Search

Solární články na bázi černého křemíku (b-Si) se ukázaly ve fotovoltaice (PV) jako nadějné a přesahující 22% účinnost. Pro dosažení vysoké účinnosti u povrchů b-Si je nejdůležitějším krokem efektivní pasivace povrchu. Dosud je nejúčinnější doba životnosti minoritních nosičů dosahována depozicí několik atomů tenké vrstvy Al2O3 nebo tepelného SiO2. Plazmou podpořená chemická depozice z par (PECVD) vrstvy hydrogenizovaného amorfního křemíku (a-Si: H) jako pasivace b-Si je jen zřídka hlášena kvůli problémům s konformitou. V této současné studii jsou b-Si povrchy superponované na standardní pyramidální textury, také známé jako modulované povrchové textury (MST), úspěšně pasivovány konformními vrstvami a-Si:H nanesenými PECVD. Je ukázáno, že za správných podmínek plazmou podpořené depozice mohou efektivní doby životnosti minoritních nosičů vzorků vybavených přední MST a zadní standardní pyramidální strukturou dosáhnout až 2,3 ms. Cesta ke konformnímu růstu je popsána a vyvinuta za pomoci transmisních elektronových mikroskopických (TEM) obrazů. Pasivované vzorky MST vykazují méně než 4% odraz v širokém spektrálním rozsahu od 430 do 1020 nm. Solar cells based on black silicon (b-Si) are proven to be promising in photovoltaics (PVs) by exceeding 22%efficiency. To reach high efficiencies with b-Si surfaces, the most crucial step is the effective surface passivation. Up to now, the highest effective minority carrier lifetimes are achieved with atomic layer-deposited Al2O3 or thermal SiO2. Plasmaenhanced chemical vapor deposition (PECVD)-grown hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) passivation of b-Si is seldom reported due to conformality problems. In this current study, b-Si surfaces superposed on standard pyramidal textures, also known as modulated surface textures (MSTs), are successfully passivated by PECVD-grown conformal layers of a-Si:H. It is shown that under proper plasma-processing conditions, the effective minority carrier lifetimes of samples endowed with front MST and rear standard pyramidal textures can reach up to 2.3 ms. A route to the conformal growth is described and developed by transmission electron microscopic (TEM) images. Passivated MST samples exhibit less than 4% reflection in a wide spectral range from 430 to 1020 nm.

Náplní této práce je studium struktutry niklem dopovaného SrTiO3 pomocí rentgenové difrakce. Všechny vzorky byly připravené pomocí magnetronového naprašování na Si a SiO2 subrstrát. Hlavním cílem práce bylo monitorování krystalizace deponovaných vrstev SrTiO3 dopovaných niklem. RTG měření bylo provedeno na vzorcích v původnímdeponovaném stavu a ve stavu po vyžíhání ve vakuu při teplotě 900 °C. Rentgenová analýza byla provedena pomocí obou geometrií (symetrické i asymetrické). Tato měření poskytla informace o vlivu niklu na finální strukturu, velikost krystalitů, mikronapětí a deformaci mřížky. Zejména je demonstrován vliv niklu na krystalizaci SrTiO3 v porovnání s nedopovaným SrTiO3. The aim of this work is to study the structure of Ni-doped SrTiO3 thin films by X-ray diffraction (XRD). All samples were prepared by magnetron sputtering on Si and SiO2 substrates. The main objective of this work is to monitor the crystallization of the deposited thin layer of Ni-doped SrTiO3. The X-ray diffraction measurements were done on the films as deposited and after annealing in vacuum up to 900°C. The x-ray analysis was used with both geometries (symmetric and asymmetric). Those measurements allow us to get information about the influence of Ni on the final structure, the size of crystallites, the micro-strains and the deformation of the lattice. In particular, here we demonstrate that Ni doping lead to the unique stabilisation of crystall growth of SrTiO3 as compared to the undoped SrTiO3.

