Surface-Concentrated Light in Semiconductor Nanostructures

Abstract

The interaction between nanostructure and light enables us to tailor the spectral photoresponse of the devices, which allows us to propose high performance optoelectronic devices. In this work, we investigated how the nanostructures modified the optical characteristics of crystalline Si (c-Si) and atomically thin molybdenum disulfide (MoS2) layers. c-Si is the most popular semiconductor material for various device applications. For example, c-Si solar cells have the photovoltaic (PV) market share of ~90%, due to well-established fabrication technology and moderate bandgap energy for visible light absorption. However, the poor optical absorption, resulting from the indirect bandgap, is the intrinsic obstacle to raise the power conversion efficiency of the c-Si solar cells. MoS2, the representative 2D atomically thin semiconductor, has gained growing research interest due to its unique electronic and optical attributes. In spite of its notable potential in optoelectronic devices, the several atomic layers limit light absorption in MoS2. To address these issues, we fabricated Si-based nanostructures and MoS2-Si integrated nanostructures, and studied their optical properties based on both experiments and simulations. In part II, we report on our investigations regarding the optical characteristics and PV performance of nanoconical frustum array (NFA) Si solar cells. Finite-difference time-domain (FDTD) simulations and experimental measurements showed that the NFA exhibited enhanced optical absorption in broad wavelength range. Such optical gain was notable for thin Si absorbers, and the photocurrent of a 10-μm-thick NFA Si cell even exceeded that predicted from the Lambertian limit. We fabricated NFA c-Si solar cells using nanoimprint lithography and achieved a very high photocurrent of 36.94 mA/cm2 (one of the largest photocurrent values reported for nanostructured Si solar cells). Thus, the patterned absorber provides a very versatile approach for realizing high-efficiency ultrathin (≤ 50 μm) c-Si solar cells. In part II.B, we compared the NFA Si solar cells with and without SiNx layers. The SiNx layer significantly improved the internal quantum efficiency (QE) of the NFA cells at long wavelengths as well as short wavelengths, whereas the surface passivation helped carrier collection of flat cells mainly at short wavelengths. The surface NFA enhanced the optical absorption and also concentrated incoming light near the surface in broad wavelength range, revealed by experimental data and optical simulation results. As a result, the NFA cells had high density of photo-generated carriers near the surface. This could lead to significant recombination loss of the cells without proper surface passivation. Our work suggested that the SiNx layer played a crucial role in the improved carrier collection of the nanostructured Si PV devices. In part III.A, we studied the relationship between the resistance (Rs) and surface work function (WF) of chemical vapor deposition (CVD)-grown MoS2 thin films in N2, O2, and H2/N2. CVD techniques have been widely used to grow large area transition metal dichalcogenide (TMDC) thin films. Since the TMDC thin films consist of several atomic layers, their electrical properties may be very sensitive to the ambient conditions. We also studied the ambient-dependent electrical properties of the Au nanoparticle (NP)-coated MoS2 thin films; their Rs value was found to be 2 orders of magnitude smaller than that for bare samples. While the WF largely varied for each gas, Rs was almost invariant for both the