ha permitido identificar varios materiales de QDs potencialmente útiles como InAs/AlxGai_xAs, InAs/GaxIni_xP, InAsi_yNy/AlAsxSbi_x ó InAsi_zNz/Alx[GayIni_y]i_xP. Finalmente, también se ha desarrollado un modelado teórico para el análisis de la resistencia serie de una célula solar de concentración. Gracias a dicho modelo se han diseñado y fabricado IBSCs adaptadas a 1.000 soles.

Elucidating the optical properties of novel heterolayered materials based on MoTe2-InN for photovoltaic applications

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Studies of degradation of organic solar cell materials using electrical scanning probe microscopy

Intense research is being done in the field of organic photovoltaics in order to synthesize low band-gap organic molecules. These molecules are electron donors which feature in combination with acceptor molecules, typically fullerene derivarntives, forming an active blend. This active blend has phase separated bicontinuous morphology on a nanometer scale. The highest recorded power conversionrnefficiencies for such cells have been 10.6%. Organic semiconductors differ from inorganic ones due to the presence of tightly bonded excitons (electron-hole pairs)resulting from their low dielectric constant (εr ≈2-4). An additional driving force is required to separate such Frenkel excitons since their binding energy (0.3-1 eV) is too large to be dissociated by an electric field alone. This additional driving force arises from the energy difference between the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of the donor and the acceptor materials. Moreover, the efficiency of the cells also depends on the difference between the highest occupied molecular orbital (HOMO) of the donor and LUMO of the acceptor. Therefore, a precise control and estimation of these energy levels are required. Furthermore any external influences that change the energy levels will cause a degradation of the power conversion efficiency of organic solar cell materials. In particular, the role of photo-induced degradation on the morphology and electrical performance is a major contribution to degradation and needs to be understood on a nanometer scale. Scanning Probe Microscopy (SPM) offers the resolution to image the nanometer scale bicontinuous morphology. In addition SPM can be operated to measure the local contact potential difference (CPD) of materials from which energy levels in the materials can be derived. Thus SPM is an unique method for the characterization of surface morphology, potential changes and conductivity changes under operating conditions. In the present work, I describe investigations of organic photovoltaic materials upon photo-oxidation which is one of the major causes of degradation of these solar cell materials. SPM, Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and UV-Vis spectroscopy studies allowed me to identify the chemical reactions occurring inside the active layer upon photo-oxidation. From the measured data, it was possible to deduce the energy levels and explain the various shifts which gave a better understanding of the physics of the device. In addition, I was able to quantify the degradation by correlating the local changes in the CPD and conductivity to the device characteristics, i.e., open circuit voltage and short circuit current. Furthermore, time-resolved electrostatic force microscopy (tr-EFM) allowed us to probe dynamic processes like the charging rate of the individual donor and acceptor domains within the active blend. Upon photo-oxidation, it was observed, that the acceptor molecules got oxidized first preventing the donor polymer from degrading. Work functions of electrodes can be tailored by modifying the interface with monomolecular thin layers of molecules which are made by a chemical reaction in liquids. These modifications in the work function are particularly attractive for opto-electronic devices whose performance depends on the band alignment between the electrodes and the active material. In order to measure the shift in work function on a nanometer scale, I used KPFM in situ, which means in liquids, to follow changes in the work function of Au upon hexadecanethiol adsorption from decane. All the above investigations give us a better understanding of the photo-degradation processes of the active material at the nanoscale. Also, a method to compare various new materials used for organic solar cells for stability is proposed which eliminates the requirement to make fully functional devices saving time and additional engineering efforts.

Joseph Gusikow. Das Holz und Stroh Instrument

Signatur des Originals: S 36/G01044