Η τεχνολογία φωτοβολταϊκών λεπτών φιλμ πυριτίου συνδυάζει χαμηλό κόστος παραγωγής, μικρό χρόνο ενεργειακής απόσβεσης και χαμηλές απαιτήσεις σε πρώτες ύλες. Ωστόσο, μειονεκτήματα όπως η χαμηλή απόδοση και η φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση του άμορφου πυριτίου καθιστουν την τεχνολογία αυτή λιγότερο ανταγωνιστική σε σχέση με τα φωτοβολταϊκά κρυσταλλικού πυριτίου. Για να αυξηθεί η απόδοση χρησιμοποιούνται περισσσότερα ενεργά στρώματα οδηγώντας σε φωτοβολταϊκά πολυεπαφών. Συνδυάζοντας άμορφο και μικροκρυσταλλικό πυρίτιο, με ενεργειακό χάσμα περίπου 1.7eV και 1.1eV αντίστοιχα προκύπτει η διάταξη a-Si/μc-Si. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται εκτενώς το φωτοβολταϊκό a-Si/μc-Si, το οποίο αναφέρεται και ως micromorph. Μελετώνται τα χαρακτηριστικά των ενεργών υλικών από τα οποία αποτελείται και οι ιδιότητες εκείνες που απαιτούνται για υψηλής ποιότητας επιστρώσεις. Παρουσιάζονται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της τεχνολογίας φωτοφολταϊκών λεπτών φιλμ πυριτίου και οι διαφορές της με τις υπόλοιπες τεχνολογίες. Μελετάται επίσης η δομή της διάταξης a-Si/μc-Si και η έρευνα που αφορά τις τεχνικές βελτιστοποίησής της και την αύξηση της απόδοσης. Στη συνέχεια γίνεται πειραματική μελέτη για τις επιδόσεις ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου a-Si/μc-Si σε συνθήκες εξωτερικού χώρου, σε σύγκριση με φωτοβολταϊκά πλαίσια άλλων τεχνολογιών πυριτίου, ενός μονοκρυσταλλικού και ενός άμορφου. Το πλαίσιο a-Si/μc-Si της εταιρείας Heliosphera που μελετήθηκε έχει υποστεί την αναμενόμενη φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση και η απόδοσή του σε πρότυπες συνθήκες βρέθηκε ίση με 8.14% με μια μείωση 8.5% από την αρχική απόδοση. Μελετήθηκε η εξάρτηση της επίδοσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων από την μεταβολή της γωνίας πρόσπτωσης, τη θερμοκρασία και την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Επιβεβαιώθηκε πειραματικά η μείωση της απόδοσης του πλαισίου a-Si/μc-Si με την αύξηση της αέριας μάζας, κάτι που παρατηρήθηκε και για το πλαίσιο αμόρφου πυριτίου. Η μελέτη φωτοβολταϊκών πλαισίων σε συνθήκες εξωτερικού χώρου θα οδηγήσει στην κατανόηση των διαφορών μεταξύ διαφορετικών τεχνολογιών και στη σημασία των κλιματολογικών συνθηκών ενός τόπου στην επιλογή των φωτοβολταϊκών πλαισίων για κάποια εγκατάσταση. / Thin film silicon photovoltaic technology combines low production cost, short energy payback time and low demands of raw materials. However, drawbacks as low efficiency and light induced degradation make this technology less competitive in regard to crystalline silicon solar cells. In order to increase the efficiency, more active layers are used leading to multijuction photo voltaics. Combining amorphous and microcrystalline silicon with energy bandgap of 1.7eV and 1.1eV correspondingly, results in the device a-Si/μc-Si.. In this work a-Si/μc-Si, which is also referred as micromorph, is thoroughly presented. The characteristics of its active materials and the properties required for device quality layers are studied. The specific properties of thin film silicon photovoltaics are presented along with the differences with other technologies. The structure of the a-Si/μc-Si device and the research for its optimization techniques and efficiency increase are also studied. An experimental study takes place for the performance of an a-Si/μc-Si photovoltaic module in outdoor conditions, in comparison with other silicon photovoltaic technologies, as monocrystalline and amorphous silicon. The module a-Si/μc-Si of the company “Heliosphera” that was studied has undertaken the prospective light induced degragation and its efficiency in standard conditions was 8.14% with a reduction of 8.5% from the initial efficiency. The performance of the photovoltaic modules was studied under the effect of shifts in the angle of incidence, temperature changes and changes in the solar irradiation intensity. The reduction in the efficiency of the a-Si/μc-Si module with the increase of the air mass was experimentally confirmed and was also verified for the amorphous silicon module. The study of photovoltaic modules in outdoor conditions will lead in better understanding the differences among various technologies and the effect of the climate conditions of a location on the choice of the photovoltaic modules for an installation.