Dvou-dimenzionální elektronový plyn (2DEG) na povrchu a rozhraní oxidů poutal velkou pozornost ve fyzice a výzkumu pro jeho unikátní elektronické vlastnosti a možné aplikace v optoelektronice a nano-elektronice. Původ 2DEG na rozhraní oxidů byl ohodnocen jako velmi známý mechanizmus „polární katastrofy“. Na druhé straně, byl 2DEG nedávno pozorován na čistém povrchu SrTiO3 v důsledku tvorby kyslíkových vakancí. Nicméně, tyto 2DEG systémy byly doposud zjištěny většinou na atomárně dokonalých krystalických vzorkách obvykle deponovaných impulsní laserovou depozicí anebo epitaxií z molekulárních svazků, tj. na vzorkách, které je těžké připravit a vyžadují specifické experimentální podmínky. Zde informujeme o výrobě tenkých vrstev SrTiO3 deponovaných magnetronovým naprašováním, která je vhodná pro masovou produkci vzorků pro nano-technologické aplikace. Charakterizace jejich strukturních a elektronických vlastností byla zkoumána a porovnaná s monokrystalickými SrTiO3. Rtg difraktogramy a SEM snímky ukázaly, že deponované vrstvy jsou amorfní a do polykrystalické fáze se přetransformují až po tepelném zpracování na teplotě 900°C. Foto-emisní spektroskopie (XPS a UPS) byly použity ke studiu elektronických vlastností vrstev a krystalu. V obou případech jsme pozorovali 2DEG systém na Fermiho hladině a formování Ti3+ stavu když byl povrch ohřátý na teplotu 900°C. Two-dimensional electron gas (2DEG) at an oxides interfaces and surfaces has attracted large attention in physics and research due to its unique electronic properties and possible application in optoelectronic and nano-electronic. The origin of 2DEG at oxide interfaces has been awarded to well known “polar catastrophe” mechanism. On the other hand, recently 2DEG has been also found on clean SrTiO3 (001) surface due to the creation of oxygen vacancies. However, these 2DEG systems have been until now found mostly on an atomically perfect crystalline samples usually grown by pulse laser deposition or molecular beam epitaxy e.g. samples which are difficult to be prepared and require specific experimental conditions. Here, we report on the fabrication of SrTiO3 thin films deposited by magnetron sputtering which is suitable for mass-production of samples adapted for nano-electronic applications. The characterization of their structural and electronic properties were studied and compared to those of SrTiO3 single crystal. XRD patterns and SEM micrography showed that the deposited films are amorphous and their structure changed to polycrystalline after heating at 900_C. Photoemission spectroscopy (XPS and UPS) were used to study the electronic properties of the films and crystal. In both, we observed the 2DEG system at Fermi level and the formation of Ti3+ state when the surface was heated at 900_C.

Tvorba křemíkových nanostruktur zabudovaných do vrstev nitridu křemíku může být velmi zajímavá pro mikro- a optoelektronická zařízení, jako jsou energeticky nezávislé paměti a solární články. V této práci jsme připravili amorfní multivrstvy s více vrstvami a-Si: H / a-SiNx: H s různou tloušťkou na křemíkové a křemenné substráty metodou PECVD při 250 °C a použitím dusíku a silanu jako reaktivních prekurzorů. Následně bylo provedeno žíhání těchto struktur, které se skládaly ze střídajících se vrstev a-Si: H a a-SiNx: H, až do 1100 ° C ve vakuu za vzniku křemíkových nanostruktur. Byly zkoumány závislosti fotoluminiscence, strukturní a chemické vazebné charakteristiky nanostruktur na tloušťce křemíkové subvrstvy a teploty žíhání po depozici. Tvorba křemíkových nanokrystalů byla potvrzena elektronovou mikroskopií a rentgenovou difrakcí. Vývoj křemíkových nanoklastrů během vysokoteplotního žíhání byl také zkoumán Ramanovou rozptylovou spektroskopií. Změna konfigurace vazby během žíhání byla provedena Fourierovou transformační infračervenou spektroskopií. Optické vlastnosti byly studovány UV-VIS a fotoluminiscenční spektroskopií. Výsledky jasně ukazují, že strukturní a optické vlastnosti těchto systémů mohou být řízeny parametry depozice a žíhání. Formation of silicon nanostructures embedded in silicon nitride layers can be of great interest for micro and optoelectronic devices such as non-volatile memories and solar cells. In this work, we synthesized amorphous multilayered a-Si:H/a-SiNx:H superlattice structures with different thickness of sublayers grown on silicon and quartz substrates by the plasma enhanced chemical vapor deposition method at 250°C using nitrogen and silane gases as the reactive precursors. Subsequently, the post-deposition annealing of these structures, composed of alternating layers of a-Si:H and a-SiNx:H, was carried out up to 1100° in vacuum to form Si-nanostructures. The dependences of the photoluminescence, structural and chemical bonding characteristics of superlattice nanostructures on the silicon sublayer thickness and post-deposition annealing temperature were investigated. The formation of silicon nanocrystals was confirmed by the transmission electron microscopy and X-ray diffraction measurements. Evolution of Si nanoclusters during high temperature treatment was examined by Raman scattering spectroscopy. Changing of bonding configuration during the annealing was carried out by Fourier transform infrared spectroscopy. The optical properties were studied by UV-VIS and photoluminescence spectroscopy. Results clearly show that structural and optical characteristics of these systems can be controlled by deposition parameters and annealing.

