Electro-optical characterization of NanoWire Solarcells

Abstract

A sample with five Nanowire Solar Cell (NWSC) devices of equal design were performance evaluated by characterizing the current spatially and by investigating the angular and polarization dependence.
For spatial characterization a Scanning Photocurrent Microscopy (SPCM) setup was developed using a highly focused laser which is scanned across the device as the photocurrent is measured. The photocurrent image (PCI) was complemented with simultaneous reflection detection. A reflection image (RI) could give further information about the investigated device. Images revealed high quality devices with high currents and little defects. The technique resolved features down to single nanowire scale with highest resolution of 0.55-1 μm according to an empirically found laser spot size.
Defects, characterized comparing PCI and RI revealed spots of missing nanowires (NWs), scratches of defected/missing NWs, large surface artifacts and dirt particles attached to the surface. These originate from different steps in the processing and information from other characterization techniques, such as scanning electron micrsocopy (SEM), is needed to conclude the origin and indicate how to avoid them.
A setup for investigating the angular and polarization dependence of the photocurrent was developed using a broad band light source and Fourier Transform Spectrometer. Results for the total spectrum show similar angular dependence as for planar solar cell devices but vary strongly with energy, a feature that distinguished NWSCs from planar devices. The angular dependence was the lowest for 900 nm and highest at 800-700 nm.
The polarization dependence was measured in the same manner for different linear polarizations. Results for different polarizations show different angular dependence varying with energy. The maximum intensity difference between the polarizations, the Brewster angle, varied between 60° and 80° for different energies. This is a larger variation than for planar InP where the same wavelength range corresponds to Brewster angles of 74°-78°.

Popular Abstract (Swedish)

Undersökning av Nanotrådssolceller på mikroskopisk nivå
Solenergi är en förnyelsebar energikälla med stor potential. Den mest använda solcellen, Kisel-solcellen, närmar sig idag den teoretiskt maximala verkningsgraden. För att förbättra solcellers verkningsgrad och samtidigt hålla nere deras kostnader har forskning inom Nanotrådssolceller tagit fart. Dessa har fördelaktiga egenskaper tack vare sin geometri. De absorberar ljus inom en större genomsnittsarea än deras fysiska area. Man kan säga att de verkar som antenner för ljuset vilket ger möjlighet att minska materialförbrukningen och därigenom även kostnaderna för solceller. För att förbättra deras effektivitet är en viktig aspekt att minimera felaktigheter i materialet. En del av arbetet i detta projekt går därför ut på att ta fram en mätteknik för att analysera strömmen och defekter på mikroskopiskt nivå.
En laser skannas över det område av solcellen som ska undersökas, ljuset absorberas och strömmen som då alstras mäts för ett visst antal punkter längs skanningen. Dessa punkter blir ”pixlarna” i en bild som visar strömfördelningen i solcellen. Vid varje mätpunkt mäts även det reflekterade laserljuset vilket ger en bild av reflektionen. Detta ger information om vart ljuset som inte blir ström tar vägen, absorberas det av nanotrådarna eller inte? Då kan man säga mer om defekters egenskaper och hur de skulle kunna undvikas i framtiden. Upplösningen i bilderna ligger på 550nm-1μm beroende på vilken definition som används. Avståndet mellan enskilda nanotrådar är 500nm och strömmen från sådana bör då kunna upplösas. Olika typer av defekter kan karaktäriseras; defekter på enskilda nanotrådar har troligtvis uppstått vid nanotrådsväxten, en defekt med hög reflektion över större yta visar på materialrester från tillverkningen, en tredje defekt som har ökad reflektion men intakt nanotråd kan lokaliseras som defekt i ytlagret och en fjärde defekttyp utan ökad reflektion men minskad ström tyder på en skada i nanotråden själv. Genom dessa resultat kan man se både magnituden av defekternas påverkan på strömmen och få en indikation på hur de tillkommit och skulle kunna undvikas.
En annan viktig aspekt hos solcellerna är deras vinkelberoende. När solen sveper över himlen kommer ljus infalla från olika vinklar och hur detta påverkar strömmen är viktigt att veta för att kunna optimera och förutspå solcellens kapacitet. Därför inkluderades även en sådan undersökning i detta projekt. Dessa mätningar visar att vinkelberoendet för hela det undersökta ljusspektrat är likt det för konventionella, plana solceller. För olika energi däremot, varierar beroendet starkt vilket är karakteristiskt för nanotrådssolceller. Genom jämförelse med en simulering av nanotrådars reflektion vid olika vinklar, kan det sägas att skillnaden i vinkelberoende för olika energi beror starkt på skillnader i reflektion. Detta kan vara viktigt att ha i åtanke då solcellen ska optimeras för specifika förhållanden.
Vinkelberoendet undersöktes även för ljus med olika linjär polarisation. Det visade sig endast ha en liten påverkan som därför är mest relevant för att få ökad förståelse för nanotrådssolcellers egenskaper.

• author: Ångbäck, Ida
• supervisor: Dan Hessman; Magnus Borgström
• organization: Solid State Physics; Department of Physics
• course: PHYM01 20161
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Solarcell, nanowire, angular dependence, photocurrent, photocurrent microscopy
• language: English
• id: 8882543
• date added to LUP: 2016-06-17 22:54:57
• date last changed: 2016-06-20 12:48:44