عنوان پایان‌نامه
سنتز و بررسی ماتریس نانو دانه های سیلیکان و شبیه سازی سلول فوتوولتائیک تمام سیلیکانی مبتنی بر آن
- رشته تحصیلی
- نانوفناوری-مهندسی الکترونیک
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 3010;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 76685;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 3010;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 76685
- تاریخ دفاع
- ۲۰ تیر ۱۳۹۵
- دانشجو
- ساناز ناظمی
- استاد راهنما
- ابراهیم اصل سلیمانی, مهدی پور فتح
- چکیده
- امروزه سیلیکان بدلیل غیر سمی بودن، فراوانی، قیمت مناسب، بکارگیری آن در صنایع الکترونیک نیمه هادی از اهمیت ویژه ای برخوردار است و همچنین نانو ذرات سیلیکان را می توان در جهت بهبود عملکرد نوری ادوات سیلیکانی مورد استفاده قرار داد. این امر از طریق بکار گیری اثرات محدود سازی کوانتومی و نیز گذار های شبه مستقیم در نانو ساختار ها امکانپذیر می شود. در این رساله با استفاده از نظریه تابعی چگالی، رفتار نوری و الکتریکی نانو ذرات سیلیکان و عوامل مؤثر در آن را بررسی می کنیم. با توجه به بالا بودن نسبت سطح به حجم در نانو ساختارها، در مقیاس نانو متر اثرات سطح مهم شده و با اثر محدود سازی کوانتومی تداخل پیدا می کنند. در این رساله ابتدا اثر هندسه سطح تک نانو ذره سیلیکان هیدروژنه شده به ابعاد nm 2/1 بررسی می شود. سپس اثر موقعیت مکانی و نیز چیدمان نسبی اتم های اکسیژن خنثی ساز سطح بر رفتار نوری و الکتریکی و توزیع فضایی اوربیتال های مرزی آن مطالعه می¬شود. آنگاه نشان خواهیم داد که هندسه سطح نانو ذره نیز همانند خواص شیمیایی در تعیین رفتار آن تأثیر قابل توجهی دارد. در ادامه، نانو ذرات سیلیکان با پوسته اکسید سیلیکان بدلیل اهمیت و کاربردهای متعدد آنها در صنایع الکترونیک و البته سیلیکان مطالعه می شوند. با توجه به پیچیدگی ناحیه مرزی سیلیکان و اکسید سیلیکان و نیز تعدد اتم های سازنده، این دسته از نانو ساختار ها عمدتاً مورد مطالعات تجربی قرار گرفته اند. در این رساله، رفتار نوری، گاف انرژی حالت پایه، چگالی حالت های جزئی و موضعی، تغییرات ساختاری و نیز وضعیت توزیع زیراکسید های سیلیکان برای نانو ساختارهایی با هسته سیلیکانی به شعاع nm 1/1و پوسته اکسید سیلیکان با ضخامت متغیر 75/4-5/2 بطور جامع بررسی می شود. بر این اساس، عامل اصلی تغییرات رفتار نانو ذره، تنش وارد از طرف پوسته به هسته معرفی می شود. این تنش از طریق ایجاد تغییر در تعداد و توزیع زیر اکسید های سیلیکان سبب تغییر در رفتار نوری و الکتریکی نانو ذره می شود. در پایان بدلیل اینکه از میان روش های ممکن برای بهره گیری از اثرات کوانتومی در کاربردهای فوتوولتائیک، بالاترین راندمان تجربی ثبت شده مربوط به ساختار های پشته ای می باشد، و نیز مزایای سیلیکان نسبت به مواد متداول عمدتاً سمی و گرانقیمت آنها، با توجه به اینکه این ساختارها متشکل از آرایه های نانو ذرات سیلیکان رشد یافته در یک بستر دی الکتریک می باشند، در ادامه به بررسی بستر مناسب برای رشد آرایه نانو ذرات سیلیکان پرداخته ایم. برای این منظور ساختار باند و احتمال تونلزنی حامل های نوری را برای محتمل ترین مونه های (در طول فرآیند ساخت) بسترهای متداول شامل اکسید، نیترید و کربید سیلیکان را محاسبه و مقایسه کرده ایم. سپس با توجه به اثر اتم های بستر بر رفتار یکایک نانو ذرات نهفته، بطور مبسوط به این زمینه پرداخته ایم. بر اساس نتایج حاصله، بستر مبتنی بر کربن، در مقایسه با بستر های اکسید و نیترید، علاوه بر فراهم آوردن امکان تونلزنی بهتر، اثر حداقلی را بر رفتار نوری و الکتریکی نانو ذرات سیلیکان دارد. در پایان ساختار جدیدی برای نانو ذرات سیلیکان در بستر سیلیکا پیشنهاد شده و مطالعه شده و عملکرد آن با رفتار سلول خورشیدی مبتنی بر سیلیکای توده ای و نیز نانو ورق مشتمل بر نانو ذرات سیلیکان مقایسه می شود. بر اساس نتایج بدست آمده ساختار پیشنهادی دارای قابلیت بهبود راندمان سلول خورشیدی بوده و با مطالعات گسترده تر می تواند بمنظور کاربردهای عملی مورد بررسی قرار گیرد. واژه‌های کلیدی: نانو ذرات سیلیکان، نظریه تابعی چگالی، محدود سازی کوانتومی، خنثی ساز سطح، فوتوولتائیک
- Abstract
- Silicon nano-crystals (NCs) are potential candidates for enhancing and tuning optical properties of silicon for optoelectronic and photo-voltaic applications. Due to the high surface-to-volume ratio, however, optical properties of NC result from the interplay of quantum con?nement and surface effects. In this work, we show that both the spatial position of surface terminants and their relative positions have strong effects on NC properties as well. This is accomplished by investigating the ground-state HOMO-LUMO band-gap, the photo-absorption spectra, and the localization and overlap of HOMO and LUMO orbital densities for prototype ~ nm hydrogenated silicon NC with bridged oxygen atoms as surface terminations. It is demonstrated that the surface passivation geometry signi?cantly alters the localization center and thus the overlap of frontier molecular orbitals, which correspondingly modi?es the electronic and optical