Prace doktorskie

mgr inż. Aleksander Urbaniak

Metastabilne rozkłady defektów w materiałach fotowoltaicznych Cu(In,Ga)Se2
Promotor: prof. nzw. dr hab. Małgorzata Igalson
2011

     Praca dotyczy fizyki zjawisk metastabilnych w ogniwach słonecznych opartych o związek Cu(In,Ga)Se2. Celem pracy była weryfikacja dostępnych przewidywań teoretycznych odnoszących się do Cu(In,Ga)Se2, w szczególności ocena wpływu opisanych w literaturze defektów metastabilnych na własności Cu(In,Ga)Se2 oraz eksperymentalna weryfikacja mechanizmów prowadzących do powstawania metastabilnych rozkładów defektów w ogniwach CIGS. Eksperymenty przeprowadzone zostały przy użyciu metod elektrycznych służących do charakteryzacji złącz półprzewodnikowych w połączeniu z pomiarami optycznymi fotopojemności, fotoprądu oraz spektroskopią anihilacji pozytronów.
     W ramach pracy uzyskano eksperymentalne wyniki pozwalające powiązać metastabilności ogniw CIGS z własnościami kompleksu wakansji VSe-VCu. W szczególności wyznaczono energie charakteryzujące procesy powstawania i relaksacji metastabilności i pokazano, iż są one w dobrej zgodności z przewidywaniami teoretycznymi modelu kompleksu VSe-VCu. W oparciu o własności defektu zaproponowano wyjaśnienie metastabilnych zmian przestrzennego rozkładu ładunku w ogniwach CIGS przypisując je zmianom konfiguracji kompleksu wakansji VSe-VCu zależnym od położenia kwazi-poziomu Fermiego w złączu. Powiązano także nieeksponecjalność procesów relaksacji metastabilnych rozkładów ładunku oraz zależność czasu relaksacji od czasu tworzenia stanu metastabilnego z modelem konwersji defektu zachodzącej w przestrzeni konfiguracyjnej. Wysunięto hipotezę, iż cechy te mogą wynikać z rozkładu energetycznego barier pomiędzy konfiguracjami defektu jak również z niejednorodnej dostępności swobodnych nośników w złączu. Na podstawie badań optycznych zaproponowano interpretację sygnału podprzerwowego w widmach fotopojemności i fotoprądu w oparciu o własności kompleksu VSe-VCu oraz przedstawiono możliwy mechanizm prowadzący do metastabilnych zmian widm fotopojemności i fotoprądu. Na podstawie spektroskopii anihilacji pozytronów uzyskano wstępne wyniki potwierdzające istnienie wakansji selenowych w stanie umożliwiającym ich obserwację w Cu(In,Ga)Se2 oraz powiązano fakt ich występowania z typem przewodności materiału.
     Przedstawiona praca stanowi krok naprzód w zrozumieniu procesów zachodzących w ogniwach CIGS. Ważnym jej rezultatem jest wyjaśnienie wielu, traktowanych dotychczas odrębnie eksperymentalnych cech, wspólnym modelem opartym o własności jednego defektu. Pokazano także, iż własności te mają znaczenie z punktu widzenia wydajności ogniwa.

mgr inż. Jerzy Antonowicz

Mechanizmy i kinetyka nanokrystalizacji w amorficznych stopach aluminium
promotor: prof. dr hab. Rajmund BACEWICZ
2006

