Jak wiele może wytrzymać krzem

Struktury luk w odkształconym Si stanowią wyjątkową szansę na zbadanie przedziwnych właściwości w zastosowaniach fotowoltaicznych (PV). Poprzez napromieniowanie jonami lekkimi, odkształcony Si — uzyskany drogą umieszczenia warstw krzemowo-germanowych (SiGe) i Si na podłożu krzemowym — powoduje w rezultacie kształtowanie się nanokropek i nanoluk. Ich niezwykłe właściwości elektroniczne i optyczne nie zostały dotychczas eksperymentalnie zbadane w konfiguracjach ogniw słonecznych.

W ramach finansowanego przez UE projektu "Nano-voids in strained silicon for plasmonics" (NOVOSIP) zaoferowano wyjątkową konfigurację urządzeń PV w celu zbadania struktur odkształconych Si/SiGe zawierających luki. Naukowcy starali się umieścić nanokropki i nanoluki w wysoce uszlachetnionej warstwie emitera w pobliżu złącz p-n w celu rozszerzenia efektu magnetycznego typu "near field" do regionu zubożenia. Zgodnie z założeniem, efekt ten miał dać początek mnożeniu nośnika i zwiększeniu rozproszenia światła ze względu na efekt typu "far-field", przy czym oba są obiecujące w kontekście zwiększenia absorpcji światła słonecznego.

Naukowcy zastosowali różne metody w celu zbadania właściwości strukturalnych, optycznych i elektronicznych formowanych okresowo warstw odkształconych. Plan polegał na wykorzystaniu uzyskanych danych do przygotowania struktur plazmonicznych dla urządzeń PV na bazie Si, czujników gazu w stanie stałym i urządzeń optoelektronicznych.

Poprzez wysokotemperaturowe promieniowanie jonizacyjne konstrukcji Si/SiSn/Si, naukowcy uzyskali samoporządkujące się sferyczne nanoluki i osady odkształconej cyny (Sn). Struktury te są wyjątkowo obiecujące w kontekście zastosowań optoelektronicznych, takich jak przyrządy emitujące światło lub PV.

Przy zastosowaniu implantacji jonów węgla i obróbki termicznej, naukowcy obserwowali formowanie się węglowych nanopłatków w odkształconej wielowarstwowej strukturze Si/SiGe/Si. Ze względu na krystaliczną strukturę płatków możliwa jest absorpcja wszelkiego rodzaju światła, co potencjalnie umożliwia bardzo wysoki współczynnik przemiany energii.

Zespół opracował i zaproponował nową koncepcję w zakresie samoporządkowania się metalicznych nanopłaszczy i nanocząsteczek w odkształconych heterostrukturach Si/SiGe. Metaliczne nanopłaszcze można poddać dalszym badaniom w strukturach ogniw słonecznych w celu zademonstrowania efektów plazmonicznych. Na koniec zespół projektu NOVOSIP zademonstrował efekty detekcji gazu związane ze strukturami plazmonicznymi w warstwie nanokompozytowej opartej na dwutlenku cyny (SnO2) z lukami.

Wysoka wydajność w połączeniu z niskimi kosztami stanowią główne wyzwanie konstrukcyjne w procesie wytwarzania ogniw słonecznych. Dzięki badaniom eksperymentalnym w zakresie struktur plazmonicznych w odkształconych multiwarstwach krzemowych, projekt NOVOSIP wytyczył szlak ku efektywniejszemu poborowi światła przez ogniwa słoneczne.