Implementation of strong light-matter interaction for fabrication and light management of thin crystal silicon solar cells
İnce kristal silisyum güneş hücrelerinde üretim ve ışık yönetimi için yoğun ışık-madde etkileşimi uygulaması
- Tez No: 684292
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALPAN BEK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 130
Özet
Fotonik bileşenlerin elektriksel elemanlarla aynı silisyum çip üzerinde entegrasyonu, yeni teknolojilerin geliştirilmesine yol açabilir. Bir sınırlama, kısıtlı olan dilim yüzeyindeki mevcut alandır. Halihazırda, geleneksel üretim teknikleri, yalnızca dilimin en ince tabakası üzerinde cihazlar üretmektedir. Sonuç olarak, yeni mimari tasarımlara ihtiyaç duyulmaktadır. Yüzeylere zarar vermeden Si'nin derinliklerinde fonksiyonel bileşenler üretmek, elektronik fotonik entegrasyondaki alan kısıtlamasının üstesinden gelmek için potansiyel bir tekniktir, çünkü Si dilimin büyük kısmı bu yöntemle kullanılabilir. Camlar ve polimerler gibi farklı şeffaf malzemelerde lazerle yazılmış cihazlar gösterilmiştir. Yüksek yoğunluklu lazer darbeleri, odaklanıldığında doğrusal olmayan bir bozulmaya neden olabilir ve malzemenin etkileşim alanın morfolojisini değiştirebilir. Bu yöntem, optic ara bağlantılar, optik dalga kılavuzları ve kuantum fotonik aygıtlar dahil olmak üzere çok çeşitli cihazları üretebilir. Ancak benzer teknikler Si'de başarılı olamamıştır. Si'nin derinliklerinde çok kontrollü değişiklikler yaratmak için doğrusal olmayan etkileri kullanarak Si içinde benzer bir etkinleştirme tekniği geliştirdik. Son zamanlarda, kristal silisyum (c-Si) dilimlerin içindeki yüksek kaliteli üç boyutlu (3B) yüzeyaltının doğrudan lazer modifikasyonu, çok disiplinli araştırma alanlarında çeşitli yeni uygulamaların kapılarını açar. İstenen 3B yapıları ortaya çıkarmak için c-Si'nin lazerle yüzeyaltı işlemesini takip eden genellikle özel olarak geliştirilmiş bir seçici ıslak kimyasal aşındırma adımı gerekir. Geri kalan işlenmemiş Si yüzeylerini pürüzsüz özelliklere sahip bırakan böyle seçici bir aşındırıcının uygun şekilde geliştirilmesi, mikro ve nano ölçekli sonraki uygulamalar için kritik öneme sahiptir. Yüzey altı lazerle işlenmiş Si'nin pratik olarak faydalı aşındırma hızı, aşındırma seçiciliği ve nihai yüzey morfolojisinin elde edilmesi esastır ve yine de aşındırıcı kompozisyon yoluyla bu yönlerin karmaşık şekilde birbirlerine bağımlılığı nedeniyle oldukça karmaşıktır. Ayrıca, yarı iletken mikro işlemede iyi kabul edilen aşındırma hızı ve seçicilik tanımları, literatürde yalnız 2B'de yüzey aşındırma için geçerlidir. Kristalli yarı iletkenlerin lazerle işlenmesi yeni gelişen bir teknik olduğundan, aşındırma kalınlığı/zamanının uygulanabilir bir ölçü olmadığı yerlerde aşındırma, yüzeyin altında 3B gerçekleştiğinden hem aşındırma hızının hem de seçiciliğin yeniden tanımlanmasına ihtiyaç vardır. Burada, yüksek aşındırma hızında büyük ölçüde pürüzsüz yüzeyler ile hem yüzey hem de yüzey altı lazerle işlenmiş Si'nin seçici olarak aşındıran bakır nitrat bazlı yeni bir krom (Cr) içermeyen kimyasal aşındırma tarifinin geliştirilmesini rapor ediyoruz. Sonuçlar, aşındırma hızının ve yüzey morfolojisinin birbiriyle ilişkili olduğunu ve kabul edilen aşındırma çözeltisinin bileşiminden büyük ölçüde etkilendiğini göstermektedir. Oda sıcaklığında yapılan kapsamlı bir kompozisyon çalışmasından sonra, 100 ml solüsyonda HF:HNO3:CH3COOH:H2O – 56:65:72:207 (% hacim) ve 1 g Cu(NO3)2.3H2O bileşimi ile aşındırıcı geliştirmeyi başardık. Bu şampiyon aşındırıcı, değiştirilmemiş Si'ye göre lazerle modifiye edilmiş Si için 1600'den fazla seçicilik sergiler. Yüzey kusur analizinin aşındırma çukuru boyutu dağılımı 1 – 10 µm aralığında olup, görece pürüzsüz ve düşük kusurlu yüzey elde edildiğini gösterir. Aşındırıcının uygulama potansiyelini göstermek için, ince soğurucu (absorber) dilimler üzerinde c-Si güneş pilleri, minimum Si malzemesi kaybıyla üretildi.
