Low Temperature Processing Route of Silicon Nanoparticle Layers for Solar Cell Application

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-100092
  • Generation of the greenhouse gases and hence the environmental problems originate from the burning of fossil fuels to meet the need of energy demands of contemporary society is alarming. To solve or at least mitigate the environmental problems, energy from the solar cell is envisioned which is not only cost-effective but also very clean. The manufacturing cost of solar cells by conventional techniques using crystalline silicon is still very high. The development of the printing technologies using semiconducting nanoparticles comes up being the optimal strategy as cost effective solution of solar cells production. This liquid phase processing of nanoparticles is also advantageous for largeGeneration of the greenhouse gases and hence the environmental problems originate from the burning of fossil fuels to meet the need of energy demands of contemporary society is alarming. To solve or at least mitigate the environmental problems, energy from the solar cell is envisioned which is not only cost-effective but also very clean. The manufacturing cost of solar cells by conventional techniques using crystalline silicon is still very high. The development of the printing technologies using semiconducting nanoparticles comes up being the optimal strategy as cost effective solution of solar cells production. This liquid phase processing of nanoparticles is also advantageous for large area, light weight and flexible devices production. The reported results of inorganic nonmaterial based solar cell from group II-VI or their combinations are quite promising at first sight but the toxic nature of elements i.e. Pb, Cd, ZnO etc. are extremely dangerous for the environment. In contrast to these materials, silicon nanoparticles can be a preferred choice. The historical importance of silicon in electronic devices and solar cells, their use under inorganic material regime is quite attractive owing to its non-toxicity, chemical stability and abundant availability on Earth after oxygen. The main objective of the present research work is to use silicon nanoparticles for the development of active layers for solar cell application using printing techniques. Therefore, silicon nanoparticles with a mean diameter of dSiNP, SEM = 70 nm were treated with HF as the initial step followed by functionalization by appropriate ligand molecules. Different molecules were grafted on silicon nanoparticle surface and properties were evaluated using various techniques. These include; Fourier transformation infrared spectroscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, x-ray diffraction technique and UV-vis spectroscopy. A dispersion of functionalized silicon nanoparticles were prepared in toluene having particle concentration of CSi = 5% vol. followed by layers preparation for device fabrication using doctor blade. Simple devices were fabricated by printing thin films of functionalized silicon nanoparticles followed by electronic characterization and results were compared. On the basis of the obtained results it has been demonstrated for the first time that silicon nanoparticle is functionalized with a ligand that helps in hole conduction and hence change the behaviour of silicon nanoparticles as p-type semiconductor.show moreshow less
  • Die Entstehung der Treibhausgase und damit die Umweltprobleme entstehen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, um den Energiebedarf der heutigen Gesellschaft zu decken, ist alarmierend. Um die Umweltprobleme zu lösen oder zumindest zu verringern, wird Energie aus der Solarzelle angestrebt, die nicht nur kostengünstig, sondern auch sehr sauber ist. Die Herstellungskosten von Solarzellen durch herkömmliche Techniken unter Verwendung von kristallinem Silizium sind immer noch sehr hoch. Die Entwicklung der Drucktechnologien mit halbleitenden Nanopartikeln ist die optimale Strategie als kostengünstige Lösung der Solarzellenproduktion. Diese Flüssigphasenverarbeitung von Nanopartikeln istDie Entstehung der Treibhausgase und damit die Umweltprobleme entstehen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, um den Energiebedarf der heutigen Gesellschaft zu decken, ist alarmierend. Um die Umweltprobleme zu lösen oder zumindest zu verringern, wird Energie aus der Solarzelle angestrebt, die nicht nur kostengünstig, sondern auch sehr sauber ist. Die Herstellungskosten von Solarzellen durch herkömmliche Techniken unter Verwendung von kristallinem Silizium sind immer noch sehr hoch. Die Entwicklung der Drucktechnologien mit halbleitenden Nanopartikeln ist die optimale Strategie als kostengünstige Lösung der Solarzellenproduktion. Diese Flüssigphasenverarbeitung von Nanopartikeln ist auch vorteilhaft für die Herstellung von großflächigen, leichten und flexiblen Geräten. Die berichteten Ergebnisse anorganischer nichtmaterialbasierter Solarzellen aus der Gruppe II-VI oder deren Kombinationen sind auf den ersten Blick vielversprechend, aber die toxische Natur von Elementen wie zum Beispiel Pb, Cd, ZnO sind extrem gefährlich für die Umwelt. Im Gegensatz zu diesen Materialien können Silizium-Nanopartikel eine bevorzugte Wahl sein. Denn Silizium hat sich im Laufe der Geschichte in elektronischen Bauelementen und Solarzellen bewiesen (oder für gut erwiesen). Außerdem ist Verwendung von Silizium mit anorganischem Material aufgrund ihrer Ungiftigkeit, chemischen Stabilität und Verfügbarkeit auf der Erde ziemlich attraktiv. Das Hauptziel der vorliegenden Forschungsarbeiten ist die Verwendung von Silizium-Nanopartikeln, damit die aktive Schichten für die Anwendung der Solarzellen mittels Drucktechniken entwickelt werden können. Daher wurden Silizium-Nanopartikel mit einem mittleren Durchmesser von dSiNP, SEM = 70 nm mit HF als initialem Schritt behandelt, gefolgt von der Funktionalisierung durch geeignete Ligandenmoleküle. Verschiedene Moleküle wurden auf die Silizium-Nanopartikel-Oberfläche aufgepfropft und die Eigenschaften wurden unter Verwendung verschiedener Techniken und zwar Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Röntgenbeugungstechnik und UV-Vis-Spektroskopie untersucht und ausgewertet. Eine Dispersion von funktionalisierten Silizium-Nanopartikeln in Toluol mit einer Partikelkonzentration von CSi = 5% vol, und eine Schichten-Präparation für die Herstellung von Geräten wurde unter Verwendung von doctor Blade hergestellt. Es wurden einfache Geräte hergestellt, indem dünne Filme aus funktionalisierten Silizium-Nanopartikeln gedruckt wurden, gefolgt von einer elektronischen Charakterisierung. Danach wurden die Ergebnisse verglichen. Auf der Grundlage der erhaltenen Ergebnisse wurde zum ersten Mal gezeigt, dass Silizium-Nanopartikel mit einem Liganden, der die Lochleitung unterstützt und daher als p-typ Silizium-Nanopartikel angesehen wird, funktionalisiert worden sind.show moreshow less

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Metadaten
Author:Atif Makhdoom
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-100092
Title Additional (German):Niedertemperaturprozessierung von dünnen Filmen aus Silizium Nanopartikel und deren Anwendung in der Photovoltaik
Referee:Christoph J. Brabec
Advisor:Christoph J. Brabec
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2018
Date of online publication (Embargo Date):2018/10/17
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2018/10/15
Release Date:2018/10/22
Tag:printable silicon solar cells
SWD-Keyword:Silicium; Nanopartikel
Length/size:vi, 145 S.
Institutes:Technische Fakultät
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 4.0 International
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