Το θέμα αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η παρασκευή με τη μέθοδο sputtering και ο χαρακτηρισμός μαγνητικών λεπτών υμενίων. Στo πρώτο κεφάλαιο, που αποτελεί και την εισαγωγή, γίνεται μια αναφορά στη τεχνολογία των λεπτών υμενίων και δίνεται το στοιχειώδες θεωρητικό υπόβαθρο των τεχνικών ανάπτυξης αυτών. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η διάταξη sputtering που χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη των μαγνητικών υμενίων και δίνονται τα αποτελέσματα της βαθμονόμησης ενός μετρητικού πάχους υψηλής ακρίβειας. Το τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται στην κατασκευή και πιστοποίηση μιας πλήρως αυτοματοποιημένης και χαμηλού κόστους διάταξης μέτρησης μαγνητικών βρόχων μέσω του φαινομένου Kerr, με μέγιστο πεδίο πόλωσης 2Τ. Το τέταρτο κεφάλαιο αναφέρεται στις πειραματικές λεπτομέρειες της παρασκευής των μαγνητικών λεπτών υμενίων Νικελίου και Κοβαλτίου και δίνονται τα αποτελέσματα του δομικού και μαγνητικού χαρακτηρισμού τους. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και οι παρατηρήσεις που προέκυψαν κατά τη διάρκεια της ενασχόλησης με τη διπλωματική εργασία. Γίνονται, επιπλέον, και ορισμένες προτάσεις για τη μελλοντική εξέλιξη των συστημάτων sputtering και ΜΟΚΕ, ενώ τονίζεται και το τεχνολογικό ενδιαφέρον που παρουσιάζουν τα υμένια που παρασκευάσθηκαν. / The subject of this diploma thesis is the growth using the sputtering process and the characterization of thin magnetic films. The first chapter refers to thin films' technology and there is given the elementary theoretical background of the thin films’ growth. In the second chapter, there is presented the sputtering device, which is used for the growth of the magnetic films. Also, there is given the results of the calibration of a newly established thickness monitor, which is used for high accuracy thickness measurements. In the third chapter, there is given the description of the construction of a fully automatic and low cost magneto - optic Kerr effect magnetometer for the magnetic loops' measurement in a maximum magnetic field of 2T. There are, also, given the magnetic loops which are used for the construction’s certification. The fourth chapter refers to the experimental details about the preparation of the Nickel and Cobalt magnetic thin films. There are, also, given the results about the structural and magnetic characterization of the thin films. Finally, in the fifth chapter, there are presented the conclusions and the observations, which arose during the diploma thesis. There are, also, presented some proposals about the future progress of the sputtering and MOKE systems, whereas at the same, there is stressed the technical interest of the thin films, which are prepared.

Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η ανάπτυξη και η επακόλουθη συμπεριφορά κατά τη θέρμανση υμενίων μεταλλικού νικελίου και χρωμίου σε μονοκρυσταλλικό οξείδιο του νικελίου, NiO(100). Οι αποθέσεις έγιναν κοντά στη θερμοκρασία δωματίου σε περιβάλλον υπερυψηλού κενού 2 x 10-10 mbar χρησιμοποιώντας πηγές θερμικής εξάχνωσης, ενώ η χημική κατάσταση των επιφανειών προσδιορίστηκε με την χρήση φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων ακτίνων-Χ (XPS) και στην περίπτωση της απόθεσης Cr επιπλέον με φασματοσκοπία σκέδασης ιόντων (ISS). Οι φασματοσκοπικές μετρήσεις έγιναν με το υπόστρωμα σε θερμοκρασίες από 550 Κ έως 680 Κ, ώστε να αυξηθεί η αγωγιμότητα και να αποφευχθεί η διαφορική φόρτιση της επιφάνειας του κρυστάλλου. Η θέρμανση μέχρι 2 μονοστρώματα (ML) νικελίου αποτεθειμένου σε NiO(100) είχε πρόσφατα βρεθεί ότι οδηγεί σε σταδιακή εξαφάνιση του Ni0, φαινόμενο που αποδόθηκε σε οξείδωσή του με οξυγόνα από το υπόστρωμα. Καθώς η ποσότητα αυτή είναι σημαντικά μεγαλύτερη από τις τυχόν διαθέσιμες ποσότητες επιφανειακού οξυγόνου (π.χ. προσροφημένα υδροξύλια) και δεν υπάρχουν ενδείξεις για την παρουσία μη στοιχειομετρικού οξυγόνου στο εσωτερικό του μονοκρυστάλλου NiO(100), επιδιώχθηκε η διερεύνηση της προέλευσης των οξυγόνων που συμμετείχαν στην οξείδωση. Προς τούτο έγιναν διαδοχικές αποθέσεις Ni0 1,6 ML, 3,8 ML και 7,5 ML, ενώ μετά από κάθε απόθεση και πριν από την επόμενη το δείγμα θερμάνθηκε μέχρι τους 940 Κ, όπου στις δύο πρώτες περιπτώσεις επήλθε πλήρης οξείδωση του Ni0 ενώ στην τρίτη η οξείδωση δεν ολοκληρώθηκε στα χρονικά περιθώρια του πειράματος. Μια κατ’ αρχήν μοντελοποίηση της κινητικής της οξείδωσης υποδεικνύει προέλευση του διαθέσιμου οξυγόνου από πηγή σταθερής συγκέντρωσης στο εσωτερικό του κρυστάλλου. Η μοντελοποίηση των εντάσεων των φωτοκορυφών XPS με βάση σωματιδιακά υμένια νικελίου σταθερού μέσου πάχους που καλύπτουν κλάσμα της επιφάνειας, οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η θέρμανση αρχικά οδηγεί σε γρήγορη συσσωμάτωση του νικελίου, ενώ στην συνέχεια τα μεγάλα σωματίδια Ni0 που σχηματίζονται καλύπτονται αρχικά από NiO και στην συνέχεια η οξείδωση προχωρά προς τον μεταλλικό τους πυρήνα. Καθώς από το πείραμα δεν προκύπτει άλλη πληροφορία για την προέλευση των οξυγόνων, διεξάχθηκαν προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής προκειμένου να διερευνηθεί η δυνατότητα του τέλειου μονοκρυστάλλου να παρέχει πλεγματικά οξυγόνα στην επιφάνεια. Οι προσομοιώσεις έγιναν στο ισόθερμο κανονικό στατιστικό σύνολο χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του Nose πάνω σε μονοκρύσταλλο από 1728 ιόντα με εφαρμογή περιοδικών οριακών συνθηκών. Η ολοκλήρωση των εξισώσεων κίνησης έγινε με τον αλγόριθμο του Verlet, με χρονικό βήμα 2x10-15 s και χρησιμοποιήθηκε δυναμικό του τύπου σκληρών ιόντων, ενώ οι συνεισφορές Coulomb υπολογίστηκαν με την μέθοδο του Ewald. Πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις για αποθέσεις με 8 ιόντα νικελίου (0,06ML), 16 ιόντα νικελίου (0,11ML) και 32 ιόντα νικελίου (0,22ML) σε θερμοκρασία 0,37Tm, με καταγραφή της συνάρτησης τοπικής πυκνότητας κατανομής των ιόντων οξυγόνου ανά 2000 βήματα. Οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι ο τέλειος μονοκρύσταλλος μπορεί