bare and Au-NP-coated samples regardless of which gas was used. Temperature-dependent transport suggests that variable range hopping is the dominant mechanism for electrical conduction for bare and Au-NP-coated MoS2 thin films. The charges transferred from the gas adsorbates might be insufficient to induce measurable Rs change and/or be trapped in the defect states. The smaller WF and larger localization length of the Au-NP-coated sample, compared with the bare sample, suggest that more carriers and less defects enhanced conduction in MoS2. In part III.B, we synthesized tri-layers of MoS2 directly on SiO2/Si nanocone (NC) arrays using CVD technique and investigated their photodetection characteristics. The photoresponsivity of the MoS2/NC photodetector was much larger than that of the flat counterpart in the whole visible wavelength range (for example, almost an order of magnitude higher at wavelength = 532 nm). Strongly concentrated light near the surface, originated from a Fabry-Perot interference in the SiO2 thin layers and a Mie-like resonance caused by the NCs, boosted the optical absorption in MoS2. This work demonstrates that MoS2/NC integrated structures can provide a useful means to realize high performance optoelectronic devices.;나노구조와 빛의 상호작용은 소자의 파장별 광응답을 조절할 수 있게 해주어 고성능 광전자 소자 구현을 가능하게 한다. 본 연구에서 우리는 나노구조가 결정질 Si(c-Si)과 원자단위로 얇은 MoS2 층의 광학적 특성에 미치는 영향을 조사하였다. c-Si은 가장 널리 사용되는 반도체소재로, 잘 정립된 공정기술과 가시광 흡수에 적절한 밴드갭에너지를 가지고 있기 때문에 태양전지 시장의 90% 이상을 차지하고 있다. 그러나 간접천이 반도체로서 낮은 광흡수가 태양전지의 높은 에너지 변환 효율를 얻는데 본질적 장애물이 된다. MoS2는 대표적인 이차원 반도체로서, 고유한 전기적 및 광학적 특성 때문에 최근 각광 받는 연구 대상이다. MoS2는 광전자 소자 응용에서 뛰어난 잠재력을 가짐에도 불구하고 원자단위 몇 층에 불과한 두께 때문에 제한적인 광흡수 특성을 보인다. 이러한 이슈들을 다루기 위해 우리는 Si 기반의 나노구조와 MoS2와Si이 결합된 나노구조를 제작했고 실험과 시뮬레이션을 통해 그 광학적 특성을 살펴보았다. II.A절에서는 원뿔대 나노구조를 갖는 Si 태양전지의 광학적 특성과 소자 성능에 관한 연구를 보고하였다. FDTD 시뮬레이션과 전기적 측정은 Si 나노구조가 전 파장 영역에서 증가된 광흡수를 나타냄을 보여준다. 박형 Si 흡수층에서 이러한 광학적인 증가는 에너지 변환 효율 증진에 상당한 이득이며 특히 10 m 두께의 Si나노구조 태양전지는 Lambertian 한계로부터 예상할 수 있는 광전류 값보다 큰 값을 보여준다. 또한 우리는 나노임프린트 리소그래피를 통해 표면에 나노구조 패턴을 갖는 Si태양전지를 제작하였고 36.94 mA/cm2이라는 높은 광전류를 얻었다. 이는 기존에 보고된 나노구조 Si태양전지의 광전류값 중에 최고 수준의 값이다. 그러므로 본 연구는 패턴된 흡수증은 박형 (≤ 50 m) c-Si 태양전지의 고효율 구현에 대단히 유용한 접근 방식을 제공함을 제시하였다. II.B절에서는 나노구조 Si태양전지에서 SiNx의 유무에 따른 특성을 비교했다. SiNx층은 평평한 태양전지에서 주로 단파장 영역의 패시베이션에만 도움을 주지만 나노구조를 갖는 Si태양전지에서는 단파장 뿐만 아니라 장파장 영역에서도 내부 양자효율을 증가시키는 역할을 했다. 표면 나노구조는 전 파장 영역에서 광흡수를 증가시킬 뿐만 아니라 표면에 빛을 강하게 집속시키고 그 결과 빛에 의해 생성된 전하의 밀도가 평평한 태양전지와 비교할 때 표면에서 크게 증가함을 실험과 시뮬레이션으로 확인하였다. 이는 SiNx층의 적절한 패시베이션이 없다면 오히려 나노구조가 표면 전하 손실을 크게 할 수 있음을 설명해준다. 그러므로 SiNx패시베이션층은 나노구조 태양전지에서 구조로 인해 증진된 전하의 손실을 막는데 중요한 역할을 했음을 알 수 있다. III.A절에서는 화학 기상 증착법으로 제작된 MoS2 박막의 저항과 일함수의 관계를 질소, 산소, 수소분위기에서 연구해보았다. 화학 기상 증착 기술은 TMDC (transition metal dichacogenide) 박막을 대면적으로 제작할 때 널리 이용되고 있다. TMDC 박막은 몇몇 원자층으로 이루어져 있기 때문에 그들의 전기적 특성은 가스 분위기에 매우 민감하여 전기적 특성을 제어할 목적으로 이용되기도 한다. 저항과 일함수를 동시에 측정함으로써 MoS2의 가스 분위기 의존성을 확인하였다. 또한 Au 나노입자를 증착한 MoS2 박막의 전기적 특성도 살펴보았다. MoS2박막의 전기전도도는 Au 나노입자를 증착하면 100배 이상 증가했다. Au 나노입자가 있을 때와 없을 때 모두 일함수는 뚜렷한 가스 의존성을 보였지만, 전기전도도는 거의 변화하지 않았다. 온도의존성에 대한 전하 수송연구는 VRH(variable range hopping)이 MoS2 박막의 전기 전도를 설명하는 주요한 메커니즘임을 제안하였다. 본 연구는 MoS2박막은 가스 흡착에 의한 전하가 측정가능한 저항을 야기하는데 충분하지 않으며, 결함에 갇히기도 한다는 시나리오를 제시하였다. Au 나노입자 증착 후에 더 작아진 MoS2의 일함수와 커진 국소화 길이는 Au 나노입자가 없을 때와 비교하여 더 많은 전하와 적은 결함으로 MoS2의 전도도를 증가시켰음을 추정할 수 있었다. III.B절에서는 세 층 두께의 MoS2를 화학 기상 증착법을 통해 SiO2/Si 나노구조위에 합성하여 그들의 광검출 소자 특성을 조사하였다. MoS2/나노구조 광전 소자의 광응답은 전 파장 영역에서 평평한 소자보다 큰 값을 보였다. 얇은 SiO2 층의 FP 간섭(Fabry-Perot interference)와 나노구조에 의한 미-공명(Mie-like resonance)효과가 표면에 강한 빛의 집속을 야기하였고 이로 인해 MoS2의 광흡수를 증진시켰음을 밝혔다. 본 연구는 MoS2와 Si 나노구조가 결합된 구조가 고성능 광전자 소자의 구현에 기여할 수 있음을 입증하였다.