Özet (Çeviri)
The integration of photonic components with electrical elements on the same silicon chip may lead to the development of new technologies. One limitation is the space available on the wafer surface, which is restricted. Currently, conventional fabrication techniques produce devices only on the top thin layer of the wafer surface. As a result, new architectural designs are required. Producing functional components deep inside Si without creating damage to the surfaces is a potential technique for overcoming the space constraint in electronic-photonic integration since the bulk of the wafer can be used with this method. In different transparent materials, such as glasses and polymers, laser-written devices have been shown. High-intensity laser pulses may cause a nonlinear breakdown when focused and can alter the morphology of the material's interaction area. This method is capable of fabricating a broad range of devices, including interconnects, optical waveguides, and quantum photonic devices. However, similar techniques have not been successful in Si. We developed a similar enabling technique inside Si by using nonlinear phenomena to create very controlled modifications deep inside Si. Recently-demonstrated direct laser modification of high-quality three-dimensional (3D) subsurface inside of crystalline silicon (c-Si) wafers opens the doors to a wide range of novel applications in multidisciplinary research areas. A specially developed selective wet chemical etching step is usually required to follow subsurface processing of c-Si by laser in order to reveal the desired 3D structures. Proper development of such a selective etchant that leaves remaining unprocessed Si surfaces with smooth features is critical for subsequent applications at micro- and nanoscales. Achieving practically useful etch rate, etch selectivity, and final surface morphology of subsurface laser processed Si is essential and yet highly complicated due to intricate interdependence of these aspects through the etchant composition. Moreover, the well-accepted definitions of etch rate and selectivity in semiconductor micro-processing are univocally valid for surface etch in 2D in literature. As laser processing of crystalline semiconductors is an emerging technique, there appears to be a need for redefinition of both etch rate and selectivity since the etch takes place subsurface in 3D where etch thickness/time is not an applicable measure. Here, we report on development of a novel chromium-free (Cr-free) chemical etching recipe based on copper nitrate which yields substantially smooth surfaces at a high etch rate and selectivity of the both surface and subsurface laser processed Si without inducing significant etching of unmodified Si. The results show that etch rate and surface morphology are interrelated and highly affected by the composition of the adopted etching solution. After an extensive compositional study performed at room temperature, we achieved to develop such an etchant with a composition of HF:HNO3:CH3COOH:H2O – 56:65:72:207 (vol%), and 1 g of Cu(NO3)2.3H2O in 100 ml solution. This champion etchant exhibits more than 1600 selectivity for laser modified Si with respect to unmodified Si. Etch pit size distribution of surface defect analysis shows pit sizes to reside in the range of 1 – 10 µm indicating relatively smooth and low defective surface. In order to demonstrate the application potential of the etchant, c-Si solar cells based on thin absorber slices produced with a minimum loss of Si material. Additionally, we etched the laser processed parts of a c-Si to reveal high aspect ratio micro holes all the way through a wafer of 250 µm thickness, which has the potential to be utilized in the fabrication and development of microfluidic devices and photonic devices on Si, and also fabricated micro pillars with various sizes/depth to reach the minimum reflection which is crucial for solar cells. This work is the first to propose and use new definitions of etch rate and selectivity in etching of 3D structures.
Benzer Tezler
- Kentsel mekanın, deprem risklerinin azaltılmasına yönelik yeniden organizasyonu ve bir toplumsal katılım süreci
Reorganization of urban space in order to mitigate earthquake risks, and a process for social participation
SÜLEYMAN BALYEMEZ
Doktora
Türkçe
2010
Şehircilik ve Bölge Planlamaİstanbul Teknik ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LALE BERKÖZ
- Teleportation-based implementations of quantum optical continuous-variable gates
Başlık çevirisi yok
SEÇGİN SEFİ
Doktora
İngilizce
2014
Fizik ve Fizik MühendisliğiFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-NürnbergPROF. DR. PETER VAN LOOCK
- Dokuma Park Antalya Müzik Müzesi konsept önerisi
Dokuma Park Antalya Music Museum concept proposal
DENİZ TANRIVERDİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Kamu YönetimiAkdeniz ÜniversitesiMüzecilik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEVZAT ÇEVİK
- Investigation of the parallelization of green's function method for high-order harmonic generation simulations
Green fonksiyonu yönteminin yüksek mertebeli harmonik üretim simülasyonları için paralelizasyonunun incelenmesi
GÖKHAN İLHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Fizik ve Fizik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERDİ ATA BLEDA