Zpracování materiálů výraznou plastickou deformací (SPD – severe plastic deformation) poskytuje velký potenciál možností spojený s dosažením jejich vlastností zušlechtěním počáteční zrnité struktury. Současné experimenty obsahují mechanické práce na titanu komerční čistoty (Ti Grade2) pomocí „CONFORM SPD“ techniky, která je jednou z SPD metod a rotačního pěchování. Cílem bylo zpracovat materiál při co možná nejnižší teplotě aby nedošlo ke změkčení procesu a tedy, aby bylo dosaženo jeho posílení skrz mikrostrukturní zušlechtění. Po třech procesech v CONFORM SPD zařízení byla dosažena konečná pevnost na úrovní 673 MPa. Průměrná velikost krystalitů byla 330 nm. K největšímu zlepšení mechanických vlastností materiálů bylo dosaženo po prvém procesu. Po dalších procesech byl příspěvek zlepšení vlastností minimální. Zpracování materiálu v CONFORM SPD zařízení nezeslabilo jeho kujnost. Následně byly dráty rotačně pěchované v zápustkách. Konečná pevnost materiálu byla 1070 MPa. Odezva vlastností materiálu na tuto formovací metodu byla výrazně různá. Důvodem je to, že rotační pěchování v zápustkách nepatří mezi SPD technologie. To způsobuje rychlé ztvrdnutí materiálu a snižuje se jeho kujnost. Vzorek byl následně vyšetřován pomocí několika experimentálních technik. Světelná a transmisní elektronová mikroskopie jakož i rentgenová difrakce byly použity na zjištění velikosti zrna, jeho distribuci a orientaci. SPD (severe plastic deformation) processing of materials provides a great potential associated with the enhancement of their properties by refining the initial grain structure. The present experiments involved mechanical working of commercial-purity titanium (Ti Grade 2) with the CONFORM SPD technique, which is one of the SPD methods, and with rotary swaging. The objective was to process the material at as low temperatures as possible in order to avoid softening processes and, therefore, to achieve the maximum strengthening through a microstructure refinement. Three passes through a CONFORM SPD machine were completed and the resulting ultimate strength was 673 MPa. The average grain size was 330 nm. The greatest improvement of the mechanical properties was achieved in the first pass. In the subsequent passes, the contributions were minor. The processing in the CONFORM SPD machine did not impair the ductility of the material. Subsequently, the wires were rotary swaged. The ultimate strength achieved was 1070 MPa. The response of the properties to this forming method was markedly different. The reason is that rotary swaging does not belong to SPD techniques. It causes rapid work hardening and reduces the ductility of the material. The work-piece was subsequently investigated with the aid of several techniques. Light and transmission electron microscopy and X-ray diffraction were employed for evaluating the grain size, distribution and orientation.

Tento článek analyzuje absorpční spektra UVVis tenkých vrstev alkalicko-zemitých titanátů (BaTiO3, SrTiO3 a BaSrTiO3) nanesených RF magnetronovým naprašováním na SiO2 substráty při různých teplotách substrátu. Na určení optického zakázaného pásma pro přímé i nepřímé mezipásmové přechody byla použita Taucova procedura. Tato procedura byla doplněna derivační spektroskopií výhodnou zejména pro vícesložkové systémy. Derivace vyšších řádů byly použity na zjištění tzv. kritických bodů souvisejících s mezipásmovými optickými přechody v různých oblastech Brillouinovy zóny. Tři kritické body byly zjištěny v tenkých vrstvách BST spekter dielektrické funkce. Hodnoty optického zakázaného pásma a energie v kritických bodech klesaly s teplotou substrátu při depozici. This paper analyzes UV Vis absorption spectra of thin films of alkaline-earth titanates (BaTiO3, SrTiO3 and BaSrTiO3) deposited by RF magnetron sputtering on SiO2 at different substrate temperatures. The Tauc procedure was used to determine optical band gaps for direct and indirect inter-band transitions. This procedure was accompanied by derivative spectroscopy useful in case of multi-component systems. Higher-order derivatives were used to find the so-called critical points related to the optical inter-band transitions at various regions in the Brillouin zone. Three critical points were identified in BST thin films spectra of dielectric function. All optical band gaps and energies of critical points were found to decrease with the substrate temperature at the deposition.

