Page - 76 - in Photovoltaic Materials and Electronic Devices

Materials  2016,  9,  128  10  of  23    Figure  3.  Spectra  in  ε  (top  panel,  real  part  ε1;  bottom  panel,  imaginary  part  ε2)  from  0.04  to  5.0  eV  for  a  3010     2  Å  thick  ZnO  film  on  Ag,  with  ε  for  ZnO  parameterized  using  a  combination  of  two  CPPB  and  three  Lorentz  oscillators  with  parameters  listed  in  Table  4.  The  inset  shows  high‐energy  electronic  transitions  in  ε2.    Table  4.  Parameters  describing  ε  and  structure  for  a  ZnO  film  deposited  in  a  ZnO/Ag  back  reflector  (BR).  Experimental  ellipsometric  spectra  were  collected  ex  situ  using  near  infrared  to  ultraviolet  (0.734  to  5.0  eV)  and  infrared  (0.04  to  0.734  eV)  spectral  range  instruments  and  fit  jointly  using  least  squares  regression  analysis  with  an  unweighted  estimator  error  function,     =  8  x  10−3.  Parameters  describing  ε  for  Ag  and  the  ZnO  +  Ag  interface  were  fixed  from  Tables  2  and  3,  respectively.  The  ZnO  bulk  layer  thickness  was  allowed  to  vary  separately  for  each  set  of  ellipsometric  spectra;  all  other  parameters  are  common  to  both  analyses.  For  ZnO,  the  parameterization  of  ε  consisted  of  two  CPPB  oscillators,  three  Lorentz  oscillators,  and  ε .    Layer  Oscillators  ZnO  db  (Near  IR  to  UV)  =  2996  ±  2  Å    db  (IR)  =  3025  ±  2  Å  ds  =  84  ±  1  Å  CPPB  (μ  =  0.5) ε   =  2.43  ±  0.01  A  (Unitless)     (eV)  En  (eV)  Ө  (degrees)  2.82  ±  0.02  0.209  ±  0.002  3.364  ±  0.001   20.8  ±  0.4  1.23  ±  0.02  3.95  ±  0.03  3.94  ±  0.02  0  Lorentz  0.75  ±  0.05  0.196  ±  0.005  0.264  ±  0.002  ‐  3.17  ±  0.03  0.169  ±  0.007  0.134  ±  0.001  ‐  46  ±  2  0.0093  ±  0.0004  0.0501  ±  0.0002  ‐  3.2.  RTSE  Monitoring  of  Si:H  in  n‐i‐p  Solar  Cell  Devices  The  films  used  to  develop  growth  evolution  diagrams  for  doped  and  undoped  Si:H  deposited  in  the  glass  substrate/BR/n‐i‐p  a‐Si:H  device  configuration  were  grown  as  a  function  of  R  in  an  effort  to  probe  the  subtle  fluctuations  expected  as  the  material  transitions  from  amorphous  to  nanocrystalline  [31,55].  A  distinct  type  of  roughening  transition  is  reported  in  which  crystallites  nucleate  from  the  growing  amorphous  phase.  Because  of  the  low  crystallite  nucleation  density  as  observed  by  Fujiwara  et  al.  and  Ferlauto  et  al.  [4,31],  the  growth  of  crystalline  protrusions  produce  a  roughness  layer  that  increases  promptly  when  compared  to  increases  in  bulk  layer  thickness.  Thus,  the  onset  of  roughening  identifies  a  transition  to  mixed‐phase  amorphous+nanocrystalline  Figure3. Spectra in ε (toppanel, realpart ε1; bottompanel, imagi arypart ε2) from 0.04 to 5.0 eV for a 3010˘2 Å thick ZnO film on Ag, with ε for ZnO parameterized using a combination of two CPPB and three Lorentz oscillators with parameters listed inTable4. The inset showshigh-energyelectronic transitions in ε2. Table 4. Parameters describing ε and structure for a ZnO film deposited in a ZnO/Ag back reflector (BR). Experimental ellipsometric spectra were