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用于全-Si 太阳能电池的 Si 量子点网络的精确结构控制的三维成像。

Three-dimensional imaging for precise structural control of Si quantum dot networks for all-Si solar cells.

机构信息

School of Applied and Engineering Physics, Cornell University, Ithaca, USA.

出版信息

Nanoscale. 2013 Aug 21;5(16):7499-504. doi: 10.1039/c3nr01998e.

Abstract

All-Si tandem solar cells based on Si quantum dots (QDs) are a promising approach to future high-performance, thin film solar cells using abundant, stable and non-toxic materials. An important prerequisite to achieve a high conversion efficiency in such cells is the ability to control the geometry of the Si QD network. This includes the ability to control both, the size and arrangement of Si QDs embedded in a higher bandgap matrix. Using plasmon tomography we show the size, shape and density of Si QDs, that form in Si rich oxide (SRO)/SiO2 multilayers upon annealing, can be controlled by varying the SRO stoichiometry. Smaller, more spherical QDs of higher densities are obtained at lower Si concentrations. In richer SRO layers ellipsoidal QDs tend to form. Using electronic structure calculations within the effective mass approximation we show that ellipsoidal QDs give rise to reduced inter-QD coupling in the layer. Efficient carrier transport via mini-bands is in this case more likely across the multilayers provided the SiO2 spacer layer is thin enough to allow coupling in the vertical direction.

摘要

基于硅量子点 (QD) 的全-Si 串联太阳能电池是一种很有前途的方法,可以使用丰富、稳定和无毒的材料来制造未来的高性能薄膜太阳能电池。在这种电池中实现高效率转换的一个重要前提是能够控制 Si QD 网络的几何形状。这包括控制嵌入在更高带隙基质中的 Si QD 的尺寸和排列的能力。通过使用等离子体层析成像,我们表明,在富硅氧化物 (SRO)/SiO2 多层膜中形成的 Si QD 的尺寸、形状和密度可以通过改变 SRO 化学计量来控制。在较低的 Si 浓度下,可以获得更小、更球形和更高密度的 QD。在更富的 SRO 层中,倾向于形成椭圆形 QD。使用有效质量近似的电子结构计算,我们表明,在层中,椭圆形 QD 导致的量子点间耦合减小。在这种情况下,通过 mini-bands 进行有效的载流子输运更有可能跨越多层,前提是 SiO2 间隔层足够薄,以允许垂直方向的耦合。

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