να σχηματίσει μεγάλο αριθμό οπών ιόντων οξυγόνου της τάξης του 10%, γεγονός που επιτρέπει την ερμηνεία του πειράματος, όπου περίπου 8ML Ni0 οξειδώθηκαν με οξυγόνα από το υπόστρωμα, χωρίς την ανάγκη υπόθεσης της παρουσίας άλλης πηγής μη στοιχειομετρικού οξυγόνου στο εσωτερικό του μονοκρυστάλλου. Για την μελέτη της αλληλεπίδρασης του Cr με το NiO(100), η οποία δεν είχε μελετηθεί συστηματικά μέχρι τώρα σε κλίμακα νανομετρικών υμενίων, έγιναν 4 πειράματα απόθεσης, που κατέληξαν σε 1,10 nm , 0,12 nm, 0,05 nm και 0,30 nm Cr0. Η απόθεση μεταλλικού χρωμίου σε θερμοκρασία δωματίου οδήγησε σε πλήρη κάλυψη της επιφάνειας του NiO(100), ενώ θέρμανση στους 550 Κ προκάλεσε συσσωμάτωση του χρωμίου και οξείδωσή του με παράλληλη αναγωγή του νικελίου του υποστρώματος. Περαιτέρω θερμάνσεις σε υψηλότερες θερμοκρασίες προκάλεσαν την εκ νέου οξείδωση του νικελίου. Η μοντελοποίηση των εντάσεων των φωτοκορυφών XPS με βάση σωματιδιακά υμένια χρωμίου και νικελίου δείχνει ότι το χρώμιο οξειδώνεται από κάτω προς τα πάνω και τελικά καλύπτει το μεταλλικό νικέλιο, χωρίς να αποκλείεται η ενδιάμεση ανάμειξη των δύο μετάλλων. Η μοντελοποίηση της οξείδωσης του ανηγμένου νικελίου σε μεγαλύτερη θερμοκρασία, δείχνει ότι ακολουθείται γενικά η ίδια πορεία , όπως και για απόθεση καθαρού Νi, με το οξείδιο του χρωμίου αρχικά να καλύπτει το σχηματιζόμενο NiO. Κατά την παρατεταμένη θέρμανση της διεπιφάνειας στους 940 Κ, η απόκλιση των πειραματικών σημείων από τις προβλέψεις του μοντέλου υποδεικνύει διεπιφανειακή ανάμειξη των υμενίων NiO και Cr2O3 και πιθανό σχηματισμό σπινελίου NiCr2O4, όπως αναφέρεται και στην βιβλιογραφία. Τα αποτελέσματα της φασματοσκοπίας ISS επιβεβαιώνουν σε ποιοτικό επίπεδο την ερμηνεία που αποδίδουν τα μοντέλα στις μετρήσεις XPS. / Deposition and annealing of Ni and Cr on a NiO(100) single crystal was studied using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Molecular Dynamics Simulations (MD) for the case of Ni and using XPS and Ion Scattering Spectroscopy (ISS) for the case of Cr. Depositions were carried out near room temperature in ultra high vacuum with base pressure of 2 x 10-10 mbar using Ni and Cr thermal evaporation sources . Both XP and IS spectra were taken while the sample was kept at an elevated temperature between 550K and 680K in order to avoid differential substrate charging. Annealing of up to 2 monolayers (ML) Ni deposited on NiO(100) has been reported to result in the gradual elimination of metallic Ni, attributed to oxidation via the substrate. Since the necessary quantity of oxygen is far greater than any possibly available surface oxygen (e.g. adsorbed hydroxyl species) and there is no evidence of non stoichiometric oxygen within the NiO(100) single crystal, it was decided to investigate the origin of the oxygen species involved. To that purpose, three successive depositions of Ni0 on NiO(100) were conducted, 1.6 ML 3.8 ML and 7.5 ML. After each deposition and before the next one, the sample was annealed up to 940 K resulting in the complete oxidation of the deposited Nio , with the exception of the final deposition of 7.5 ML whereby the oxidation was not completed within the time frame of the experiment. Simple kinetic modelling of the oxidation is consistent