Nanofabrication and simulation of nanogratings for geometric induced doping in photovoltaic application

Abstract

Geometrisk indusert doping, som et nytt alternativ til tradisjonelle ione dopings metoder for produksjon av silisium baserte solceller, blir utforsket i denne avhandlingen, noe som kan forbedre solcellenes levetid og effektivitet. Avhandlingen inkluderer teoretisk analyse, simuleringer, samt målinger på fabrikkerte nanogitter mønstre på p-type silisium substrater. Nye nanogitter mønstre, med en redusert periodisitet på 160 nm og dybde på 5 nm, ble fabrikkert og simulert. Nanogitter mønstre ble også fabrikkert i to akser, hvor både ortogonale innfelte linjer og det inverse mønsteret av innfelte bokser ble produsert. Elektronstråle litografi og reactive-ion etching ble brukt til å fabrikkere disse strukturene. Simuleringer ble utført ved hjelp av finite difference method, for å løse den tidsuavhengige Schrödinger-ligningen. Både simuleringer og Kelvin probe force microscopy målinger demonstrerte en forbedret geometrisk indusert doping effekt for den nye periodisiteten på 160 nm. Den største endringen i Fermi-nivået målt var (0,25 ± 0,03) eV. I-V-responsene til de produserte prøvene ble også målt, men ble dominert av de betydelig ensrettende egenskapene til de fabrikkerte front kontaktene, noe som hindret evalueringen av solcelle effektivitetene.

Geometric induced doping, as a novel alternative to traditional ion-doping methods, for silicon-based photovoltaic cell production, is in this thesis explored, which might enhance the longevity and efficiency of photovoltaic cells. The research presented includes theoretical analysis, simulations, as well as measurements on fabricated nanograting patterns on p-type silicon substrates. Novel nanograting patterns, with a reduced nanograting pitch of 160 nm and depth of 5 nm, were fabricated and simulated. Nanograting patters were also fabricated in two axes, where both orthogonal indented lines, and the inverse pattern of indented boxes were produced. Electron beam lithography and reactive-ion etching was employed to fabricate these structures. Simulations were performed using the finite difference method, to solve the time-independent Schrödinger equation. Both simulations, and Kelvin probe force microscopy measurements, demonstrated an improved geometry-induced doping effect for the novel pitch of 160 nm. The most drastic change in Fermi level measured was (0.25 ± 0.03) eV. The I-V responses of the produced samples were also measured, which were dominated by the significantly rectifying properties of the fabricated front contacts, hindering the evaluation of the power conversion efficiencies.