Plasmon-induced photocurrent generation in metal-semiconductor devices with nanofabricated inverted pyramid arrays

Un dels reptes principals per aprofitar la regió de l'infraroig pròxim (NIR) de l'espectre solar que és malgastada per qualsevol cèl·lula solar, a causa de la limitació en la bretxa prohibida que impedeix la generació fotovoltaica, és explotar formes alternatives de generació de fotocorrent. Malgrat el gran potencial mostrat per les arquitectures fotòniques/plasmòniques quant a les seves prestacions optoelectròniques, la seva implementació en dispositius és impedida per la poca eficiència en generació de fotocorrent i per les tècniques de fabricació costoses i poc rendibles que comporten. Per això, aquesta tesi està dedicada al disseny i desenvolupament de captadors de llum NIR per a millorar la generació de fotocorrent utilitzant metodologies escalables de nanoestructuració com la litografia de nanoimpressió suau (NIL). La transparència del silici en el NIR permet el disseny de nano/microestructures implementables en dispositius que aprofiten la part infraroja de l'espectre solar. Aquí presentem una estratègia amb patrons de piràmides de silici invertides cobertes amb una fina pel·lícula d'or, que presenten absorció substancial de la llum en el NIR, a la bretxa del Si. L'absorció prové de l'excitació ressonant dels plasmons superficials a la interfície metall/dielèctric. Per optimitzar tan mida com separació de les piràmides invertides s'iteren les simulacions per diferències finites en domini temporal (FDTD) i mesures de la resposta infraroja per transformada de Fourier. Les distribucions de camp proper calculades s'analitzen específicament buscant la presència de punts calents, és a dir, regions de mida nanomètrica de fort augment del camp electromagnètic adequades per a la generació d'electrons calents. També s'implementa l'evaporació en angle oblic per fabricar piràmides amb un nombre parcial de facetes cobertes d'or, que mostren comportaments similars a les piràmides completament cobertes (de 4 facetes), però que, a causa de la menor simetria, presenten punts calents intensos en l'àpex de les piràmides de 3 facetes. La resposta òptica dels dispositius de 3 i 2 facetes depèn fortament de la polarització lineal de la llum incident, la qual cosa proporciona un paràmetre addicional a la geometria del patró per sintonitzar la seva resposta. Les simulacions numèriques mostren que a les piràmides de 3 facetes petites (200 -300 nm), els vectors de camp elèctric als punts calents són perpendiculars a la superfície del metall, fet indispensable per a l'emissió