Characterisation of tungsten-doped silicon - An intermediate band material candidate from ion implantation and nanosecond pulsed laser melting

En overgang til fornybare energikilder er uunnværlig for å motvirke effektene av global oppvarming, og fotovoltaiske solceller er i ferd med å bli en av de mest anvendte løsningene takket deres stadig synkende kostnader og økende effektivitet. Kommersielt tilgjengelige paneler er dog i ferd med å støte mot de teoretiske begrensningene til dagens materialer og teknologier, og nye innovasjoner kreves for å forbedre effektiviteten ytterligere. En slik innovasjon er en solcelle av et mellombåndsmateriale, som kan lages ved kraftig doping av halvledere med overgangsmetaller. Silisium implantert med sølv har tidligere blitt forsket på som et potensielt mellombåndsmateriale her ved NTNU, og ut ifra resultatene har silisium implantert med wolfram blitt valgt som en ny forskningskandidat. I denne avhandlingen har enkrystallinsk silisium blitt ioneimplantert med wolfram for å oppnå en wolframkonsentrasjon over løselighetsgrensen ved likevekt. Nominelle verdier for maksimal konsentrasjon av wolfram er 2, 1, 0.1 og 0.01 atom%. Ioneimplanteringen amorfiserte silisiumet, slik vist ved bruk av Raman-spektroskopi, og en krystallstruktur ble grodd på nytt i det implanterte volumet med pulset lasersmelting (PLM). PLM ble gjennomført i vakuum med enkeltpulser fra en eksimerlaser, der laserpulsene hadde gjennomsnittlige energitettheter på 0.9, 1.4 og 1.8 J/cm2. Overflateegenskapene til det resulterende materialet ble karakterisert med optisk mikroskopi, hvitlysinterferometri (WLI), skanningelektronmikroskopi (SEM) og atomkraftmikroskopi (AFM). Overflatene var fulle av sprekker med tykkelse på nanometerskalaen, og det var en sammenheng mellom sprekkenes mønsterdannelse, andel wolfram i prøvene og anvendt laserenergi. Kantene til sprekkene krummet oppover, noe som økte overflateruheten, og på en større skala krummet også waferbitene seg om PLM-områdene. Krystalliniteten til PLM-prøvene ble undersøkt med diffraksjon av tilbakespredte elektroner (EBSD) og Raman-spektroskopi. Fra EBSD så man at det var oppstått en finkornet flerkrystall med sterk retningspreferanse for krystallkornene. Størrelsen på krystallkornene kunne ikke avgjøres, men det var en tydelig sammenheng mellom oppdaget krystallinitet og mønsteret på sprekkdannelsen. Raman-spektroskopi oppdaget ikke krystallfaser fra andre stoffer enn silisium, og viste en større uorden i atomanordningen i krystallen til PLM-prøvene i forhold til uimplantert silisiumwafer. Raman-spektroskopi viste også at det var gjenværende stressm