Nitride semiconductors as carrier-selective contacts for silicon heterojunction solar cells
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Data de Publicação: | 2021 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | eng |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UNIFEI (RIUNIFEI) |
Texto Completo: | https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/2770 |
Resumo: | Este trabalho apresenta a caracterização elétrica de camadas de ZnSnxGe1-xN2 (ZTGN) (10% < x < 90%) depositadas em substrato de vidro por sputtering combinatório e avalia o desempenho de células solares de heterojunção de silício (SHJ) que apresentam essas camadas como contatos elétron-seletivos. Bandgap, condutividade e energia de ati vação variaram significantemente entre amostras ricas em Sn e Ge. Quando tais camadas foram aplicadas como contatos elétron-seletivos em células solares, os dispositivos apre sentaram baixo desempenho, com resultados surpreendentemente semelhantes apesar de mudanças nas propriedades do material. A partir de análises e modelagem das caracterís ticas corrente-tensão de várias estruturas de células solares, com auxílio de um algoritmo de Evolução Diferencial auto adaptativo, mostramos que a função trabalho do contato elétron-seletivo está em torno de 4.35 eV para todas as composições investigadas de Sn e Ge, o que é muito alto para formar um excelente contato. Através da comparação de diferentes arquiteturas de células solares, identificamos ainda que camadas ricas em Ge impõem uma barreira adicional à extração de elétrons, independentemente de sua baixa seletividade, devido a baixos valores de condutividade. Após a identificação desses mecan ismos de perdas, MgSnN2 (MTN) foi considerado como um bom candidato, já que apre senta bandgap adequado e alta concentração de elétrons para uma composição de 50% Mg/(Mg+Sn) (at.%). Desse modo, fabricamos camadas de MTN através de sputtering combinatório, sem aquecimento do substrato e à 200 °C, obtendo amostras de MgxSn1-xN2 (43% < x < 55%), com bandgap em torno de 2 eV, exibindo condutividade e energia de ativação que decrescem em amostras ricas em Mg. Características JV similares àque las observadas para ZTGN foram obtidas quando MTN foi empregado como camada elétron-seletiva, mas com desempenho ligeiramente superior. As propriedades limitantes foram as mesmas, com função trabalho estimada em 4.16 eV, aumentando para 4.3 eV para amostras fabricadas à 200 °C. Amostras ricas em Sn exibiram ainda alta afinidade eletrônica e aquelas ricas em Mg resultaram em curvas com severo perfil em “s” devido à baixa dopagem, como foi o caso de amostras de ZTGN ricas em Ge. Portanto, a dopagem desses materiais com elementos extrínsecos aparenta ser a abordagem mais relevante para a construção de dispositivos eficientes com contatos formados com camadas de ZTGN ou MTN. |
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A partir de análises e modelagem das caracterís ticas corrente-tensão de várias estruturas de células solares, com auxílio de um algoritmo de Evolução Diferencial auto adaptativo, mostramos que a função trabalho do contato elétron-seletivo está em torno de 4.35 eV para todas as composições investigadas de Sn e Ge, o que é muito alto para formar um excelente contato. Através da comparação de diferentes arquiteturas de células solares, identificamos ainda que camadas ricas em Ge impõem uma barreira adicional à extração de elétrons, independentemente de sua baixa seletividade, devido a baixos valores de condutividade. Após a identificação desses mecan ismos de perdas, MgSnN2 (MTN) foi considerado como um bom candidato, já que apre senta bandgap adequado e alta concentração de elétrons para uma composição de 50% Mg/(Mg+Sn) (at.