Herstellung und Untersuchung von Silizium-Nanodrähten für Solarzellen und andere optische Anwendungen:
Gespeichert in:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
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Ulm
2016
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| adam_text | HERSTELLUNG UND UNTERSUCHUNG VON SILIZIUM-
NANODRAEHTEN FUER SOLARZELLEN UND ANDERE OPTISCHE
ANWENDUNGEN
DISSERTATION
ZUR ERLANGUNG DES AKADEMISCHEN GRADES EINES
DOKTORING^^
(D RIN G )
DER FAKULTAET FUER INGENIEURWISSENSCHAFTEN
UND INFORMATIK DER UNIVERSITAET ULM
VON
STEFAN THOMAS JAEGER
AUS HIRSCHAU
(G EBURTSORT)
GUTACHTER: HERR UEUN.-PROF. D R IN G . STEFFEN STREHLE
HERR PROF. DR. RER NAT* JOHANN W BARTHA
AMTIERENDE DEKANIN: FRAU PROF. DR. PHIL. TINA SEUFERT
ULM
*
14 MAERZ 2016
(DATUM D ER PRUEFUNG)
INHALTSVERZEICHNIS
1 EINLEITUNG
2 ZIELSETZUNG DER ARBEIT
3 STAND DER FORSCHUNG
3.1 SILIZIUM
......................................................................................................
3.1.1 MATERIAL- UND OBERFLAECHENEIGENSCHAFTEN VON SILIZIUM .......
3.1.2 HERSTELLUNG VON SILIZIUM
...............................................................
3.1.3 ELEKTRISCHE EIGENSCHAFTEN VON S ILIZ IU M
.......................................
3.2 HERSTELLUNG VON SILIZIUM-NANODRAEHTEN MIT TOP-DOWN-VERFAHREN ......
3.2.1 TROCKENAETZEN VON NANODRAEHTEN ...................
3.2.2 NASSCHEMISCHE HERSTELLUNG VON NANODRAEHTEN ...........
3.3 HERSTELLUNG VON SILIZIUM-NANODRAEHTEN IM VLS-VERFAKEN .........
3.3.1 DRAHTGEOMETRIE, KRISTALLORIENTIERUNG UND AUSRICHTUNG .......
3.3.2 DOTIERUNG DER N AN O D RAEH
TE............................................................
3.3.3 KATALYSATOREN FUER DAS
VLS-WACHSTUM..........................................
3.3.4 SYNTHESE KOMPLEXER NANOSTRUKTUREN UND HUELLENSYNTHESE .....
3.3.5 EINFLUSS DER PROZESSPARAMETER AUF DIE NANODRAHTFORM .......
3.3.6 NANODRAHTHERSTELLUNG IM
VSS-VERFAHSEN.......................................
3.4 OPTICHE INTERAKTION MIT M A TERIE
...............................................................
3.4.1 BESCHREIBUNG DER LICHT-MATERIE-INTERAKTION MIT HILFE DER MAX-
WELL-GLEICHUNGEN...........................................................................
3.4.2 REFLEXION
*
TRANSMISSION, BRECHUNG UND STREUUNG .........
3.4.3 A B SO RP TIO N
....................................................................................
3.4.4 MODELLIERUNG HETEROGENER GRENZFLAECHEN MIT EFFEKTIVEN BRE-
CHUNGSINDIZES.................................................................................
3.4.5 LICHTABSORPTION UND LADUNGSTRAEGERGENERATION IN SILIZIUM . . . . .
3.5 KLASSISCHE
SILIZIUM-PHOTOVOLTAIK...............................................................
3.5.1 AUFBAU VON
HALBLEITER-SOLARZELLEN................................................
3.5.2 MOEGLICHKEITEN ZUR EFFIZIENZSTEIGERUNG BEI SOLARZELLEN .......
3.5.3 KENNGROESSEN FUER
SOLARZELLEN............................................................
3.5.4 EINFLUSS DES LICHTSPEKTRUMS AUF DEN PHOTOVOLTAISCHEN EFFEKT . . .
3.6 SOLARZELLEN AUF BASIS VON
SILIZIUM-NANODRAEHTEN.......................................
3.6.1
SUBSTRAT-NANODRAHTSOLARZELLEN......................................................
3.6.2 AXIALE
NANODRAHTSOLARZELLEN.........................................................
3.6.3 RADIALE
NANODRAHTSOLARZELLEN.........................................................
3.6.4 MOEGLICHKEITEN ZUR EFFIZIENZSTEIGERUNG BEI NANODRAHTSOLARZELLEN .
3.7 WEITERE EINSATZMOEGLICHKEITEN FUER SILIZIUM-NANODRAHTE
...........................
