微观尺度下纳米硅量子点材料的掺杂和载流子输运性质研究

Si nanocrystals (NCs) are promising to construct high-efficiency all-silicon tandem solar cells due to the quantum confinement effect and the causing novel energy band structure. In order to further enhance the device performance, it is necessary to dope the Si NCs. However, previous studies have shown that the doping effect of Si NCs is very different from the bulk counterpart, and the doping efficiency and doping position of impurity atoms in Si NCs are still under debate. The present project is trying to study the doping effect and carrier transportation properties of Si NCs at the microscopic scale based on scanning probe microscopy techniques. First, a microscopic analysis model describing the doping effect is going to be established using Green’s function theorem. Secondly, P and B doped Si NCs will be fabricated by excimer laser crystallization technique, and then the doping effect is to be studied by scanning probe microscopy. Afterwards, carrier transport property is to be characterized and improved. Finally, prototype photovoltaic devices based on Si NCs will be constructed to study the solar response. This project is expected to reveal the doping behaviors of P and B atoms at the nanoscale, to manipulate the carrier transportation by properly doping, and to provide scientific basis for the photovoltaic application of Si based low dimensional materials.

由于量子限制效应，纳米硅量子点具有新颖的能带结构，有望构建全硅叠层太阳电池，实现高效率的光伏器件。为了进一步提高器件性能，有必要对纳米硅材料进行掺杂，但已有研究表明其掺杂效应与体硅材料相比有显著差别，且国内外研究小组对其掺杂效率和掺杂位置等问题仍存在较多争论。针对这一问题，本项目拟基于扫描探针显微技术，在微观尺度下研究和阐明纳米硅量子点材料的掺杂效应和载流子输运机制：首先，根据格林函数理论建立研究硅基低维结构掺杂效应的显微分析模型；其次，采用准分子激光晶化手段制备磷、硼原子掺杂的纳米硅材料，利用扫描探针显微技术和建立的定量模型研究其掺杂效应，进而分析和改善载流子的输运性能；最后，构建相应原型光伏器件，探索掺杂纳米硅材料对太阳光谱响应的改善作用。项目预期在微观尺度揭示不同杂质原子的掺杂行为，并通过掺杂实现对载流子输运性质的调控，为硅基低维材料的光伏应用提供科学基础。

纳米硅量子点材料在硅基光电器件、非易失性存储器和光伏器件中有潜在的应用前景，但常规的研究手段只能给出量子点材料宏观的统计平均性质，而无法在微观尺度下表征其性质。本项目通过求解静电场边值问题，结合半导体理论和数值计算方法，构建了扫描探针显微图像与半导体掺杂浓度等测试条件的理论模型；在此基础上，在实验上探测了磷和硼掺杂纳米硅量子点材料的扫描探针显微图像，并利用构建的理论模型在微观尺度下定量分析了杂质原子的有效掺杂情况。本项目通过理论研究发现，扫描探针显微图像满足信号叠加原理，其信号包括了探针贡献和样品贡献，其中探针信号为探针表面电势的加权平均值、样品信号为样品表面电势与成像系统点扩散函数的卷积。当半导体样品具有均一的表面势时，探针和样品系统可被视作一种特殊的金属-绝缘体-半导体电容结构，探针作用力与外电压之间具有非线性关系，这将导致开尔文信号偏离探针与半导体样品的接触电势差，与金属样品情形有很大不同。研究发现，为减小非线性效应的影响，探测时需尽可能使用较小的交流偏压和较大的探针抬起高度，同时保持一定的探测灵敏度。在此基础上，本项目在实验上利用激光退火制备了磷和硼掺杂的纳米硅量子点材料，利用扫描探针显微技术探测了量子点的开尔文电势图像，并根据建立的理论模型进行了维纳滤波处理。实验结果表明，磷原子难以实现有效掺杂、而硼原子能够实现1E17~1E18 cm-3量级的有效掺杂，但掺杂效率仅为1%左右。因此，杂质原子较低的掺杂效率是制约纳米硅量子点材料进一步应用的障碍，仍有待进一步的深入研究。此外，针对量子点材料潜在的光伏应用前景，本项目提出了一种基于可分离非线性最小二乘法提取光伏器件等效电路模型参数的方法，并开发共享了相应的软件程序，能够应用于各种光伏器件或光伏组件的等效电路参数提取。