用开尔文探针力显微镜测量Si纳米线径向结局部开路电压

摘要

本研究展示开尔文探针力显微镜（KPFM）如何通过表面光伏（SPV）映射准确提取硅纳米线（SiNW）径向结（RJ）器件的开路电压（V_OC）。完全制造的RJ SiNW太阳能电池初步实验显示SPV值与常规V_OC测量差异小于5%。后续对单根无ITO的RJ SiNW测量揭示探针遮影严重偏差SPV读数。通过优化探针几何和照明方向，获得随光功率对数缩放且与器件V_OC保持线性关系的SPV曲线。结果证实非接触、纳米级SPV探测可行于单器件光伏性能评估。

引言

半导体纳米结构，特别是径向结纳米线阵列，有望在光捕获和载流子收集上显著增益，潜在超越平面架构。硅纳米线RJ在薄膜平台上已实现接近9.6%效率。然而，评估单个纳米线光电行为仍是器件优化的关键挑战。

我们用KPFM探测RJ SiNW局部V_OC。虽然KPFM推导的V_OC在平面光伏上已验证，但其在纳米结构器件上的应用非平凡，因需要分别进行暗和光照测量以捕获表面光伏（SPV）。

第一策略检查包含ITO顶接触的完整RJ SiNW电池，跨照明功率范围比较常规电流-电压（I-V）数据与KPFM推导SPV。第二策略聚焦孤立RJ SiNW（无ITO）研究探针几何和照明角度对SPV提取的影响。最后，宏观开尔文探针测量提供孤立和完整器件的光谱SPV数据（SPS）。

材料与方法

SiNW生长与径向P-I-N结器件制备

RJ SiNW在ZnO:Al涂层Corning玻璃（Cg）上用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）于500 °C生长，Sn纳米颗粒催化剂。在p型SiNW核心上于175 °C沉积共形本征层（80 nm）和n型层（10 nm）氢化非晶硅（a-Si:H）。完成器件溅射沉积4 mm直径ITO顶接触。完整制备细节见文献[1, 5–7]。

开尔文探针与表面光伏

我们采用幅度调制（AM）KPFM，因其在扫描地形丰富纳米线时优于频率调制（FM）。测量在HORIBA/AIST-NT TRIOS平台进行，配备1310 nm激光束偏转系统（LBBDS）以最小化光激发伪影。系统提供顶部、侧面、底部三种照明物镜。

SPV通过暗接触势差（CPD）减去光照CPD获得，该技术已证实可提取V_OC。照明由OXXIUS 488 nm激光二极管提供，功率可变。

使用两种导电AFM探针：ARROW-EFM（标准探针）和ATEC-EFM（倾斜探针），均为掺杂硅悬臂涂PtIr。

宏观开尔文探针测量用2 mm钢针和卤素灯单色仪（400–1000 nm）补充纳米级数据，实现定性表面光伏光谱（SPS）。

宏观I-V测量结合KPFM

完整器件用KEITHLEY 2450源表和微定位器定位的钨针在相同AFM装置上进行I-V表征，记录暗和光照（488 nm，70–1000 µW）I-V曲线。

结果与讨论

首先评估AFM LBBDS波长影响。TRIOS（1310 nm）和外部AFM（690 nm）测得的宏观I-V曲线暗态下差异可忽略，1310 nm光束激活时V_OC偏移0.5 mV，I_SC偏移1 nA。相反，690 nm光束诱导显著光伏响应（545 mV V_OC，28 µA I_SC），凸显近红外LBBDS对暗测量的重要性。

图3展示70、150、270、560 µW照明下I-V特性，显示I_SC和V_OC随光强增加。伴随KPFM映射显示地形、暗CPD和光照CPD（488 nm，270 µW）。纳米线边缘CPD变化（~±10 mV）归因于地形诱导伪影；从纳米线顶部提取值用于后续分析。

图4比较两器件I-V得V_OC与KPFM得SPV随照明功率变化。最大偏差70 µW处<5%，高功率处<2%。两曲线均呈对数趋势（500–600 mV），理想因子分别为1.5±0.1（器件1）和1.75±0.25（器件2），与文献a-Si:H P-I-N结一致。

孤立RJ SiNW SPV测量凸显遮影效应。ARROW探针顶部照明得低SPV值（图5a，方块）斜率~0.4。改用倾斜ATEC探针SPV提升40%（图5b，三角）。ARROW探针改侧面照明（图5c，蓝点）进一步改善SPV，但仍低于完整器件。完整电池无遮影，因ITO层使光伏跨多纳米线均匀化。

捆绑孤立器件定性SPS（图6a）显示近红外（800–1000 nm）显著SPV（80–260 mV），而完整器件800 nm以下SPV可忽略。相反，完整器件在630 nm急剧上升达560 mV，但在NIR低于10 mV。从完整器件蚀刻去除ITO层即刻大幅降低SPV（400–750 nm），但72 h后恢复接近孤立NW水平。这些发现证实ITO/a-Si:H界面对高V_OC至关重要；其缺失限制带弯曲和SPV幅度。

总体而言，KPFM局部SPV映射为完整RJ SiNW器件提供可靠V_OC代理，而孤立NW因探针遮影和缺乏ITO接触显示SPV降低。

结论

完整RJ SiNW电池同步I-V和KPFM研究证实KPFM提取的SPV与常规测量V_OC高度吻合。相反，孤立RJ SiNW因探针遮影显示SPV降低；优化探针形状和照明方向缓解此效应但不完全恢复完整器件V_OC。SPS实验证明ITO/a-Si:H界面对高光伏电压必不可少；孤立NW缺失该界面限制带弯曲和SPV。尽管如此，局部SPV与器件V_OC线性相关验证了非接触、纳米级SPV作为评估单个SiNW结光伏性能的有力工具。

数据与材料可用性

本研究使用和/或分析的数据集可向通讯作者合理请求获取。

缩略语

AFM

原子力显微镜

AM

幅度调制

a-Si:H

氢化非晶硅

Cg

Corning玻璃

CPD

接触势差

FM

频率调制

ITO

氧化铟锡

I-V

电流-电压

KPFM

开尔文探针力显微镜

LBBDS

激光束偏转系统

n

理想因子

NW

纳米线

PECVD

等离子体增强化学气相沉积

PV

光伏

RJ

径向结

SiNW

硅纳米线

SPS

表面光伏光谱

SPV

表面光伏

V_OC

开路电压