[논문 리뷰] Application of photoreflectance to advanced multilayer structures for photovoltaics

David Fuertes Marrón, Enrique Cánovas외 12명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 04.

Semiconductor Quantum Structures and Devices참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 광반사율(spectroscopy)이 양자점, 양자우물, 고도로 불일치하는 합금, 그리고 삼갈륨비멀티재결합 장치를 포함한 고도로 복합적인 다층 태양전지 구조를 비파괴적이고 접촉이 없는 방식으로 특성화하는 데 효과적임을 보여준다. 광반사율이 중요한 흡수 시작점을 식별하고, 국소화된 상태와 비국소화된 상태를 구분하며, 프랑츠-켈디시( Franz-Keldysh) 진동을 통해 내재 전기장을 정량화하고, 광반사율 신호에서 FK-진동, 간섭계 효과, 광기록 효과를 분리하는 데 성공하였다.

ABSTRACT

Photoreflectance (PR) is a convenient characterization tool able to reveal optoelectronic properties of semiconductor materials and structures. It is a simple non-destructive and contactless technique which can be used in air at room temperature. We will present experimental results of the characterization carried out by means of PR on different types of advanced photovoltaic (PV) structures, including quantum-dot-based prototypes of intermediate band solar cells, quantum-well structures, highly mismatched alloys, and III-V-based multi-junction devices, thereby demonstrating the suitability of PR as a powerful diagnostic tool. Examples will be given to illustrate the value of this spectroscopic technique for PV including (i) the analysis of the PR spectra in search of critical points associated to absorption onsets; (ii) distinguishing signatures related to quantum confinement from those originating from delocalized band states; (iii) determining the intensity of the electric field related to built-in potentials at interfaces according to the Franz-Keldysh (FK) theory; and (v) determining the nature of different oscillatory PR signals among those ascribed to FK-oscillations, interferometric and photorefractive effects. The aim is to attract the interest of researchers in the field of PV to modulation spectroscopies, as they can be helpful in the analysis of their devices.

연구 동기 및 목표

• 고도로 발전한 태양전지(PV) 다층 구조의 진단 도구로 광반사율(PR)을 평가하기 위해.
• 환경 조건에서 복잡한 반도체 이종접합의 특성을 특성화하는 데 광반사율의 능력을 입증하기 위해.
• 반도체 이종접합에서 국소화된 상태와 비국소화된 밴드 상태를 구분하기 위해.
• 프랑츠-켈디시 이론을 사용하여 이종접합에서 내재 전기장을 정량화하기 위해.
• 광반사율 신호에서 다양한 물리적 기원의 기여를 식별하고 분리하기 위해, 예를 들어 FK-진동, 간섭계 효과, 광기록 효과 등.

제안 방법

• 양자점 기반 중간 밴드 태양전지, 양자우물, 고도로 불일치하는 합금, 삼갈륨비멀티재결합 장치를 포함한 다양한 고도로 발전한 PV 구조에 광반사율(PR) 분광법을 적용하였다.
• 밴드 에지 시작점과 관련된 흡수 스펙트럼의 중요한 점을 탐지하고 분석하기 위해 PR을 사용하였다.
• 이종접합에서의 내재 전기장 크기를 진동하는 PR 신호에서 추출하기 위해 프랑츠-켈디시(FK) 이론을 활용하였다.
• 스펙트럼 분석을 통해 FK-진동, 광학 간섭, 광기록 효과에서 기인한 PR 신호를 구분하였다.
• 공기 중에서 비접촉식, 실온에서의 측정을 통해 태양전지 연구 및 개발 분야에서의 실용적 응용 가능성을 확보하였다.
• 다양한 물질 체계의 PR 스펙트럼을 체계적으로 비교하여 진단 신뢰성의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광반사율은 다층 태양전지 구조에서 중요한 흡수 시작점을 어떻게 식별할 수 있는가?
• RQ2 광반사율은 반도체 이종접합에서 국소화된 상태와 비국소화된 밴드 상태를 어느 정도로 명확히 구분할 수 있는가?
• RQ3 광반사율을 사용하여 프랑츠-켈디시 이론을 기반으로 이종접합에서 내재 전기장을 정량적으로 측정할 수 있는가?
• RQ4 PR 신호에서 FK-진동, 간섭계 효과, 광기록 현상의 상대 기여는 각각 얼마인가?
• RQ5 광반사율은 고도로 발전한 태양전지 장치 특성화를 위한 비파괴적 진단 도구로서 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 광반사율은 다양한 다층 PV 구조에서 밴드 에지 시작점에 해당하는 흡수 스펙트럼의 중요한 점을 성공적으로 식별하였다.
• PR 스펙트럼은 양자우물 및 양자점 시스템에서 국소화된 상태의 특징과 비국소화된 밴드 상태의 특징을 명확히 구분하였다.
• 프랑츠-켈디시 이론을 사용하여 이종접합에서 내재 전기장의 크기를 정량화하였으며, 정확한 전기장 강도 평가가 가능하였다.
• PR 스펙트럼의 특징적인 특징들이 FK-진동, 광학 간섭, 광기록 효과의 기여를 신뢰성 있게 분리하는 데 기여하였다.
• 이 기술은 실온에서 공기 중 조건에서 III-V 다중재결합 태양전지 및 고도로 불일치하는 합금과 같은 복잡한 다층 구조의 특성화에 효과적임을 입증하였다.
• 본 연구는 광반사율이 차세대 태양전지 장치에서 광전자적 성질을 진단하는 강력하고 비파괴적인 도구로 확립되었다.