dc.creator |
FÉBBA, Davi Marcelo |
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dc.date.issued |
2021-12-09 |
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dc.identifier.uri |
https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/2770 |
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dc.description.abstract |
This work initially reports the electrical characterization of ZnSnxGe1-xN2 (ZTGN) layers
(10% < 𝑥 < 90%) deposited on glass by combinatorial sputtering and further assesses the
performance of silicon heterojunction (SHJ) solar cells featuring them as electron-selective
contacts. Bandgap, dark conductivity, and the activation energy of the latter were found
to significantly change between Sn and Ge-rich samples. When applying ZTGN layers as
electron-selective contacts for SHJ solar cells, poor solar-cell performance was observed,
with surprisingly similar results despite changes in material properties. From analysis
and modelling of the current-voltage characteristics of several device structures, through
a self-adaptive Differential Evolution algorithm, we show that the work function of the
electron-selective contact lies around 4.35 eV for all investigated Sn and Ge contents,
which is too high to form an excellent electron-selective contact. By comparing differ ent solar-cell architectures, we could further identify that the Ge-rich layer imposes an
additional barrier to electron extraction, independently of its poor selectivity, due to its
low conductivity. After having identified these loss mechanisms, MgSnN2 (MTN) was
envisioned as a good candidate, due to its high electron concentration and bandgap at
50% Mg/(Mg+Sn) (at.%). Thus, we fabricated MTN layers also through a combinatorial
sputtering approach, with no substrate heating and at 200 °C, resulting in MgxSn1-xN2
(43% < 𝑥 < 55%) samples, with bandgap around 2 eV, showing dark conductivity and
activation energy that decreased towards Mg-rich samples. When applied to SHJ solar
cells, JV characteristics similar to that when ZTGN was studied were obtained, and per formance was slightly better. The limiting properties were also of the same kind, with an
estimated work function around 4.16 eV, shifting to 4.3 eV for samples grown at 200 °C,
and Sn-rich samples showing a too high electron affinity. Mg-rich samples, as Ge-rich
ones, resulted in strong s-shapes due to poor doping. Thus, doping these compounds with
extrinsic elements appears as the most relevant approach to build efficient devices with a
ZTGN or MTN contact layer. |
pt_BR |
dc.language |
eng |
pt_BR |
dc.publisher |
Universidade Federal de Itajubá |
pt_BR |
dc.rights |
Acesso Aberto |
pt_BR |
dc.subject |
ZnSnN2 |
pt_BR |
dc.subject |
ZnGeN2 |
pt_BR |
dc.subject |
MgSnN2 |
pt_BR |
dc.subject |
Contato seletivo |
pt_BR |
dc.subject |
Heterojunção de silício |
pt_BR |
dc.subject |
Nitretos |
pt_BR |
dc.subject |
Células solares |
pt_BR |
dc.subject |
Estrutura de banda |
pt_BR |
dc.subject |
Meta-heurísticas |
pt_BR |
dc.subject |
Extração de parâmetros |
pt_BR |
dc.subject |
Evolução diferencial |
pt_BR |
dc.title |
Nitride semiconductors as carrier-selective contacts for silicon heterojunction solar cells |
pt_BR |
dc.type |
Tese |
pt_BR |
dc.date.available |
2021-12-16 |
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dc.date.available |
2021-12-16T11:07:17Z |
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dc.date.accessioned |
2021-12-16T11:07:17Z |
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dc.creator.Lattes |
http://lattes.cnpq.br/1045376122168899 |
pt_BR |
dc.contributor.advisor1 |
BORTONI, Edson da Costa |
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dc.contributor.advisor1Lattes |
http://lattes.cnpq.br/0936619055402651 |
pt_BR |
dc.contributor.advisor-co1 |
RUBINGER, Rero Marques |
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dc.contributor.advisor-co1Lattes |
http://lattes.cnpq.br/1123598835707364 |
pt_BR |
dc.description.resumo |
Este trabalho apresenta a caracterização elétrica de camadas de ZnSnxGe1-xN2 (ZTGN)
(10% < x < 90%) depositadas em substrato de vidro por sputtering combinatório e
avalia o desempenho de células solares de heterojunção de silício (SHJ) que apresentam
essas camadas como contatos elétron-seletivos. Bandgap, condutividade e energia de ati vação variaram significantemente entre amostras ricas em Sn e Ge. Quando tais camadas
foram aplicadas como contatos elétron-seletivos em células solares, os dispositivos apre sentaram baixo desempenho, com resultados surpreendentemente semelhantes apesar de
mudanças nas propriedades do material. A partir de análises e modelagem das caracterís ticas corrente-tensão de várias estruturas de células solares, com auxílio de um algoritmo
de Evolução Diferencial auto adaptativo, mostramos que a função trabalho do contato
elétron-seletivo está em torno de 4.35 eV para todas as composições investigadas de Sn
e Ge, o que é muito alto para formar um excelente contato. Através da comparação de
diferentes arquiteturas de células solares, identificamos ainda que camadas ricas em Ge
impõem uma barreira adicional à extração de elétrons, independentemente de sua baixa
seletividade, devido a baixos valores de condutividade. Após a identificação desses mecan ismos de perdas, MgSnN2 (MTN) foi considerado como um bom candidato, já que apre senta bandgap adequado e alta concentração de elétrons para uma composição de 50%
Mg/(Mg+Sn) (at.%). Desse modo, fabricamos camadas de MTN através de sputtering
combinatório, sem aquecimento do substrato e à 200 °C, obtendo amostras de MgxSn1-xN2
(43% < x < 55%), com bandgap em torno de 2 eV, exibindo condutividade e energia de
ativação que decrescem em amostras ricas em Mg. Características JV similares àque las observadas para ZTGN foram obtidas quando MTN foi empregado como camada
elétron-seletiva, mas com desempenho ligeiramente superior. As propriedades limitantes
foram as mesmas, com função trabalho estimada em 4.16 eV, aumentando para 4.3 eV
para amostras fabricadas à 200 °C. Amostras ricas em Sn exibiram ainda alta afinidade
eletrônica e aquelas ricas em Mg resultaram em curvas com severo perfil em “s” devido à
baixa dopagem, como foi o caso de amostras de ZTGN ricas em Ge. Portanto, a dopagem
desses materiais com elementos extrínsecos aparenta ser a abordagem mais relevante para
a construção de dispositivos eficientes com contatos formados com camadas de ZTGN ou
MTN. |
pt_BR |
dc.publisher.country |
Brasil |
pt_BR |
dc.publisher.department |
IESTI - Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da Informação |
pt_BR |
dc.publisher.program |
Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Elétrica |
pt_BR |
dc.publisher.initials |
UNIFEI |
pt_BR |
dc.subject.cnpq |
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELÉTRICA::SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA |
pt_BR |