A study of absorption coefficient spectra in a-Si : H films near the transition from amorphous to crystalline phase measured by resonant photothermal bending spectroscopy

Title

A study of absorption coefficient spectra in a-Si : H films near the

transition from amorphous to crystalline phase measured by

resonant photothermal bending spectroscopy( 本文(Fulltext) )

Author(s)

YOSHIDA, Norimitsu; SHIMIZU, Yasuko; HONDA, Takashi;

_{YOKOI, Toshiaki; NONOMURA, Shuichi}

Citation

[Journal of Non-Crystalline Solids] vol.[354] no.[19-25] p.[2164]

_-[2166]

Issue Date

2008-05-01

Rights

Version

著者最終稿 (author final version) postprint

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12099/26401

A study of absorption coefficient spectra in a­Si:H films

near the transition from amorphous to crystalline phase 

measured by resonant photothermal bending spectroscopy

Norimitsu Yoshida*, Yasuko Shimizu, Takashi Honda, Toshiaki Yokoi and Shuichi Nonomura *Environmental and Renewable Energy Systems Division, Graduate School of Engineering,  National University Corporation GIFU UNIVERSITY, Yanagido 1­1, Gifu 501­1193, JAPAN TEL & FAX: +81­58­293­2683, E­Mail: n­yoshi@gifu­u.ac.jp Abstract Optical absorption spectra of a widegap hydrogenated amorphous silicon film have been  estimated by resonant photothermal bending spectroscopy. It is found that excess absorption exists 

over  the  photon  energy  region  of  1.2  ­  1.6  eV.  This  excess  absorption  decreases  by  light 

illumination and does not recover through thermal annealing. The decrease in the excess absorption 

may be due to oxidization of the film by light illumination.

PACS: 71.23.Cq, 78.55.Qr Manuscript

Introduction

Hydrogenated  amorphous  silicon  (a­Si:H)  thin  films  deposited  near  the  transition  from 

the amorphous to crystalline phase (widegap a­Si:H) [1,2] is a promising material for the intrinsic 

layer  of the  top cell  in tandem­type  solar  cells. By  application  of such a  material  as the intrinsic 

layer in solar cells, weaker photodegradation and higher open circuit voltages could be realized [2]. 

However, to the authors’ knowledge, optical absorption spectra from visible to near infrared region 

of  such  a  material  have  not  yet  been  reported.  Further,  investigations  of  the  relation  between 

photodegradation  [3]  and  optical  properties  of the  material  seems  to  be  important  from  the  view 

point of basic research as well as device applications.

We  have  previously  suggested  that  resonant  photothermal  bending  spectroscopy 

(resonant­PBS)  [4,5]  is  a  useful  tool  for  evaluating  optical  absorption  spectra  of  thin  film 

semiconductors. In this study, we have tried to apply this technique to widegap a­Si:H [1,2] for the 

first time for estimating absorption coefficient spectra !. Further, photoinduced effects on ! have 

been also investigated by this technique.

Experimental procedures

Si  thin  films  were  prepared  by  the  hot­wire  CVD  method  with  deposition  conditions 

including substrate temperature of 300 oC, filament temperature of 1700 oC and SiH4 gas pressure 

of 5 Pa. These are one set of deposition conditions in our apparatus used for preparing Si thin films 

to be about  1.9 eV by a Tauc  plot.  The thickness of the film was 0.55 "m. For measurements of 

optical absorption spectra, quartz glass plates with dimensions of 2 x 20 mm2 and a thickness of 0.1 

mm  were  employed  as  substrates,  which  means  that  the  sample  has  a  bimorph  structure like  a 

bimetal. For measurements of electrical conductivities, quartz glass plates with dimensions of 7 x 

20 mm2 and a thickness of 0.5 mm were also employed as substrates. 