Baryum titanát (BaTiO3, BTO) je materiál perovskitového typu pozoruhodných dielektrických, feroelektrických a feromagnetických vlastností. Naše předcházející studie optických vlastností tenkých vrstev BTO ukázaly jeho vysokou propustnost ve viditelné oblasti spektra a ostrou absorpční hranu na vlnové délce přibližně 300 nanometrů. Z toho důvodu použití BTO jako UV blokátor anebo antireflexní (AR) pokrytí ve viditelné oblasti spektra je evidentní. Antireflexní pokrytí jsou důležité součásti mnoha fotonických prvků, kromě jiného také solárních článků. V této publikaci mono-vrstvy amorfního BTO jsou numericky a experimentálně zkoumány jako vhodná AR pokrytí pro dosažení zvýšeného záchytu světla ve křemíkových solárních článcích. Je demonstrován snížený odraz světla dosažený použitím BTO, který byl připraven magnetronovým naprašováním na a-Si:H/SiO2 substráty v porovnání s dokonale čistým systémem a-Si:H/SiO2. Antireflexní efekty jsou analyzovány použitím jednoduchých AR systémů sestávajících z BTO. Barium titanate (BaTiO3, BTO) is a perovskite class material of remarkable dielectric, ferroelectric and ferromagnetic properties. Our previous studies on optical properties of BTO thin films proved high visible transmittance and sharp absorption edge at ~ 300 nm. Therefore the usage of BTO as a UV blocker or an antireflection (AR) coating in visible region is straightforward. AR coatings are agreed to be important parts of many photonic devices, among them also of solar cells. In this paper, single layers of amorphous BTO are numerically and experimentally investigated as promising AR coatings for achieving increased light trapping in thin film silicon solar cells. Reduced reflections achieved by BTO thin films deposited using RF magnetron sputtering on a-Si:H/SiO2 compared with pristine aSi:H/SiO2 system are clearly demonstrated. Antireflection effects are analyzed using simple AR systems comprising BTO.

Silicid barnatý (BaSi2) je považován za slibný absorpční materiál pro vysoko účinné tenkovrstvé solární články. Nicméně, čelí otázce související se syntézou materiálu a řízením kvality. V této práci vytváříme tenké vrstvy BaSi2 pomocí industriálně aplikovatelného procesu naprašování a odhalujeme mechanizmus strukturní transformace. Polykrystalické tenké vrstvy BaSi2 jsou získány pomocí technologie naprašování a následně tepelným zpracováním. Krystalická kvalita a fázové složení naprášených BaSi2 vrstev je posouzena Ramanovou spektroskopií a rentgenovou difrakcí (XRD). Vyšší teplota post-depozičního žíhání může podporovat krystalizaci BaSi2, avšak rovněž způsobuje intenzivní povrchovou oxidaci a difúzi na BaSi2/SiO2 rozhraní. Důsledkem toho je nehomogenní struktura vrstvy BaSi2 zjištěna Augerovou elektronovou spektroskopií (AES) a transmisní elektronovou mikroskopií (TEM). Tlustá oxidová vrstva v takto nehomogenní struktuře omezuje další, zejména optické a elektrické charakterizace naprášených BaSi2 vrstev. Proces transformace struktury naprášených BaSi2 vrstev je posléze zkoumán metodou měření hloubkového profilu Ramanové spektroskopie, přičemž všechna výše zmíněná pozorování vedou k mechanizmu oxidačně indukované transformaci mikrostruktury. To rovněž vysvětluje jev fázového rozhraní včetně povrchové oxidace a vzájemnou difúzi na rozhraní BaSi2/SiO2, což vede k nehomogenní a vrstevnaté struktuře naprášeného BaSi2. Tento mechanismus se může rovněž použít i na epitaxiální a napařované BaSi2 vrstvy. Kromě toho je prezentován i letmý pohled na další vývoj těchto materiálů a na úroveň součástek. Takové základní vědomosti o transformaci struktury a komplexní aktivity na rozhraní jsou významné pro další řízení kvality fázového rozhraní BaSi2 vrstev pro vysoko účinné solární články. Barium di-silicide (BaSi2) has been regarded as a promising absorber material for high-efficiency thin-film solar cells. However, it has confronted issues related to material synthesis and quality control. Here, we fabricate BaSi2 thin films via an industrially applicable sputtering process and uncovered the mechanism of structure transformation. Polycrystalline BaSi2 thin films are obtained through the sputtering process followed by a post-annealing treatment. The crystalline quality and phase composition of sputtered BaSi2 are characterized by Raman spectroscopy and X-ray diffraction (XRD). A higher annealing temperature can promote crystallization of BaSi2, but also causes an intensive surface oxidation and BaSi2/SiO2 interfacial diffusion. As a consequence, an inhomogeneous and layered structure of BaSi2 is revealed by Auger electron spectroscopy (AES) and transmission electron microscopy (TEM). The thick oxide layer in such an inhomogeneous structure hinders further both optical and electrical characterizations of sputtered BaSi2. The structural transformation process of sputtered BaSi2 films then is studied by the Raman depth-profiling method, and all of the above observations come to an oxidation-induced structure transformation mechanism. It interprets interfacial phenomena including surface oxidation and BaSi2/SiO2 inter-diffusion, which lead to the inhomogeneous and layered structure of sputtered BaSi2. The mechanism can also be extended to epitaxial and evaporated BaSi2 films. In addition, a glimpse toward future developments in both material and device levels is presented. Such fundamental knowledge on structural transformations and complex interfacial activities is significant for further quality control and interface engineering on BaSi2 films toward high-efficiency solar cells.