properties of NC. Quantum con?nement can generally be employed for size-dependent band-gap tuning in dimensions smaller than the Bohr radius (~ nm for silicon). In nano-meter scale, however, increased surface-to-volume ratio makes the surface effects dominant. Speci?cally, in Si-SiO2 core-shell semiconductor NCs the interfacial transition layer causes peculiar electronic and optical properties, because of co-existence of intermediate oxidation states of silicon (Sin+, ). Due to the presence of many involving factors, acomprehensive understanding of the optical properties of these NCs has not been reported. In this work, Si-SiO2 NCs with a diameter of nm which are covered by amorphous oxide shells with thicknesses between ? and ? are comprehensively studied, Employing the density functional theory calculations. It is shown that with increased oxide shell thickness, the low-energy part of the optical transition spectrum of the NC is red shifted and attenuated. Moreover, the absorption coef?cient is increased in the high-energy part of the spectrum which corresponds to transitions. Structural examinations indicate a larger compressive stress on the central silicon cluster with a thicker oxide shell. Examination of the local density of states reveals the migration of frontier molecular orbitals from the oxide shell into the silicon core with the increase of silica shell thickness. The optical and electrical properties are explained through the analysis of the density of states and the spatial distribution of silicon sub-oxide species. Structural examinations indicated that larger compressive stress is exerted to the central silicon cluster with thicker oxide shell. Examination of the local density of states revealed the migration of frontier molecular orbitals from the oxide shell into the silicon core with increased silica shell thickness. The mechanism of optical and electrical processes was explained through the analysis of the density of states and the spatial distribution of silicon sub-oxide species. Silicon nano-dots (ND) can have promising applications in third generation photovoltaics, through enhanced spectral collection efficiency. This is accomplished through embedding silicon NDs in a dielectric host material which is usually SiO2, Si3N4 or SiC. The size control can be achieved through controlling the thickness of the host layer. However, the host material as a tunneling barrier for the generated photo-carriers, can also affect the properties of the embedded NDs. Thus a dielectric material with small band-gap and minimal effect on the properties of the embedded ND will be favorable. In this work using DFT-LDA calculations the band-sructure of the most probable poly-morphs of the silica, silicon nitride and silicon carbide materials is calculated. All of the considered poly-morphs of SiC had smaller band-gaps compared to all poly-morphs of the two considered other dielectric hosts. It results in improved photo-carrier transportation in SiC host. In addition, effect of oxygen (bridged and double-bonded), , and surface passivant groups is compared for stand-alone hydrogenated silicon NDs. The carbon-based groups had minimal effect on the properties of silicon NDs. Moreover, in contrary to the band-gap reductive effect of oxygen and nitrogen-based passivants, the carbon-based surface passivants could result in a slight increament in the band-gap. Thus, with higher tunneling probability and with having minimal effect on the properties of the embedded ND’s band-gap, the carbon-based dielectric can be the favored host compared to nitrogen and oxygen based hosts for embedding silicon NDs. Finally since the uniform size distribution is necessary, due to design constrains related to current collection, in all-silicon multi-wavelength solar cells, it is proposed to embede silicon NCs in a silica nano-wire to improve the size control on silicon NCs. A simple model is used to basically compare the performance of a pin solar cell based on the material properties of bulk silicon and a silica slab (and nano-wire) with embedded silicon NCs. The material parameters for the slab and the nano-wire are extracted from DFT calculations and exported to PC D code. The proposed structure can be a potential candidate for further study for improved photovoltaic efficiency. Keywords: Silicon Nano-crystal, Surface Passivation, Photo-absorption, Density Functional Theory (DFT), Time Dependent Density Functional Perturbation Theory (TDDFPT), Photovoltaics.