Figure  1  shows  a  schematic illustration  of the  experimental  setup for  the resonant­PBS 

system. This technique is a kind of photothermal spectroscopy, such as photoacoustic spectroscopy 

(PAS) and photothermal deflection spectroscopy (PDS) [6]. In brief [4,5], when light illuminates a 

bimorph sample constructed from a thin film semiconductor and a quartz glass substrate, a bending 

occurs in the sample because of thermal expansion of the film due to non­radiative recombination 

of photoexcited carriers. The magnitude of the bending is proportional to optical absorbance of the 

film. Thus, we can estimate absorption spectra ! of thin film semiconductors. 

A  tungsten­halogen  lamp  was  used  as  the  visible  and  near  infrared  light  source.  The 

monochromatic light illuminated the sample with a chopping frequency of about 280 Hz, which is 

the  resonant  frequency  of  the  sample  itself.  The  bending  of  the  sample,  induced  by  the  optical 

absorption,  was detected by  the  optical  lever  method  as a  displacement of a  probe  beam  (He­Ne 

laser).  The probe beam  illuminates the  sample’s  free end and  a  position  sensitive  detector  (PSD) 

was employed for detecting the displacement of the reflected probe beam. The sample was kept in a 

vacuum of about 10­1 Pa during the resonant­PBS measurement using a specially designed optical 

The absorption coefficient ! (cm­1) [4,5] of the film at a photon energy of h"##is derived  from 

!(h") $%1

d

ln1% S(h")

S

_sat

&#

'#

(#

)#

*#

+#

(1)

Here,  S(h")  is  a  PBS  signal  and  Ssatis  the  value  in  the  saturated  region.  d  is  a  thickness  of  the 

sample.  The  absorption  coefficient !!(cm­1)  can  be  determined  directly  from  Eq.  (1)  and  was 

confirmed by fitting to the absorption coefficient obtained by the analysis of optical transmittance 

measurements.

For  experiments  on  the  photodegradation,  a  solar  simulator  with  an  intensity  of  100 

mW/cm2 _{and A.M.­1.5 was employed as a light source. The light illumination was performed in air}  at room temperature. Al co­planar electrodes were prepared on the Si thin film by the conventional  thermal evaporation method. The gap distance and the width were 60 "m and 3 mm, respectively. Results Optical absorption spectra of an a­Si:H film with a wide bandgap energy of about 1.9 eV  are shown in Fig. 2 by the solid line with solid circles. Those of a conventional a­Si:H film with a  bandgap energy of 1.75 eV and for a microcrystalline Si film [4,5] are also indicated by dashed and  solid lines, respectively. It is found that there exists extra absorption with interference fringes at 1.2 

~ 1.6 eV in the widegap a­Si:H film, an absorption coefficient !# being about 102 cm­1 at a photon 

hydrogenated microcrystalline Si ("c­Si:H) films.

Photoinduced  effects  in  the  widegap  a­Si:H  film  were  investigated.  The  film  was 

illuminated in air at room temperature for 1 h with an intensity of 100 mW/cm2 (AM­1.5). It was 

observed that absorption coefficients at 1.2 ­ 1.6 eV decrease under light illumination as shown in 

Fig. 3. For example, an absorption coefficient ! at a photon energy of 1.3 eV decreases from about 

102 cm­1 to 101 cm­1. It is noted that a similar phenomenon was observed in the "c­Si:H film (not 

shown) with low crystallinity (about 30 %) and thus this photoinduced change in absorption spectra 

seems  to occur in films with  amorphous structure. It should also be  noted that  this photoinduced 

change in absorption coefficient spectra was not recovered by thermal annealing of the sample at 

200 o_{C  for  1  h  in  a  vacuum  of  about  10}­1  _{Pa  (not  shown).  That  is,  the  decrease  of  absorption} 

coefficient ! by light illumination is an irreversible phenomenon with respect to thermal annealing. 

On the other hand, little photodegradation of the electrical conductivity was observed in this sample, 

the photoconductivity being 1.1 x 10­7 _{S/cm (not shown).}

Discusssion

It is known that absorption coefficients below the bandgap energy region in conventional 

a­Si:H  increase  due  to  light  illumination,  as  detected  by  PDS  [6,7].  This  phenomenon  is  usually 

interpreted in terms of an increase of dangling bond density in the film by light illumination. One 

possible explanation for the decrease of absorption coefficient in widegap a­Si:H shown in Fig. 3 is 

excess absorption at 1.2 ­ 1.6 eV in the widegap a­Si:H film as shown in Fig. 2 may be diminished 

through oxidization. Further, this interpretation could explain the irreversibility of the phenomenon 

with respect to thermal annealing.

