Development of nanocarbon thin films for all-carbon photovoltaics

用于全碳光伏发电的纳米碳薄膜的开发

基本信息

批准号：
17F17380
负责人：
吉武剛
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-11-10 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

超ナノ微結晶ダイヤモンド/水素化アモルファスカーボン混相（UNCD/a-C:H)膜は，粒径10 nm程度の無数のナノ微結晶ダイヤモンド（UNCD)が水素化アモルファスカーボン（a-C:H)マトリックスに内在する構造をとり，膜中に無数のUNCDの界面・粒界が存在し，それを起源とする特異な光・電子状態が発現する等の特徴を有する。本研究では、UNCD/a-C:Hによる光電変換素子の実現を目指した。同軸型アークプラズマ堆積法により窒素ドープ膜をp型Si基板に作製して，ヘテロ接合ダイオードを作製した。さらに，それらのダイオードのI-V特性を測定し，シミュレーションによりダイオード特性を詳細に解析した。実験結果はシミュレーションでうまく再現され，界面欠陥密度に加えて，ミッドギャップアクセプターライクな欠陥状態密度が支配的な欠陥であることがわかった。アンドープ層をi層として挿入してpin型にするとリーク電流が大幅に減少し，その結果UVダイオードとしての性能が向上することがわかった。UNCD/a-C:H膜の光学パラメーターを，エリプソメトリーによって正確に調べた。実験データは、異なる振動子モデルの線形結合を使用することでフィッティングされ再現された。屈折率の値が可視領域で1.9から2.05まで変化することを明らかにした。吸光係数の値は、DLCフィルムの値に近く、光学バンドギャップは約1.63 eVであった。ESR測定により、膜中に大量の欠陥が存在することが明らかになり，これが吸収遷移に寄与している可能性があることがわかった。ホモ接合を試みたが，前述した界面準位のためか，ホモ接合ではきれいな整流特性をえることが出来なかった。UNCD/a-C:Hにおけるp型，n型化は，単結晶の半導体材料に対するものとは異なっていると思われ，ビルトインポテンシャルが立ちにくい可能性がある。

超纳米微晶金刚石/氢化非晶碳混合相（UNCD/a-C:H）薄膜由无数晶粒尺寸约为10 nm的纳米微晶金刚石（UNCD）嵌入氢化非晶碳（a-C:H）中组成。该薄膜具有许多UNCD界面和晶界，并且独特的光学和电子状态源自这些边界。在这项研究中，我们的目标是利用UNCD/a-C:H实现光电转换器件。采用同轴电弧等离子体沉积方法在p型Si衬底上制备氮掺杂薄膜，制备异质结二极管。此外，还测量了这些二极管的I-V特性，并通过仿真对二极管特性进行了详细分析。通过模拟成功再现了实验结果，发现除了界面缺陷密度之外，中间能隙受体状缺陷态密度是主要缺陷。结果发现，通过插入未掺杂层作为i层使其成为pin型，漏电流显着降低，从而提高了作为UV二极管的性能。通过椭圆光度法精确研究了UNCD/a-C:H薄膜的光学参数。通过使用不同振荡器模型的线性组合来拟合和再现实验数据。结果表明，在可见光区域折射率值在1.9至2.05之间变化。消光系数值与DLC薄膜接近，光学带隙约为1.63 eV。 ESR 测量显示薄膜中存在大量缺陷，这可能有助于吸收跃迁。我们尝试使用同质结，但也许由于上述界面态的原因，我们无法使用同质结获得良好的整流特性。 UNCD/a-C:H 中的 p 型和 n 型转换被认为与单晶半导体材料不同，并且内建电势可能难以确定。

项目成果

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科研奖励数量（0）

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专利数量（0）

Photoconduction of p-type Ultrananocrystalline Diamond/Hydrogenated Amorphous Carbon Composite Films in Metal-Semiconductor-Metal Geometry

金属-半导体-金属几何结构中p型超纳米晶金刚石/氢化非晶碳复合薄膜的光电导

DOI：
发表时间：
2018
期刊：
J. Phys. Conf. Series
影响因子：
0
作者：
Takanori Hanada;Shinya Ohmagari;Abdelrahman Zkria;and Tsuyoshi Yoshitake
通讯作者：
and Tsuyoshi Yoshitake

Optical and structural characterization of ultrananocrystalline diamond/hydrogenated amorphous carbon composite films deposited via coaxial arc plasma

DOI：
10.1016/j.cap.2018.11.012
发表时间：
2019-02
期刊：
Current Applied Physics
影响因子：
2.4
作者：
Abdelrahman Zkria;F. Abdel-Wahab;Y. Katamune;T. Yoshitake
通讯作者：
Abdelrahman Zkria;F. Abdel-Wahab;Y. Katamune;T. Yoshitake

North Carolina State University(米国)

北卡罗来纳州立大学（美国）

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

UV Laser-Induced Boron Incorporation to Singlecrystalline Diamond

紫外激光诱导硼掺入单晶金刚石

DOI：
发表时间：
2018
期刊：
影响因子：
0
作者：
Eslam Abubakr;Abdelrahman Zkria;Yuki Katamune;Shinya Ohmagari;Hiroshi Ikenoue;and Tsuyoshi Yoshitake
通讯作者：
and Tsuyoshi Yoshitake

Laser-induced phosphorus doping for singlecrystalline diamond in phosphoric acid liquid

磷酸液中激光诱导单晶金刚石磷掺杂

DOI：
发表时间：
2019
期刊：
J. Phys. Conf. Series
影响因子：
0
作者：
Eslam Abubakr;Yuki Katamune;Abdelrahman Zkria;Hiroshi Ikenoue;and Tsuyoshi Yoshitake
通讯作者：
and Tsuyoshi Yoshitake