Surface Passivation of GaInP and InP Nanowires for Solar Cell Applications

Abstract

Generating electricity from sunlight is a promising approach to achieve sustainable energy production. The efficiency of current solar cells is around 20% which is quite good; however, even higher efficiencies are desired. One promising design employs III–V semiconductor tandem and triple-junction nanowire (NW) arrays with geometrically enhanced absorption and lower weight, capturing a broader portion of the solar spectrum. The geometry of nanowires facilitates the stacking of lattice mismatched materials, but their large surface-to-volume ratio also makes them more susceptible to surface defects. The bulk volume of the material is smaller, and charge carriers are more easily diverted and trapped at the surface, reducing the current.
In this thesis, surface passivation methods were developed and evaluated using GaInP and InP nanowire arrays grown by metal-organic vapor-phase epitaxy (MOVPE). The samples were characterized before treatment, after treatment, and one week after treatment stored under ambient conditions using photoluminescence (PL) measurements. A higher PL intensity indicates less carrier loss to surface defects and, consequently, a more effective solar cell. The investigated treatments included wet chemical etching to remove defective surface material and native oxides, sulfurization to remove native oxides and passivate dangling bonds with sulfur atoms, and surface capping using dielectric and polymer coatings to isolate the nanowire surface from the environment.
The treatments were evaluated both individually and in combination. It was found that etching the nanowires using diluted sulfuric acid significantly increased the PL intensity. Furthermore, capping the samples with the polymer S1818 stabilized the enhanced PL signal after etching, indicating that the polymer suppresses surface reoxidation and helps maintain surface passivation over time.

Popular Abstract (Swedish)

Alla har hört talas om solceller och deras viktiga roll i omställningen till förnybar energi. Precis som inom annan teknik finns det många olika typer av solceller. En av dessa och fokus för detta examensarbete, är III–V-halvledarbaserade dubbel- och
trippelövergångssolceller byggda av nanotrådar. Mer specifikt undersöker arbetet olika ytbehandlingar för att förbättra solcellernas effektivitet.
Vi börjar från början. Vad är egentligen en III–V-halvledarbaserad dubbel- eller trippelövergångssolcell, mer än ett väldigt långt namn? III–V-halvledare består av två eller flera grundämnen från grupp III och grupp V i det periodiska systemet. Dessa material har elektriska egenskaper som gör dem särskilt lämpade för elektroniska komponenter och solceller. Att solcellen har en dubbel- eller trippelövergång
innebär att flera olika halvledarmaterial staplas ovanpå varandra i samma nanotråd och bildar två eller tre övergångar i materialen (se Figur I.1 (a)). Varje övergång är optimerad för att absorbera olika delar av solens ljusspektrum, vilket gör solcellen mer effektiv. Nanotrådar är mycket tunna och långa strukturer som med noggrann kontroll under växtprocessen kan odlas i täta matriser över en yta (se Figur I.1 (b)). En typisk nanotråd i detta arbete är ungefär 200 nm i diameter och 2 000 nm hög.
Som jämförelse är ett mänskligt hårstrå mellan 40 000 och 120 000 nm tjockt, vilket innebär att ett hårstrå är 200–600 gånger bredare än en nanotråd.
När strukturer blir så små börjar fysiken bete sig annorlunda än vi är vana vid från vardaglig teknik. Ett tydligt exempel är att förhållandet mellan yta och volym ökar kraftigt när storleken minskar och för nanotrådar innebär detta att en stor andel av materialet ligger nära ytan. I en metall ligger atomerna organiserade i ett tredimensionellt mönster som kallas materialets kristallstruktur. Detta mönster innehåller ofta fler defekter vid ytan än vad som finns i materialets inre. Dessa defekter försämrar solcellens prestanda genom att elektroner lättare förlorar sin energi innan de kan bidra till produktionen av elektricitet. Dessa defekter i kristallstrukturen kan minskas med hjälp av ytbehandlingar eller så kallad ytpassivering. Att passivera en yta kan innebära att man behandlar den på något sätt som skyddar eller gör ytan mindre reaktiv, vilket minskar defekterna i kristallstrukturen. Därför blir ytpassivering en avgörande del av tillverkningen. Ytpassivering kan förbättra ytan på flera olika sätt, exempelvis genom att avlägsna naturligt bildad oxid, ta bort material som sitter på fel plats, binda till och neutralisera brister i kristallstrukturen eller skapa ett skyddande och elektriskt isolerande lager runt nanotråden.
I detta examensarbete utvecklades och utvärderades olika ytpassiveringsstrategier och kombinationer av behandlingar. Kemisk etsning med utspädd svavelsyra användes för att avlägsna oxider och felaktiga ytskikt som bildats under tillverkningen av nanotrådarna. Därutöver testades två olika behandlingar med ammoniumpolysulfid, där svavelatomer binder till lediga bindningar i kristallstrukturen och därmed minskar antalet defekter. Slutligen undersöktes påverkan av tunna lager material så som kiseloxid, aluminiumoxid eller fotopolymer som appliceras jämnt över nanotrådarnas yta. Dessa skikt skyddar mot oxidation och kan samtidigt fungera som elektrisk isolering.
För att utvärdera effektiviteten av passiveringsmetoderna mättes ljusemissioner från proven efter att de exponerats av en fokuserad laser. En högre ljusemission är en stark indikation på att färre elektroner förloras genom defekter i materialet och att fler av de elektroner som genereras när solljus absorberas kan bidra till elproduktion. Resultaten visade att 40 minuters etsning gav den största förbättringen av nanotrådarnas ljusemission, men att intensitetsökningen inte var stabil och hade minskat efter en vecka. Näst bäst resultat erhölls när etsningen kombinerades medett tunt lager av en fotopolymer. Etsningen gav en tydlig ökning av den utsända ljusintensiteten, medan fotopolymeren bidrog till att stabilisera denna förbättring över tid. Resultaten visar därför att passiveringen förbättrar nanotrådarnas kvalitet och därmed solcellernas verkningsgrad. Effektivare solceller kan i sin tur bidra till
billigare och mer hållbar förnybar energi och därmed stödja omställningen till ett mer hållbart energisystem.

• author: Berg, Lilly
• supervisor: Magnus Borgström
• organization: Solid State Physics; Department of Physics
• alternative title: Ytpassivering av GaInP- och InP-nanotrådar för tillämpningar i solceller
• course: PHYM01 20261
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: solarcells, surface passivation, nanowires
• language: English
• id: 9250563
• date added to LUP: 2026-09-11 08:42:58
• date last changed: 2026-09-11 08:42:58