However,  at  present,  the  origin  of  the  excess  absorption  in  widegap  a­Si:H  film  is  not 

clear.  Further  investigations  on  absorption  coefficient  spectra  and  its  photoinduced  effects, 

especially  employing  doped  widegap  a­Si:H  films,  may  clarify  the  energy  level  of  the  center 

causing the excess absorption in the material.

Conclusion

We  have  demonstrated  optical  absorption  spectra  of  an  a­Si:H  film  near  the  transition 

from  the  amorphous  to  the  microcrystalline  phase  and  its  photoinduced  change  by  resonant­PBS 

technique for the first time. It is found that there exists excess absorption at a photon energy region 

of 1.2 – 1.6 eV compared with those of a conventional a­Si:H film. Further, this absorption found to 

decrease by light illumination. The decrease of absorption may be explained by oxidization of the 

film under light illumination. 

Acknowledgements

This  work  was  partly  supported  by  NEDO  (The  Investigation  for  Innovative  PV 

Technology  of  METI),  the  Japan  Science  and  Technology  Agency  (JST)  and  Electric  Power 

References [1] D. V. Tsu, B. S. Chao, S. R. Ovshinsky, S. Guha, J. Yang, Appl. Phys. Lett. 71 (1997) 1317. [2] J. Koh, H. Fujiwara, R. W. Collins, Y. Lee, C. R. Wronski, J. Non­Cryst. Solids 227­230 (1998)  73. [3] D. L. Staebler and C. R. Wronski, Appl. Phys. Lett. 31 (1977) 292. [4] T. Kunii, K. Mori, J. Kitao, N. Yoshida, S. Nonomura, Rev. Sci. Instrum. 74 (2003) 881. [5] T. Kunii, N. Yoshida, Y. Hori, S. Nonomura, Jpn. J. Appl. Phys. 45 (2006) 3913. [6] N. M. Amer and W. B. Jackson, Semiconductors and Semimetals, (Academic, Orlands, 1984),  Vol.21 B, p.88. [7] N. Souffi, M. Daouahi, L. Chahed, K. Zellama, P. Roca i Cabarrocas, Solid State Commun. 122  (2002) 259.

Figure captions

Figure 1      A schematic illustration of the experimental setup for resonant­PBS [4,5].

Figure 2      Optical absorption spectra of an a­Si:H film with a wide bandgap energy of about 1.9 

eV (solid line with solid circles). Results for conventional a­Si:H with a bandgap energy of 1.75 eV 

and  for  a  microcrystalline  Si  film  are  also  shown  by  dashed  and  solid  lines,  respectively.  The 

experimental errors of all data are within the solid circle in the figure.

Figure 3      Photoinduced effect on the excess absorption for the widegap a­Si:H shown in Fig. 2. 

Solid and open circles indicate results before and after illumination of the sample. The experimental 

Figure 1      N. Yoshida et al.

PSD

Mirro

r

Mirro

r

Mirror

Computer

W­Halogen

Lamp

Optical

Cryostat

­

Lock­in

Amplifier

Optical Chopper

(Frequency=~280Hz)

CaF2 lens He­Ne laser sample Monochro­ mator

Figure 2      N. Yoshida et al. 

10

1

10

2

10

3

10

4

10

5

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

photon energy h

"

 (eV)

ab

so

rp

tio

n 

co

ef

fi

ci

en

t 

!

 (

cm

­1

)

widegap a­Si:H  conventional a­Si:H "c­Si:H !

Figure 3      N. Yoshida et al.

10

1

10

2

10

3

10

4

10

5

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

photon energy h

"

 (eV)

ab

so

rp

tio

n 

co

ef

fi

ci

en

t 

!

 (

cm

­1

)

before illumination   after illumination ! "