with oxygen originating from a constant concentration source within the substrate. Modelling of the XPS photoelectron intensities based on particulate films covering part of the substrate surface indicates that annealing leads initially to sintering and then to oxidation of the Ni0 particles, whereby they are covered by NiO as oxidation proceeds toward the metallic core. Since the experiment cannot provide any more information with respect to the origin of the oxygen, MD simulations where performed in order to investigate the ability of the perfect crystal to provide lattice oxygen to its surface. The Molecular Dynamics simulations were carried out in the constant temperature canonical ensemble using the Nose scheme, with a slab geometry consisting of 1728 ions and applying periodic boundary conditions. The equations of motion were integrated by means of Verlet’s algorithm and with a time step of 2 x10-15 s, whereas a rigid ion potential was adopted for the atomic interactions and the Coulombic contributions were evaluated with the use of the Ewald summation. Results are presented for depositions of 8 Ni (0.06ML), 16 Ni (0.11ML) and 32 Ni (0.22ML) ad-cations. The evolution of these systems was followed for up to 300000 time steps at a temperature corresponding to 0.37Tm , while the oxygen ions local density distribution function was recorded every 2000 time steps during each simulation run. The simulations show that the perfect crystal can successively form up to 10% of oxygen vacancies in each layer, which can explain the experimental results whereby 8ML of Ni0 where oxidized, without affecting the equivalent concentration of the available oxygen in the substrate and without having to assume any non stoichiometric oxygen inside the NiO(100) single crystal. In order to study the interaction of Cr with NiO(100), which has not been studied systematically so far in the nanometric film thickness range, four quantities of Cr0 , 10 nm, 0,12nm, 0,05 nm and 0,30 nm , were deposited. Deposition at room temperature resulted in complete coverage of the NiO(100) surface, while annealing at 550 K caused sintering and oxidation of Cr as well as reduction of NiO to Ni0 while farther annealing at higher temperatures caused the re-oxidation of the reduced Ni. Modelling of the XPS photoelectron intensities based on particulate films, indicated that Cr0 particles are oxidized from the bottom and finally cover the Ni0 film produced by reduction of the NiO(100) substrate, however the possibility that metallic Cr mixes with metallic Ni forming surface alloy during the process cannot be excluded. The XPS-based modelling of the oxidation process of the reduced Ni at higher temperatures shows that these particles are initially covered by NiO while the oxidation proceeds toward the metallic core, just as in the case of pure deposited Ni. Upon extensive annealing of the interface at 940 K, the deviation of the experimental results from the predictions of the model suggests that mixing of Cr2O3 and NiO occurs at the interface and possibly a NiCr2O4 spinel is formed, as reported in the literature. The ISS results qualitatively support the interpretation of the XPS results provided by the models.

