Exploration of the Effect of MOCVD Growth Parameters on Sn-Seeded Zn3P2 Nanowires

Abstract

To meet the energy demands during the transition from a fossil fuel-dependent society to one
powered by renewable energy, a diverse range of sustainable energy production is needed.
Zn3P2 is an earth-abundant photoabsorbing material with great optoelectronic properties for
use in sustainable thin film solar cells. So far, progress has been limited by the difficulties
of fabricating high-quality, defect free material. By growing the material in a nanowire morphology, some of the material limitations can be avoided. In this thesis, Zn3P2 nanowires
were synthesised by metalorganic chemical vapour deposition (MOCVD) on a Si(111) substrate through vapor-liquid-solid (VLS) growth, using Sn as the seed particle. A temperature and V/II flow ratio series was conducted in order to probe the effect of the growth
parameters on the resulting nanowire morphology. Furthermore, the formation of Sn seed
particles on Si(111) substrates using MOCVD was explored. The resulting nanowires were
examined using a scanning electron microscope (SEM), scanning transmission electron microscope (STEM) equipped with an energy-dispersive X-ray spectroscopy (XEDS) detector,
and X-ray diffraction (XRD) analysis. The growth temperature was found to have a large
effect on the resulting nanowire morphology. The nanowire cross-section changed from triangular to pseudo-pentagonal with increasing temperature and the formation of periodically
faceted nanowires increased with higher temperature. The V/II flow ratio was found to have
little effect on the morphology of the nanowires for a given growth temperature. Furthermore, the composition of the nanowires was characterised as Zn3P2, with a plane from the
{101} family oriented parallel to the growth substrate. The findings in this thesis provides
the foundation for further research into Sn-seeded Zn3P2 and the formation mechanisms of
the peculiar morphologies found in the results. Furthermore, it contributes to the broader
objective of realising earth-abundant high-efficiency Zn3P2 thin film solar cells.

Popular Abstract (Swedish)

Världen genomgår just nu en omställning inom elproduktionen, från fossila bränslen till mer hållbara alternativ, för att minska växthusgasutsläppen och bekämpa klimatförändringarna. Solceller är en viktig teknik inom denna omställning och fungerar genom att ljus fångas upp av ett material och omvandlas till elektricitet.

En sorts teknik inom solcellsbranschen som får mer och mer uppmärksamhet är så kallade “tunnfilmssolceller”. Dessa fungerar på samma sätt som vanliga solceller men kan göras tunnare, och även böjbara i vissa fall, genom att speciella material används. I nuläget är dock materialen som används i de mest framgångsrika av dessa tunna solceller väldigt ovanliga och dyra, vilket är ett problem när man vill tillverka solcellerna i en större skala. Det behövs därför ett alternativ till de ovanliga materialen som används i tunnfilmssolceller i dagsläget. Ett alternativ som har visat sig ha bra egenskaper för att fånga upp solljus, och som det dessutom finns mycket av, är ett material som heter zinkfosfid.

Det vanliga sättet att tillverka solcellsmaterial på är genom att bilda tunna men relativt stora plattor av materialet som sedan sätts ihop med . Detta tillverkningssätt fungerar inte för zinkfosfid då det uppkommer sprickor i materialet när man försöker bilda plattorna. Ett sätt att undvika dessa sprickor i materialet är att tillverka det i små, små strukturer som är separata från varandra, så kallade nanotrådar. Dessa kan liknas till små hårstrån som sitter fast i en platta, men som är 100 gånger tunnare och några tusendels millimeter långa.

Nanotrådar kan tillverkas på olika sätt, men ett av de vanligare sätten att tillverka dem kan liknas vid sättet en planta växer. I en uppvärmd kammare lägger man en platta som man vill att nanotrådarna ska tillverkas på, eller “växa” som det också kallas. På plattan lägger man väldigt små klumpar av en metall, så kallade “frön”, och så introducerar man gaser som innehåller beståndsdelarna till det material man vill att nanotrådarna ska bestå av. Dessa beståndsdelar hittar fram till “fröna” som hjälper till att organisera dem till en nanotråd som successivt växer fram under “fröet”. För att nanotrådarna ska vara användbara vill man att de ska vara raka, likformiga och utan defekter. Genom att ändra temperaturen i kammaren och mängden gas som introduceras kan man påverka hur de växer och därmed hitta rätt inställningar för att förhoppningsvis uppnå dessa krav.

I mitt examensarbete undersökte jag därför hur temperatur och mängden gas som introducerades i kammaren påverkade växten av zinkfosfid-nanotrådar på en platta gjord av kisel. Problemet med att undersöka nanotrådarna efter att de är tillverkade är att de är så pass små att man behöver speciell utrustning för att kunna skapa en bild av hur de ser ut. För att undersöka nanotrådarna användes därför en speciell typ av mikroskop som kallas “elektronmikroskop” som, till skillnad från ett vanligt mikroskop, belyser provet med en stråle av elektroner istället för ljus. Genom att samla upp signalerna som sänds ut av provet när elektronerna träffar det kan man både skapa en bild av ytan på provet och få reda på vilket material som de är gjorda av.

Sammanfattningsvis visar mitt arbete att det är möjligt att tillverka nanotrådar av zinkfosfid över ett brett spektrum av temperaturer och gasflöden. Dessutom kunde jag styra nanotrådarnas form genom att ändra temperaturen, vilket kan vara viktigt för framtida tillämpningar i solceller. Utöver det så bekräftades det att nanotrådarna bestod av zinkfosfid genom olika analysmetoder. Förhoppningen är att dessa resultat kommer bidra till utvecklingen av effektiva och hållbara solceller av zinkfosfid i framtiden.

• author: Thulin, Hampus
• supervisor: Simon Escobar Steinvall; Kimberly Dick Thelander
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• course: KASM10 20242
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Nanowires, MOCVD, SEM, Zinc phosphide, STEM, Solar cells, Materials chemistry
• language: English
• id: 9186406
• date added to LUP: 2025-03-17 15:23:59
• date last changed: 2025-03-17 15:23:59