collected ex situ using near infrared to ultraviolet (0.734 to 5.0 eV) and infrared (0.04 to 0.734eV)spectral range instrumentsandfit jointlyusing least squaresregression analysis with an unweighted estimator error function,σ= 8 x 10´3. Parameters describing ε for Ag and the ZnO + Ag interface were fixed from Tables 2 and 3 respectively. The ZnO bulk layer thickness was allowed to vary separately for each set ofellipsometric spectra; allother parameters are common toboth analyses. For ZnO, the parameterization of ε consisted of two CPPB oscillators, three Lorentz oscillators,and ε8. Layer Oscillators ZnO db (Near IRtoUV)=2996˘2Å db (IR) =3025˘2Å ds =84˘1Å CPPB(µ= 0.5) ε8= 2.43˘0.01 A (Unitless) Γ (eV) En (eV) Materials  2016,  9,  128  9  of  23  Table  3.  Parameters  describing  ε  and  structure  for  a  ZnO  film  deposited  on  Ag  and  the  ZnO  +  Ag  interface  formed.  Experimental  ellipsometric  spectra  were  collected  in  situ  after  deposition  at  room  temperature  in  the  spectral range  from  0.734  to  5.0  eV  and  fit  using  least  squares  regression  analysis  with  an  unweighted  estimator  error  function,     =  7  ×  10−3.  Parameters  describing  ε  for  Ag  were  fixed  from  Table  2.  For  ZnO,  the  parameterization  of  ε  consisted  of  two  CPPB  oscillators,  a  Sellmei r  oscillator,  and  ε .  For  the  ZnO  +  Ag  interface,  the  parameterization  of  ε  consisted  of  a  Drude  oscillator,  a  Lorentz  oscillator,  and  ε .    Layer  Oscillators  ZnO  db  =  3060  ±  3  Å  ds  =  80  ±  1  Å  CPPB  (μ  =  0.5)  ε =  2.27  ±  0.01  A  (Unitless)     (eV)  En  (eV)  Ө  (degrees)  2.63  ±  0.02  0.199  ±  0.002  3.363  ±  0.001   20.1  ±  0.5  1.41  ±  0.02  3.83  ±  0.08  4.36  ±  0.03  0  (fixed)  Sellmeier  A  (eV2)     (eV)  En  (eV)  0.080  ±  0.002  ‐  0  ZnO/Ag  Interface  =  108  ±  11  Å  Lorentz  ε =  1  A  (Unitless)     (eV)  E0  (eV)  2.8  ±  0.2  0.57  ±  0.05  2.83  ±  0.01  Drude     (   cm)     (fs)  3.7  ±  0.5  x10−5  2.7  ±  0.3  3.1.2.  Phonon  Modes  in  ZnO  The  analysis  was  extended  to  the  IR  by  fitting  parameters  defining  ε  for  ZnO  only  and  fixing  those  defining  ε  for  Ag  and  the  ZnO  +  Ag  interface  as  well  as  the  interface  layer  thickness.  This  analysis  approach  was  chosen  because  free  carrier  absorption  represented  by  the  Drude  feature  dominates  the  IR  response  of  Ag  and  the  ZnO  +  Ag  interface  layers  and  is  already  established  from  near  IR  to  UV  spectral  range  analysis.  A  common  parameterization  of  ε  for  the  ZnO  was  applied  for  the  data  collected  from  the  two  instruments  with  spectral  ranges  from  0.04  to  0.734  eV  and  0.734  to    5.0  eV,  respectively,  although  the  bulk  ZnO  layer  thickness  was  allowed  to  vary  for  the  ellipsometric  grees) 2.82˘0.02 0.209˘0.002 3. 64˘ .001 ´ .8˘ 4 1.23˘0.02 3.95˘0.03 3.94˘0.02 0 Lor ntz 0.75˘0.05 0.196˘0.005 0.264˘0.002 - 3.17˘0.03 0.169˘0.007 0.134˘0.001 - 46˘2 0.0093˘0.0004 0.0501˘ 0.0002 - 3.2. RTSEMonitoringofSi:H inn-i-pSolarCellDevices Thefilmsusedtodevelopgrowthevolutiondiagramsfordopedandundoped Si:H deposited in the glass substrate/BR/n-i-p a-Si:H device configuration were 76