1
3
5
5
5
8
11
11
11
17
20
21
23
24
27
28
31
31
31
32
35
38
39
43
43
45
46
48
50
51
52
52
54
56
8 HERSTELLUNG VON SILIZIUM-NANODRAHTSOLARZELLEN
8.1
PROBENPRAEPARATION....................................................................................
8.1.1 ABLEGEN VON GEWACHSENEN NANODRAEHTEN AUF SUBSTRATE ......
8.1.2 ELEKTRISCHE K ONTAKTIERUNG
.................................
...
8.1.3 SELEKTIVES AETZEN N-DOTIERTER NANODRAHTHUELLEN ..........
8.1.4 AUSWIRKUNG DER DOTIERUNG AUF DIE WACHSTUMSRATE UND DEN ELEK-
TRISCHEN WIDERSTAND VON N ANODRAHTEN
.......................................
8.2 HUELLENSYNTHESE FUER
NANODRAEHTE...............................................................
8.2.1 HUELLENSYNTHESE MIT D
ISILAN.........................................................
4 VERWENDETE METHODEN ZUR HERSTELLUNG UND CHARAKTERISIERUNG DER P RO
BEN 59
4.1
ICP-RIE-ANLAGE..........................................................................................
59
4.2 ELEKTRISCHE
CHARAKTERISIERUNG.....................................................................
61
4.3 ABBILDENDE
VERFAHREN.................................................................................
61
4.3.1
LICHTMIKROSKOPIE...........................................................................
61
4.3.2
RASTERELEKTRONENMIHOSKOPIE.........................................................
62
4.4 OPTISCHE
CHARAKTERISIERUNG........................................................................
62
5 OPTISCHE *GENSCHAFTEN VON GEORDNETEN NANODRAHTSTRUKTUREN 67
5.1 SIMULATION OPTISCHER PARAMETER MIT DER FINITE-ELEMENTMETHODE .....
67
5.2 VALIDIENING DER
SIMULATIONSERGEBNISSE......................................................
71
5.3 ABSORPTION IN NANODRAHTANORDNUNGEN UND PLANAREN STRUKTUREN ...... 72
5.4 ZYLINDRISCHE N
ANODRAEHTE...........................................................................
72
5.4.1 EINFLUSS DES V OLUM
ENS.................................................................. 73
5.4.2 EINFLUSS DES
ABSTANDS.....................................................................
75
5.4.3 GEMEINSAME BETRACHTUNG VON DURCHMESSER UND ABSTAND ..... 76
5.5 KONISCHE
NANODRAEHTE.................................................................................
77
5.5.1 EINFLUSS DER F O RM
...........................................................................
77
5.5.2 EINFLUSS DES V OLUM
ENS.................................................................. 79
5.6 EINFLUSS DES EINFALLSWINKELS UND DER LICHTPOLARISATION ...........
83
5.7 EINFLUSS DES
SUBSTRATS.................................................................................
84
6 HERSTELLUNG VON SILIZIUM-NANODRAEHTEN *M TROCKENAETZVERFAHREN 89
6.1 GROSSFLAECHIG AUSGERICHTETE NANODRAHTE IM ICP-RIE-TROCKENATZVERFAKEN .
89
6.2 REALISIERTE F O RM E N
....................................................................................
94
7 HERSTELLUNG VON SILIZIUM-NANODRAHTEN IM VLS-VERFAHREN 97
7.1 KONZEPT ZUM AUFBAU EINER ANLAGE ZUR VLS-NANODRAHTSYNTHESE ..... 97
7.1.1 PROZESSGASE UND GASSTEUERUNG
......................................................
98
7.1.2
DRUCKSTEUERUNG..............................................................................
99
7.2 EINFLUSS DES REAKTORSYSTEMS AUF DAS W ACHSTUM
..........................................
101
7.2.1 K ALTW
ANDREAKTOR..............................................................................
101
7.2.2
HEISSWANDREAKTOR..............................................................................
107
7.3 AUSGERICHTETE
NANODRAEHTE..............................................................................
109
7.4 INVERS-KONISCHE
NANODRAHTE...........................................................................
115
*
H
H
4
*
7
*
H
23
2
2
2
2
2
3
3
1
1
1
1
H
H
H
8.2.2 HUELLENSYNTHESE MIT M ONOSILAN
..............................
