Opto-electronic properties of 3D nanostructures for use in high efficient solar cell applications

SINTEF har utviklet en metode for å gro 3-dimensjonale nanostrukturer av silisium og aluminium i form av nanotråder og nanotuneller ved rom temperatur, ved hjelp av en selvorganiserende egenskap til disse to materialene. De optiske egenskapene til aluminium-nanotrådene gjør at de kan være av interesse for bruk innen energilagring, kjemiske sensorer, katalyse materiale, eller til bruk i solceller og nanoantenner. Ved å fjerne aluminiums-trådene, vil vi kunne sitte igjen med en ny nano-struktur, som har potensiale til å absorbere mer lys i en solcelle. For å fjerne aluminium nano-trådene, så bruker vi en våt-etse teknikk. I løpet av denne prosessen har vi videreutviklet etseteknikken og funnet en metode for å måle restene av aluminiumet i strukturen. Disse strukturene kan potensielt øke effektiviteten til solceller ved å få mer strøm ut, og dessuten redusere kostnadene ved å innføre ett direkte bånd-gap materiale. I tillegg kan disse strukturene potensielt brukes i sensorer, membraner, batterier, og termoelektriske elementer, som lager elektrisk strøm av varme. Fokuset i prosjektet har også vært å studere hvordan den selvorganiserende prosessen starter og utvikler seg, i tillegg til å studere de optiske egenskapene til trådene på nano-skala. For disse observasjonene bruker vi topp moderne instrumenter, slik som nylig installert transmisjonselektronmikroskop innenfor prosjektet NORTEM som ble co-finansiert av Norges Forskningsråd. Disse undersøkelsene er kombinert med studier på optiske og elektriske egenskaper for å forstå deres egenskaper og hvilke mulige applikasjoner de kan brukes til. I tillegg har vi jobbet med å forstå og utvikle egenskapene til materialet rundt nanotrådene. Når dette materialet (amorft silisium) tilsettes små mengder aluminium og hydrogen, så kan vi endre og tilpasse de optiske egenskapene til materialet.

The self-organizing nanostructures presented in the Nanosol project represent a completely novel way of thinking device fabrication. The possibilities for materials tailoring by manipulating nanowires are already vast and can be found in material systems other than Si-Al, opening for a whole new branch of materials design. Both the nanostructures aSi, aSi-Al films, and the tunable aSi (doped with Al and/or H) has shown to exhibit interesting optoelectronic properties. These could have significant potential to be used in optoelectronic devices, sensors, memory storage materials etc. We have during this project gained competence within nanofabrication and characterization of nanostructures for optoelectronic devices.

The NanoSol project will study the fundamental aspects of nanowires and nanoholes, self-organization and growth, plasmonics, and nano-confinement of opto-electronic properties, measured both on the micro- and nano-scale. Inexpensive 3-dimensional nanostru ctured materials will be produced in a novel way, using magnetron co-sputtering to form Al nanowires in amorphous Si. Our approach presents a completely new concept of self-organizing Si based structures for device applications, which have never been repo rted and used so far. The scientific interest of the project is threefold: The self-organization phenomenon observed for this system is in itself an intriguing issue triggering various enquiries. The plasmonic properties of the Al nanowires or nanoholes, as well as the opto-electronic properties of the wires and holes measured on the micro- and nano-scale, will give insight into the detailed properties, method possibilities, and possible applications. The possibility of materials tailoring offered by thes e Si based nanostructures widens the fabrication options for a broad range of potential devices, which require careful process development and materials characterization and testing. Semiconductor nanostructures consisting of wires, tubes, particles, and thin films have shown to have unique electrical and optical properties compared to their bulk counterpart. In this context these nanostructures are very interesting candidates to be used in various devices, for instance in photovoltaic devices, sensors, t hermoelectric devices, and batteries. One of the advantages associated with the NanoSol proposed concept over presently used technologies is the fact that the nanostructures are grown at room temperature without the use of precursors, which has been reali zed at our SINTEF laboratories, to our knowledge for the first time. These processing characteristics offer the competitive advantages of cost-effectiveness and simplicity, both crucial from a commercial perspective