Molybdenum Oxide as a Selective Hole Electrical Contact for Indium Phosphide Nanowires

Abstract

Solar cells are a potent and renewable alternative to generate electricity. Through absorption of energetic photons electrons are excited generating electron-hole pairs or charge
carriers and through separation of these charge carriers a current can flow through the
device.

In this project Molybdenum oxide (MoOx) is tested as a hole selective contact in n-i-p
Indium phosphide (InP) nanowire solar cells. MoOx was tested for different thicknesses
to ensure the highest conductivity to allow larger currents to pass through the device and
achieving higher efficiency. The transparency of different thicknesses of MoOx was also
investigated to ensure maximum optical transmission through the layer. InP nanowires with n-i-p structure were grown on two samples, on one sample a MoOx layer was deposited on top of the nanowires and further contacted with a layer of ITO for a hole selective contact. The other one was a reference sample without the MoOx layer.

The conductivity of MoOx was increasing with thickness, the transmission also decreased with thickness but the gain in conductivity outweighed the loss in transmission and the thickest layer tested of 20 nm was chosen for further research in the full solar cell sample.

I-V measurements conducted in a solar simulator at 1.5 AM irradiation showed that incorporating a 20 nm thick MoOx layer as a hole selective contact, on average decreased the short circuit current (ISC) by 3.87 mA/cm2, the fill factor (FF) decreased from 59% to 28% and the power conversion efficiency (η decreased from 2.67% to 0.92%. Open circuit voltage (VOC) showed no statistical significant change.

Popular Abstract (Swedish)

Dagens samhälle kräver mycket energi för att fungera. Solljus är en fantastisk förnyelsebar energikälla och med solceller går det att ta till vara på denna energin och använda den i form av elektricitet. När solljus träffar en solcell absorberas dess energi i materialet, detta genererar laddningsbärare som är positiva (hål) och negativa (elektroner) som kan driva en ström. Eftersom de olika laddningsbärarna har motsatta laddningar kommer de attraheras av varandra och kan slås ihop, en så kallad rekombination. När laddningsbärare rekombinerar kan de inte längre leda en ström och effekten man kan utvinna ur solcellen blir lägre. För att maximera effekten i solcellen separeras laddningsbärarna och hindras från att rekombinera i materialet. Detta ändamål kan uppnås genom att använda en laddningsbärare-selektiv kontakt. I detta projektet undersöks molybdenoxid som en hålselektiv kontakt för solceller med nanotrådar tillverkade av indiumfosfid.

För att separera laddningsbärarna med en hålselektiv kontakt behövs det skapas en situation där hål enkelt kam färdas mot kontakten samt ett sätt att hindra elektronerna
från att komma till kontakten. Detta uppnås med hjälp av "band engineering". Om det kopplas in en hålselektiv kontakt med andra energinivåer så kommer
energinivåerna att böja sig mot varandra.

Elektroner strävar efter att uppnå det lägsta energitillståndet och när bandet böjs uppåt mot hålkontakten bildas en energibarriär som kan liknas vid en uppförsbacke. Elektronerna kommer inte färdas upp för backen utan färdas istället i motsatt riktning. Hålens beteende skiljer sig från elektronernas, de strävar för att färdas uppåt i valensbandet. När valensbandet böjs uppåt blir det effektivt en nedförsbacke för hålen och de färdas ner för backen och når den hålselektiva kontakten. Med denna strukturen kommer laddningsbärarna att bli separerade, antalet rekombinationer i solcellen minskar och effektiviteten ökar.

Solcellernas bas är en tunn skiva indiumfosfid med små nanotrådar på. Nanotrådar är som små tunna pinnar med en längd på cirka 1,5 - 2 µm. De absorberar nästan lika mycket solljus som ett bulkmaterial som täcker samma område men använder mycket mindre material. Nanotrådarna täcks sedan med ett isolerande lager kiseloxid och mellanrummen mellan nanotrådarna blir fyllda med en polymer för att ge dem stabilitet. Ovanpå nanotrådarna läggs ett nanometer tunt lager av molybdenoxid som är den hålselektiva kontakten. Ovanpå läggs sedan ännu ett nanometer tunnt lager av indium-tenn-oxid och ovanpå det en guldkontakt. De två sista lagernas uppgift är att vara ledande och leda vidare laddningsbärare efter att de blivit separerade och extraherade ur nanotrådarna.

I detta projektet visar resultaten på en icke ökad effektivitet i solcellen. Detta kan bero på att kombinationen av indiumphosphid med molybdenoxid inte ger den önskade böjningen av energibanden.

• author: Ivarsson, Erik
• supervisor: Magnus Borgström; David Alcer
• organization: Solid State Physics; Department of Physics
• course: PHYM01 20212
• year: 2021
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Solar cells, Molybdenum oxide, Indium phosphide, nanowires
• language: English
• id: 9069078
• date added to LUP: 2021-12-17 08:41:58
• date last changed: 2021-12-17 08:41:58