Hliníkem dopované tenké vrstvy ZnO s křemeni-podobnou strukturou byly úspěšně deponovány na skelné substráty postupnou iontově adsorpční reaktivní metodou. Byl zkoumán vliv procentního složení hliníkových dopantů na nanostrukturu „květinám-podobných“ klastrů ZnO, morfologii a jejich optické vlastnosti. Tenké vrstvy ZnO, které krystalizují v hexagonální wurtzitové struktuře o velikosti krystalitů 44, 51, 56 a 43 nm pro intrinsickou vrstvu a vrstvy s 1, 3 a 5-ti procentním dotováním hliníkem. Přednostní orientace krystalitů je ve všech případech ve směru [001] kolmém na podložku. Ramanova spektroskopie odhalila pokles intenzity charakteristické spektrální čáry ZnO v důsledku substituce iontů Zn2+ atomy Al3+ a předpokládané potenciálové fluktuace slitinové neuspořádanosti. Zavedením Al3+ dopantů se významně zvýšila optická šířka zakázaného pásma ZnO. Aluminum-doped ZnO thin films with pebble-like structures have been successfully deposited on glass substrates by successive ionic layer adsorption reaction method. The effect of percentage composition of the aluminum dopants on the flower-like clusters of the ZnO nanostructures on the structure, morphology, and optical properties was investigated. The ZnO thin films which were crystallized in hexagonal wurtzite structures with crystallite sizes of 44, 51, 56, and 43 nm for the intrinsic and 1, 3, and 5% Al-doped ZnO thin films, respectively. Preferred orientation of crystallites is in all cases in [001] direction perpendicular to the sample surface. The Raman spectroscopy revealed decrease in the intensity of the ZnO characteristic peak due to the substitution of the Zn2+ atoms by the Al3+ and attributed to potential fluctuations of the alloy disorder. The introduction of the Al3+ dopants significantly increased the optical band gap.

Tento článek uvádí výsledky výzkumu z optické transmitanční spektrofotometrie spolu s daty ze strukturní rentgenové difrakce za účelem určení optických vlastností série vzorků tenkých vrstev perovskitu ZnTiO3 deponovaných na skle reaktivním magnetronovým naprašováním. Jednotlivé vzorky ze série se navzájem liší množstvím titanu, což posloužilo jako zdroj změn ne jenom struktury, nýbrž i změn disperzních optických vlastností. Nízká porosita materiálu byla zjištěna použitím Bruggemanovy aproximací efektivního média. Se stoupajícím množstvím titanu ve vrstvách byl pozorován zjevný „modrý“ posun optické šířky zakázaného pásma. Pozorované změny zakázaného pásma energií je dobrý potenciál pro optoelektronické a foto-katalytické aplikace ZnTiO3. In this paper we report results from optical transmittance spectroscopy complemented with data on structure from XRD measurements to determine optical properties of a series of ZnTiO3 perovskite thin films deposited on glass by reactive magnetron co-sputtering. The members of the series differ by the titanium content that was revealed as an origin of the changes not only in structure but also in dispersive optical properties. Low porosity has been discovered and calculated using the Bruggeman effective medium approximation. An apparent blue-shift of the optical band gap energies with increasing titanium content was observed. The observed band gap engineering is a good prospective for eg optoelectronic and photocatalytic applications of ZnTiO3.