Nanostructures for solar cells: controlling the surface electronic properties by monolayers of carborane molecules

Abstract

Doped layers of crystalline silicon are currently the main driver of con- ventional photovoltaic devices. Direct introduction of group III and V atoms into the silicon matrix is still the mainstream of mass production of doped silicon. In this thesis, we are interested in non-invasive ways of doping of silicon wafers through the adsorption of molecules with a large intrinsic dipole moment on the semiconductor surface. These molecules, namely carboranedithiols, create a self-assembled monolayer accompanied by the surface dipole formation. In order to stabilise the dipole layer, an interfacial charge transfer can occur between the adsorbate and the substrate, modifying the density of accumulated charge carriers just below the silicon surface. These are the fundamen- tal features of the surface transfer doping of the silicon substrate where we employ the carboranedithiol molecules as mediators of adsorbing dipole layer. Regarding the structure of the thesis, we first test the carboranedithiol molecules on gold, and then we move on to the issue of silicon-molecule junctions. We characterise the geometry and the electronic properties of the carboranedithiol molecules on both of these substrates by means of atomistic simulations based on a density functional theory.

Dopované vrstvy krystalického křemíku jsou v současnosti hlavním hnacím motorem konvenčních fotovoltaických zařízení. Přímé zavádění atomů skupiny III a V do křemíkové matrice je stále hlavním proudem hromadné výroby dopovaného křemíku. V této práci se zabýváme neinvazivními způsoby dopování křemíkových destiček prostřednictvím adsorpce molekul s velkým vnitřním dipólovým momentem na povrchu polovodiče. Tyto molekuly, konkrétně karborandithioly, vytvářejí samouspořá- danou monovrstvu doprovázenou tvorbou povrchového dipólu. Za účelem stabilizace dipólové vrstvy může mezi adsorbátem a substrátem dojít k přenosu náboje na rozhraní, který pozměňuje hustotu akumulovaných nosičů náboje těsně pod povrchem křemíku. To jsou základní rysy povrchového transferového dopování křemíkového substrátu, kde využíváme molekuly karborandithiolu jako zprostředkovatele adsorbující dipólové vrstvy. Pokud jde o strukturu práce, nejprve testujeme molekuly karborandithiolu na zlatě a poté přejdeme k problematice spojení křemíku s molekulou. Pomocí atomis- tických simulací založených na teorii funkcionálu hustoty charakterizujeme geometrii a elektronické vlastnosti molekul karborandithiolu na obou těchto...