    Tematyka pracy obejmuje zagadnienie nanokrystalizacji w amorficznych stopach aluminium wytworzonych na drodze gwałtownego chłodzenia cieczy. W pracy skupiono się na dwuskładnikowych szkłach aluminium-ziemie rzadkie. Do analizy procesu odszklenia zastosowano metody takie jak: dyfrakcja promieni X, jednoczesne szeroko- i niskokątowe rozpraszanie promieni X, transmisyjna mikroskopia elektronowa oraz różnicowa kalorymetria skaningowa. Wykorzystano również wyniki badań struktury szkła metodą XAFS (X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy).
    Analiza danych dyfrakcyjnych oraz niskokątowego rozpraszania promieni X pozwoliła na sformułowanie modelu przemiany nanokrystalizacji, w którym jest ona inicjowana przez rozpad spinodalny zachodzący w fazie amorficznej. W modelu tym zarodkowanie nanokrystalicznej fazy fcc-Al ma miejsce wewnątrz bogatych w aluminium obszarów powstałych na drodze rozpadu fazy amorficznej. Wzrost ziaren krystalicznych jest ograniczony przez rozmiar tych obszarów na skutek powolnej dyfuzji w regionach o podwyższonym stężeniu dużych atomów ziem rzadkich. Powyższy model pozwala na wyjaśnienie obserwowanych widm rozpraszania niskokątowego, dyfrakcji promieni X, danych kalorymetrycznych oraz zdjęć transmisyjnej mikroskopii elektronowej.
    Na potrzeby pracy stworzono również nową metodę rentgenowskiej analizy ilościowej pozwalającą na wyznaczenie ułamka objętościowego fazy krystalicznej na dowolnym etapie przemiany pierwotnej. Opracowano również metodę analizy widm rozpraszania niskokątowego pozwalającą na określanie charakteru zmian zawartości fazy krystalicznej w układzie w którym występuje separacja faz połączona z krystalizacją jednej z faz powstałej w wyniku separacji.
    W ramach pracy podjęto próbę wyjaśnienia podstaw termodynamicznych procesu rozpadu spinodalnego w amorficznych  stopach aluminium-ziemie rzadkie. Podstawy te wymagały szczegółowego wyjaśnienia, ponieważ diagramy fazowe analizowanych układów nie wskazują na tendencję do wystąpienia zjawiska separacji faz. W tym celu odwołano się do koncepcji Hume-Rothery'ego i Andersona, która mówi o możliwości pojawiania się przerwy w rozpuszczalności w układach o silnie ujemnej entalpii mieszania, w których występuje tendencja do porządkowania w fazie ciekłej. Koncepcję tą rozszerzono na układy amorficzne i powiązano ze zdolnością do amorfizacji, a także skonfrontowano z modelem Miracle'a struktury szkła. Porównanie  założeń modelu z rzeczywistą strukturą atomową badanych układów amorficznych dokonano w oparciu o wyniki analizy XAFS. Stwierdzono, że struktura szkieł aluminium - ziemie rzadkie jest dobrze opisywana przez model Miracle'a, co w połączeniu z założeniami koncepcji Hume-Rothery'ego i Andersona tłumaczy wystąpienie rozpadu spinodalnego, a w konsekwencji powstania struktury nanokrystalicznej.

mgr inż. Ryszard Sobierajski

Oddziaływanie femtosekundowych impulsów promieniowania lasera na swobodnych elektronach z powierzchniami ciał stałych
promotor: prof. dr hab. Rajmund BACEWICZ
2005
   
Celem pracy było określenie mechanizmów niszczenia powierzchni ciał stałych przez silne, femtosekundowe impulsy promieniowania lasera na swobodnych elektronach TTF1 FEL. Zaprezentowano stację badawczą FELIS (Free Elektron Laser - Interaction with Solids), skonstruowaną specjalnie do przeprowadzenia omawianych badań. Opisano zaobserwowane w wyniku oddziaływania z impulsami TTF1 FEL zmiany strukturalne powierzchni, kratery ablacyjne oraz emisję jonów z następujących próbek: kryształów kwarcu i krzemu, cienkiej warstwy złota na podłożu krzemowym oraz objętościowej próbki złota. Następnie opisano procesy mikro- i makroskopowe biorące udział w oddziaływaniu femtosekondowych impulsów z materią oraz przedstawiono modele teoretyczne zjawisk związanych z powstawaniem zniszczeń. Wyniki symulacji porównano z danymi doświadczalnymi. Wskazują one na to, że dominującym mechanizmem zniszczeń powierzchni jest proces hydrodynamiczny związany z termicznym oddziaływaniem impulsów lasera TTF1 FEL z materią.