Darstellung siliciumreicher Oxide (SRO) auf Dünnfilmbasis und Charakterisierung der enthaltenen Si-Nanokristalle; Einfluss von SRO-Materialien als zusätzliche Schicht auf kommerziell erhältlichen Solarzellen sowie Untersuchung der zu erwartenden Effizienzsteigerung der modifizierten Solarzellen

• Applicant: Professor Dr. Wolff-Ragnar Kiebach
• Subject Area: Solid State and Surface Chemistry, Material Synthesis
• Term: from 2006 to 2009
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 35961607

• Final Report Year: 2009

Final Report Abstract

Ziel des Projektes war die Darstellung und Charakterisierung Silizium reicher Oxide (SRO) auf Dünnfilmbasis. Schwerpunkt war die Charakterisierung von Si-Nanostrukturen, die sich in der Siliziumoxid-Matrix des Filmes und an der Grenzfläche zum Substrat bilden. Die Darstellung von SRC-Filmen erfolgte auf zwei Wegen: a) mittels Low Pressure Chemical Vapour Deposition (LPCVD) und anschließendem Tempern und b) mittels elektrochemischer Abscheidung von Silizium Nanokristallen, welche in einen „spin-on-glas" Prozess integriert wurden. Die Abhängigkeit der Intensität der Photolumineszenz (PL) von Stöchiometrie, Reaktionstemperatur und Reaktionsdauer wurde untersucht. Die intensivste PL konnte für SiO.58 nach 3 h tempern bei 1100 °C beobachtet werden. Zusätzlich zur PL wurde das Absorptionsverhalten in Abhängigkeit der Stöchiometrie mittels UV/Vis Spektroskopie untersucht. Hierbei wurde ein Shift der Absorptionskante hin zu kleineren Wellenzahlen mit steigendem Si Gehalt festgestellt. Eine Charakterisierung der strukturellen Eigenschaften erfolgte mittels TEM, SEM, Ramanund IR-Spektroskopie, Rutherford Back Scattering Spektroskopie und Ellipsometrie. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der Charakterisierung von Silizium Nanokristallen in der SiOi Matrix sowie von Silizium Nanoinseln an der Grenzfläche Substrat/Film. In den Strom-Spannungs-Kennlinien (l-V) und Kapazität-Spannungs-Kennlinien (C-V) wurden sprunghafte Anstiege und Oszillationen bei Raumtemperatur beobachtet. Hierbei wurde eine Verschiebung in Abhängigkeit der I-V Kennlinie (bis zu 40 %) zu niedrigeren Spannungen hin beobachtet. Des Weiteren erwiesen sich die Proben unter Substratinversion als photosensitiv mit einer Verhältnis Photostrom zu Dunkelstrom > 100. In einer zweiten Versuchsreihe konnte gezeigt werden, dass SRO prinzipiell als „down converter" für UV-Licht in Solarzellen benutzt werden kann, allerdings sind die zur Synthese nötigen Temperaturen von 1100 °C zu hoch, um dieses Verfahren in den Herstellungsprozess von Solarzellen zu integrieren. Neben den aufgeführten experimentellen Arbeiten wurden auch Modelle zum Verständnis des Absorptions-/Emmisionsverhaltens, des Kristallwachstums sowie zu den Oszillationen in den l-V Kennlinien und deren Photosensitivität entwickelt.

Publications

• Spectroscopical analysis of luminescent silicon rich oxide films, Revista Mex. Fisica. 53, 279, 2007
  A. Morales, C. Dominguez, J. Barreto, M. Riera, M. Aceves, J.A. Luna, Z. Yu, R. Kiebach
  
• Characterization of Silicon Rich Oxides with Tunable Optical Band Gap on Sapphire Substrates by Photoluminescence, UV/Vis and Raman Spectroscopy, J. Mex. Chem. Soc. 52, 212, 2008
  R. Kiebach, J.A. Luna-López, G.O. Dias, M. Aceves-Mijares, J.W. Swart
  
• Controlling the Size and Density of Silicon Nanostructures by Incorporation of Nitrogen, Chem. Vap. Deposition. 14, 353, 2008
  R. Kiebach, Z. Yu. M. Aceves-Mijares, J. Du, D. Bian, R. López-Estopier, J. Carrillo-Lopez, G. Juárez-Diaz, J. Martinez Juarez
  
• Room temperature current oscillations in naturally grown silicon, J. Appl Phys., 103, 063706, 2008
  Z. Yu, M. Aceves-Mijares, K. Monfil, R. Kiebach, R. López-Estopier, J. Carrillo
  
• Room temperature quantum tunneling and Coulomb blockade in silicon rich oxide, Physica E, 41, 264, 2008
  Z. Yu, M. Aceves, F. Wang, J. Carrillo, R. Kiebach, K. Monfil
  
• The deposition and control of self assembled silicon nano islands on crystalline silicon, Int. J.High Speed Elec. Syst., 18, 901, 2008
  R. Kiebach, Z. Yu, M. Aceves-Mijares, D. Bian, J. Du
  
• Photosensitivity and shift of current oscillations at room temperature in Silicon Rich Oxides under UV/VIS light, Appl. Phys. Lett., 2009
  R. Kiebach, Z. Yu, K. Monfil, J. Carrillo, M. Aceves-Mljaresa
  
• Self Assembly of Silicon Nanoislands on crystalline Silicon under a photoactive Layer, Smart Nanocomposites, 2009
  R. Kiebach, Z. Yu, K. Monfil, G. O. Dias, J.W. Swart, W. Bensch, M. Aceves-Mijares
  
• Synthesis of Light emitting SiOx Layers with calculable optical Properties - a first Step to controlled Integration of photoluminescente active Compounds in Silicon based Devices, Smart Nanocomposites, 2009
  R. Kiebach, A. Morales, K. Monfil, Z. Yu, E. Quiroga, M. Aceves-Mijares