Development of new atomic force microscopy methods to investigate interfaces of semiconductor materials

Abstract

This PhD Thesis investigates nanoscale structures in semiconductor devices and their structure property relationships, with a particular focus on perovskite solar cells (PSCs). Over the past two decades, PSCs have attracted significant attention due to their high power conversion efficiency (PCE) and low production costs, positioning them as promising alternatives to traditional silicon solar cells. However, to fully exploit their potential for commercial applications, a fundamental understanding of their nanoscale physical properties is essential. Features such as grain boundaries (GBs) and crystal lattice and interfacial defects has been observed to function as recombination centers for charge carriers. This property is critical to the functionality of the device. However, direct visualization at this scale has remained challenging. The aim of this PhD Thesis is to develop tools and methods that enable a deeper understanding through visualization of promising semiconductor materials and their buried interfaces at the nanoscale. This knowledge will facilitate targeted engineering of surfaces and defects to optimize device performance without compromising efficiency. To probe electronic properties at the nanoscale, I employed conventional Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) alongside two newly developed Atomic Force Microscopy (AFM) techniques based on Electrostatic Force Microscopy (EFM) principles. The first method, nanoscale surface photovoltage spectroscopy (nano-SPV), enables the study of charging and discharging processes in PSCs. The second method, multi-frequency heterodyne Electrostatic Force Microscopy (MFH-EFM), enhances the spatial resolution of the second capacitance derivative signal, allowing for more detailed investigation of interfaces in semiconductor devices. As demonstrated by KPFM measurements, passivation molecules have been found to preferentially accumulate at grain boundaries, where dangling bonds are present. Utilizing tr-KPFM and the newly developed nano-SPV method has revealed that surface passivation not only leads to more homogeneous extraction and recombination of charge carriers but also increases recombination times, indicating fewer defects that hinder carrier extraction. The novel MFH-EFM method enabled superior localization of dielectric properties compared to standard approaches and the possibility to do dielectric spectroscopy. This PhD thesis presents new functional methods with improved resolution for the AFM and further improves the versatility of the EFMs for nanocharacterization of new energy materials.

Diese Dissertation untersucht nanoskalige Strukturen in Halbleiterbauelementen und deren Struktur-Eigenschafts-Beziehungen, mit dem Hauptfokus auf Perowskit-Solarzellen (PSCs). PSCs haben sich in den letzten Jahren durch hohe Energieumwandlungseffizienz (PCE) und niedrige Produktionskosten als vielversprechende Alternative zu Siliziumsolarzellen etabliert. Für ihr volles Potenzial ist ein grundlegendes Verständnis ihrer nanoskaligen Eigenschaften entscheidend. Merkmale wie Korngrenzen (GBs) und Kristallgitterdefekte fungieren als Rekombinationszentren für Ladungsträger, aber eine direkte Visualisierung auf dieser Skala ist bisher nicht möglich. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Werkzeugen, die ein tieferes Verständnis vielversprechender Halbleitermaterialien auf der Nanoskala ermöglichen und so ein gezieltes Design von Oberflächen und Defekten zur Optimierung der Leistungsfähigkeit ohne großen Effizienzverlust zu optimieren. Um die elektronischen Eigenschaften auf der Nanoskala zu unter suchen, wurden neben konventioneller Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie (KPFM) zwei neuartige Rasterkraftmikroskopie-Techniken (AFM) eingesetzt, die auf elektrostatischer Kraftmikroskopie (EFM) basieren: Die nanoskalige Oberflächen-Photospannungs-Spektroskopie (nano-SPV) ermöglicht die Analyse von Lade- und Entladevorgängen in PSCs, während die multifrequente heterodyne EFM (MFH-EFM)-Methode die räumliche Auflösung Grenzflächenuntersuchung verbessert, indem es das zweite Kapazitätsableitungssignal nutzt. Wie durch KPFM-Messungen nachgewiesen wurde, sammeln sich Passivierungsmoleküle bevorzugt an Korngrenzen an, wo ungesättigte Bindungen vorhanden sind. Durch den Einsatz von tr-KPFM und der neu entwickelten nano-SPV-Methode wurde ferner festgestellt, dass die Oberflächenpassivierung nicht nur zu einer homogeneren Extraktion und Rekombination von Ladungsträgern führt, sondern auch die Rekombinationszeiten verlängert, was auf weniger Defekte hinweist, die die Ladungsträgerextraktion behindern. Die neuartige MFH-EFM-Methode ermöglichte eine im Vergleich zu Standardverfahren überlegene Lokalisierung dielektrischer Eigenschaften und die Durchführung dielektrischer Spektroskopie. Diese Dissertation stellt neue funktionelle Methoden mit verbesserter Auflösung für das AFM vor und verbessert die Vielseitigkeit von EFMs für die Nanokarakterisierung neuer Energiematerialien.