%). Desse modo, fabricamos camadas de MTN através de sputtering combinatório, sem aquecimento do substrato e à 200 °C, obtendo amostras de MgxSn1-xN2 (43% < x < 55%), com bandgap em torno de 2 eV, exibindo condutividade e energia de ativação que decrescem em amostras ricas em Mg. Características JV similares àque las observadas para ZTGN foram obtidas quando MTN foi empregado como camada elétron-seletiva, mas com desempenho ligeiramente superior. As propriedades limitantes foram as mesmas, com função trabalho estimada em 4.16 eV, aumentando para 4.3 eV para amostras fabricadas à 200 °C. Amostras ricas em Sn exibiram ainda alta afinidade eletrônica e aquelas ricas em Mg resultaram em curvas com severo perfil em “s” devido à baixa dopagem, como foi o caso de amostras de ZTGN ricas em Ge. Portanto, a dopagem desses materiais com elementos extrínsecos aparenta ser a abordagem mais relevante para a construção de dispositivos eficientes com contatos formados com camadas de ZTGN ou MTN.This work initially reports the electrical characterization of ZnSnxGe1-xN2 (ZTGN) layers (10% < < 90%) deposited on glass by combinatorial sputtering and further assesses the performance of silicon heterojunction (SHJ) solar cells featuring them as electron-selective contacts. Bandgap, dark conductivity, and the activation energy of the latter were found to significantly change between Sn and Ge-rich samples. When applying ZTGN layers as electron-selective contacts for SHJ solar cells, poor solar-cell performance was observed, with surprisingly similar results despite changes in material properties. From analysis and modelling of the current-voltage characteristics of several device structures, through a self-adaptive Differential Evolution algorithm, we show that the work function of the electron-selective contact lies around 4.35 eV for all investigated Sn and Ge contents, which is too high to form an excellent electron-selective contact. By comparing differ ent solar-cell architectures, we could further identify that the Ge-rich layer imposes an additional barrier to electron extraction, independently of its poor selectivity, due to its low conductivity. After having identified these loss mechanisms, MgSnN2 (MTN) was envisioned as a good candidate, due to its high electron concentration and bandgap at 50% Mg/(Mg+Sn) (at.%). Thus, we fabricated MTN layers also through a combinatorial sputtering approach, with no substrate heating and at 200 °C, resulting in MgxSn1-xN2 (43% < < 55%) samples, with bandgap around 2 eV, showing dark conductivity and activation energy that decreased towards Mg-rich samples. When applied to SHJ solar cells, JV characteristics similar to that when ZTGN was studied were obtained, and per formance was slightly better. The limiting properties were also of the same kind, with an estimated work function around 4.16 eV, shifting to 4.3 eV for samples grown at 200 °C, and Sn-rich samples showing a too high electron affinity. Mg-rich samples, as Ge-rich ones, resulted in strong s-shapes due to poor doping. Thus, doping these compounds with extrinsic elements appears as the most relevant approach to build efficient devices with a ZTGN or MTN contact layer.engUniversidade Federal de ItajubáPrograma de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia ElétricaUNIFEIBrasilIESTI - Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da InformaçãoCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELÉTRICA::SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIAZnSnN2ZnGeN2MgSnN2Contato seletivoHeterojunção de silícioNitretosCélulas solaresEstrutura de bandaMeta-heurísticasExtração de parâmetrosEvolução diferencialNitride semiconductors as carrier-selective contacts for silicon heterojunction solar cellsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisBORTONI, Edson da Costahttp://lattes.cnpq.br/0936619055402651RUBINGER, Rero Marqueshttp://lattes.cnpq.br/1123598835707364http://lattes.cnpq.br/1045376122168899FÉBBA, Davi Marceloinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UNIFEI (RIUNIFEI)instname:Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI)instacron:UNIFEILICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/bitstream/123456789/2770/2/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD52ORIGINALTese_2021055.pdfTese_2021055.pdfapplication/pdf5003028https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/bitstream/123456789/2770/1/Tese_2021055.pdf6a0400749a730dc35bcb807b8f307ddcMD51123456789/27702021-12-16 08:09:05.691oai:repositorio.unifei.edu.br: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Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.unifei.edu.br/oai/requestrepositorio@unifei.edu.br || geraldocarlos@unifei.edu.bropendoar:70442021-12-16T11:09:05Repositório Institucional da UNIFEI (RIUNIFEI) - Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI)false |
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