8.3 AUFBAU UND CHARAKTERISIERUNG EINER PN-NANODRAHTSOLARZELLE
8.4 SCHEMA ZUR 3D-KONT*TIERUNG VON NANODRAHTEN ......
8.5 OPTISCHE CHARAKTERISIERUNG VON SI-MEMBRANEN UND SI-NANODRAEHTEN . . .
9 ZUSAMMENFASSUNG 151
10 VORSCHLAEGE FUER WEITERFUEHRENDE UNTERSUCHUNGEN 155
A SIMULATIONSPARAMETER UND KURVENGLAETTUNG 157
*.1
FEM-SIMULATIONEN...........................................................................157
*.2 BRECHUNGSINDEX VON *** * * **
SILIZIUM..........................................158
*.3 BRECHUNGSINDEX EINES
KALK-NATRON-GLASES.......................................158
*.4 KURVENGLAETTUNG DER DARGESTELLTEN SIMULATIONSERGEBNISSE
..... 159
B HERSTELLER UND BEZEICHNUNGEN DER EINGESETZTEN KOMPONENTEN 161
*.1 ALLGEMEIN / M
IKOTECHNOLOGIE.........................................................161
*.2
NANODRAHT-CVD-ANLAGE..................................................................162
C SAETTIGEN DES SPEKTROMETERS UND DUNKELSPEKTRUM 163
C .L SAETTIGEN DES SPEKTROMETERS FUER UNTERSCHIEDLICHE INTEGRATIONSZEITEN
.... 163
C. 2 DU*ELSPEKTRUM DES
SPEKTROMETERS..............................................................163
D MIKROTECHNOLOGIE 165
D. L
LIFT-OFF-PROZESS............................................................................................165
D.2 ABLOESEN VON
NANODRAEHTEN.............................................................................165
D.3 KONTAKTIERUNG DER N
ANODRAEHTE....................................................................165
D.4 G OLD-AE
TZEN..................................................................................................166
D.5 AETZEN DER H UE LLE
............................................................................................
166
D.6 AETZEN DER
ALUMINIUM-MASKE.......................................................................
167
D.7 STRUKTURIERUNG DER ICP-RIE-AETZMASKEN
.....................................................
167
D.8 VORBEREITUNG DER PROBEN MIT .... 167
DG.1
GOLD-KOLLOIDE....................................................................................167
DG.2 G
OLD-SCHICHT....................................................................................168
E REZEPTE ZUM HERSTELLEN VON NANOSTRUKTUREN 171
*.1
VLS-SYNTHESEDESNANODRAHTKEMS..............................................................
171
*.2 VLS-SYNTHESEVONV-FOERMIGENNANODRAEHTEN
...............................................
171
*.3 CVD-BESCHICHTUNG ZUR HERSTELLUNG VON NANODRAHTHULLEN
......... 172
*.3.1 GLATTE
*
DOTIERTE HUELLEN MIT D ISILA N
...................................................172
*.3.2 GLATTE
*
UNDOTIERTE HUELLEN MIT M
ONOSILAN..........................................172
*.3.3 ABSCHEIDUNG VON GLATTEN
*
SPIEGELNDEN SI-SCHICHTEN 173
*.4 NANODRAHTSYNTHESE IM ICP-RIE-AETZVERFAKEN (KONTINUIERLICHES AETZVER-
FAHREN)............................................................................................................173
*.5 NANODRAHTSYNTHESE IM ICP-RIE-AETZVERFAHREN (PULSIERTES AETZVERFAHREN)
. 173
*.6 3D-KONTAKTIERTENANODRAEHTE MIT HILFE DES ICP-RIE-AETZVERFAHRENS ....
174
2
8
1
6
3
3
4
4
H
U
H
T
H
F SIMULATIONSERGEBNISSE - DARSTELLUNG DER GESAMTABSORPT_ON 175
F.L N ANODR*TDURCHM
ESSER..................................................................................175
F.2
NANODRAHTABSTAND...........................................................................................175
F.3 ABSTAND UND D URCHM
ESSER............................................................................176
F.4 EINFLUSS DER
LAENGE...........................................................................................176
F.5 KONISCHE N
ANODRAEHTE.....................................................................................177
G OPTISCHE MESSUNGEN 181
H ROENTGENDIFFRAKTOMETER-MESSUNGEN 183
I NICKELABSCHEIDUNG * EINEM BECHERGLAS 185
EIGENE VEROEFFENTLICHUNGEN 187
ABKUERZUNGSVERZEICHNIS 189
ABBILDUNGSVERZEICHNIS 193
TABELLENVERZEICHNIS 197
LITERATURVERZEICHNIS 199
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