Το αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάπτυξη νέων υλικών για σύγχρονες τεχνολογικές εφαρμογές. Για αυτό τον λόγο, επιλέχτηκε κατ’ αρχήν να αναπτυχθεί μια καινούρια και ταυτόχρονα πρωτότυπη διαδικασία παρασκευής νανοσωματιδίων. Για το σκοπό αυτό σχεδιάστηκε και ανακατασκευάστηκε εξ’ αρχής μια υπάρχουσα συσκευή sputtering, εφαρμόζοντας νέες τεχνικές και διατάξεις για την εναπόθεση των λεπτών και υπέρλεπτων υμενίων χρυσού σε διαφορετικές θερμοκρασίες υποστρώματος. Παρασκευάστηκαν δείγματα σε κρυογενικές θερμοκρασίες εναπόθεσης (-195 oC) έως και σε υψηλές Θερμοκρασίες των 450 oC. Παράλληλα πραγματοποιήθηκε και σύγκριση με μια σειρά δειγμάτων λεπτών υμενίου χρυσού με θερμική ανόπτηση μετά την εναπόθεση έως τους 800 oC. Αφού μελετήθηκε ο τρόπος ανάπτυξης των υμενίων του χρυσού με αυτές τις τεχνικές, και χαρακτηρίστηκαν τα λεπτά υμένια με διαφόρους τρόπους, επιλέχθηκε η πιο αποδοτική από μορφολογικής άποψης μέθοδος, για την παρασκευή νανοσωματιδίων χρυσού. Έτσι παρασκευάστηκαν υπέρλεπτα υμένια χρυσού, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες. Αυτά τα δείγματα έδωσαν νανοσωματίδια χρυσού της τάξεως των μερικών νανομέτρων, ικανά να δώσουν βάση των φασμάτων απορρόφησης, επιφανειακούς πλασμονικούς συντονισμούς σε διάφορα μήκη κύματος από τα 2 - 2,5 eV ανάλογα με το μέγεθος των νανοσωματιδίων που καθορίζουμε από τις συνθήκες του πειράματος. Στην συνέχεια παρασκευάστηκαν αντίστοιχα δείγματα από ένα νέο σύγχρονο υλικό, που αποτελείται από χρυσό, γερμάνιο και άργυρο. Χρησιμοποιώντας την ίδια διάταξη παρασκευάστηκαν αντίστοιχα υπέρλεπτα υμένια, στα οποία ανιχνεύτηκαν υβριδικά νανοσωματίδια χρυσού – αργύρου σε αναλογίες 1:1, προστατευμένα από μια άμορφη υαλώδη μήτρα οξειδίου του γερμανίου. Τέλος, κατά τον οπτικό χαρακτηρισμό των δειγμάτων αυτών και διαπιστώθηκε από τα φάσματα απορρόφησης συνδυασμένος επιφανειακός πλασμονικός συντονισμός. Τέλος, τα μεταλλικά και τα ημιαγώγιμα υπέρλεπτα υμένια έχουν τεράστια σημασία σε διάφορους τομείς της επιστήμης των υλικών και της νανοτεχνολογίας. Έτσι, η πρωτότυπη πειραματική διάταξη που αναπτύχτηκε είναι ενδιαφέρουσα για την παρασκευή μιας πληθώρας νάνο-ηλεκτρομηχανικών και οπτοηλεκτρονικών συστημάτων βασισμένα σε διάφορα σύγχρονα υλικά. / The objective of this Thesis is to develop new high – Tech materials for modern technological applications. For this reason, we have chosen in principle to develop a new prototype manufacturing process for growth of nanoparticles. For this purpose we designed and rebuilt from the beginning an existing D.C. sputtering apparatus to apply new techniques and devices for the deposition of thin and ultrathin films of gold at various substrate temperatures. We prepared samples at cryogenic temperatures deposition (-195 oC) up to a high temperature of 450 oC. The results were compared with a series of samples of thin gold films post annealed up to 800 oC. After studying the growth modes of thin gold films with these techniques, and characterize thin films in different ways, we chose the most efficient method from morphological point of view, for the optimum preparation of gold nanoparticles. So we proceeded to the deposition of ultrathin gold films, under certain conditions. These samples gave us gold nanoparticles in the range of a few nanometers, able to give us surface plasmon resonances at different wavelengths from 2 - 2,5 eV depending on the size of nanoparticles. Then samples were prepared respectively from a modern new target material consisting of gold, germanium and silver. Using the same configuration we were able to prepare ultrathin films. These films were found to consist of Au-Ag nanoparticles self-organized in an amorphous GeOx matrix. Finally, we proceeded to the optical characterization of these samples and found on the absorption spectra combined surface plasmon resonances. Finally, the metal and the semiconductor ultrathin films are crucial in various fields of materials science and nanotechnology. Thus, the original experimental setup which was developed is useful in order to prepare a multitude of nano - electromechanical and optoelectronic systems based on various modern materials.