STM-based characterization of single GaInP photovoltaic nanowires

Abstract

The I-V and photovoltaic properties of III-V semiconducting GaInP nanowires have been studied using a scanning tunneling microscope (STM) in evaluation for usage as a potential "sub cell" in a nanowire based tandem solar cell configuration. This evaluation required precise I-V characterization and photo response measurements of individual nanowires. Such measurements usually involve rigorous sample preparation, establishing metal contacts on both ends of the nanowire, which might have an inhibiting effect on the measured currents. In this work another approach has been employed allowing reproducible measurements on single upright standing nanowires. Using a standard STM, Ohmic contacts have been established with the Au seed particles of the GaInP nanowires. This reduced negative effects from the metal-semiconductor
interfaces and required no sample preparation. In this way successful I-V characterization was conducted with currents in the µA range resulting in an average ideality factor of 2.04±0.08. Through laser illumination photocurrents of 19.3 pA were reached and a maximum open circuit voltage (Voc) of 0.98 V. Furthermore, this thesis presents measurements of the band gap (1.95 eV) and atomic imaging of the surface structure of GaInP nanowires which have not yet been reported in literature. These results could be useful in the creation of a nanowire based tandem solar cell with GaInP (with a large measured band gap of 1.95 eV) as a potential top cell in a tandem configuration with InP (1.34 eV) which has been studied to a great extent in the past. The attained results could also be of interest for further studies of GaInP nanowires in other purposes.

Popular Abstract (Swedish)

Kan strukturer 1000 gånger smalare än ett hårstrå ha någon effekt på den globala energiförsörjningen?

Jorden tar emot mer energi från solen på en timme än vad som förbrukas under ett helt år. Genom att utnyttja en bråkdel av denna energi så skulle beroendet av fossila bränslen inte längre behöva dominera jordens energiomsättning. Ny forskning sammanfogar högeffektiva ”tandem-solceller” med nanoteknologin, något som tros kunna öka effektiviteten hos framtida industriella solceller markant.

Majoriteten av solcellspaneler som går att se på hustak och i solcellsparker idag är gjorda av det relativt lättåtkomliga halvledarmaterialet kisel. Dessa paneler är begränsade av materialets strukturella egenskaper och har en verkningsgrad runt 15%. De är med andra ord lagom bra och lagom billiga. Genom att kombinera III-V (”tre-fem”) halvledare i skikt ovanpå varandra har forskare maximerat verkningsgraden hos så kallade tandem-solceller. De kan utnyttja en större del av solspektret än vanliga kiselpaneler och på så sätt omvandla mer solljus till elektricitet (över 40%). Även om dessa typer av solceller är väldigt effektiva har de visat sig alltför dyra att framställa för att kunna utnyttjas industriellt (annat än i t.ex. rymdteknik).

För att få ner kostnaderna på denna typ av kvalitativa solceller kan nanoteknologin utnyttjas. Nanotrådar är avlånga strukturer vars diameter är ungefär en tusendel av ett hårstrå. Man kan skapa nanotrådsbaserade solceller bestående av miljontals upprättstående nanotrådar. Varje enskild nanotråd i en sådan struktur fungerar som en typ av antenn för absorbation av solljus. Dessa strukturer kan förbättra absorbationsförmågan hos redan existerande solceller eller användas för att skapa högeffektiva flexibla tandem-solceller på relativt billiga substrat. För att ge en god förutsättning för dessa typer av solceller så måste varje enskilt material undersökas grundligt.
Problemet är att nanotrådars speciella utformning gör att de har olika egenskaper än större bitar av samma material. Det är därför nödvändigt att göra mätningar på enskilda nanotrådar för att förstå hur en potentiell nanotråds-baserad solcell skulle fungera. Detta är ingen lätt uppgift med tanke på dessa strukturers ringa storlek. Stora ansträngningar krävs för att skapa metalliska kontakter i båda ändarna av en nanotråd för att mäta ström och spänningskurvor. Denna typ av mätningar kan även ha en hämmande effekt på den uppmätta strömmen.

I detta arbete har en annan metod använts. Ett sveptunnelsmikroskop (STM) har utnyttjats för att skapa ohmska kontakter med nanotrådar av det halvledande materialet gallium-indium-fosfid (GaInP). Dessa mätningar har kunnat upprepas på flera nanotrådar utan omständiga förberedelser. Framgångsrika mätningar av ström och spänningskurvor har gjorts. Fotoresponsen visar en högsta genererad fotoström av 19.3 pA och en ”spänning vid öppen krets” (en elektromotans Voc) av 0.98 V. Denna höga spänning är en produkt av att GaInP har ett stort bandgap, uppmätt till 1.95 elektronvolt (eV). Unika bilder av nanotrådarnas ytstruktur har även framkallats där den atomära strukturen hos enkilda fosfidatomer är synlig.

Experimenten är utförda i ultrahögt vakum i kamrarna av ett sveptunnelmikroskop. En nål av atomär diameter kunde kartlägga ytstrukturen hos nanotrådarna och skapa Ohmska kontakter i syfte att mäta deras konduktiva egenskaper. Genom att lysa en laser mot provet kunde även fotoresponsen studeras.

Resultaten som presenterats i detta arbete kan bl.a. vara relevanta för vidare användning av GaInP som ”toppcellen” i nantrådsbaserade tandem-solceller men kan även unyttjas till vidare forskning kring GaInP i andra syften.

• author: Brask, Johannes
• supervisor: Rainer Timm; Magnus Borgström
• organization: Synchrotron Radiation Research; Solid State Physics; Department of Physics
• course: FYSK02 20161
• year: 2016
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: STM top contact method GaInP nanowire array solar cell
• language: English
• id: 8882544
• date added to LUP: 2016-06-21 16:12:07
• date last changed: 2016-11-15 13:59:18