Light scattering in compounds with strong spin orbit coupling and for solar cell applications

Sharafeev, Azat

Strong spin-orbit coupling, symmetry and topology are the most frequently used terms which are present in the recent condensed matter research. Indeed, such ingredients make it possible to open the door into novel physics and to generate new classes of materials, such as topological insulators, Rashba materials, Weyl and Dirac semimetals. One of the examples of Dirac semimetals, Cd3As2, is discussed in this thesis. It has a distinctive for this type of materials electronic structure. Similar to graphene, it possesses a Dirac cone-shaped band diagram due to massless fermions, and also unusual transport properties, which would be valuable for future applications. Therefore, investigation of the crystal structure of Cd3As2 is essential because of its correlation with the electronic structure. PbTaSe2 is another prominent example of the family of topological materials. It is, in fact, a noncentrosymmetric superconductor and can be obtained by Pb intercalation into TaSe2, which, in turn, undergoes a charge density wave phase at low temperatures. Thus, besides non-trivial electronic topologies, one can study here another fundamental question as competition between superconductivity and charge density waves. This compound is also considered to be a candidate for topological superconductors and, presumably, it might hold Majorana bound states in its vortices. Last but not least, this thesis also covers applied aspects, such as investigation of contemporary solar energy devices using Raman scattering. As a matter of fact, current photovoltaic industry attempts to achieve solar cell devices with the best balance between price, efficiency and environment-friendliness of materials. One of the most promising candidates is cuprous oxide - Cu2O. It is non-poisonous, earth-abundant, chemically stable and has theoretical power conversion efficiency of ~ 20 %. Raman scattering spectroscopy allows to study the crystal structure of semiconductors and, in particular, copper-based solar cells to detect crystal imperfections and define their composition. It is a valuable tool to investigate solar cell devices since Raman spectroscopy is a fast and non-destructive technique.

Starke Spin-Bahn-Kopplung, Symmetrie und Topologie sind die am häufigsten verwendeten Begriffe in der aktuellen Forschung der Kondensierten Materie. Solche Aspekte machen es möglich, eine Tür in neuartige Physik zu öffnen und neue Materialklassen wie topologische Isolatoren, Rashba-Materialien, Weyl- und Dirac-Halbmetalle herzustellen. Cd3As2 ist eines dieser Beispiele von Dirac-Halbmetallen. Es hat eine für diese Art von Materialien besondere elektronische Struktur. Ähnlich wie Graphen besitzt es zwei Dirac-Kegel aufgrund masseloser Fermionen und auch ungewöhnliche Transporteigenschaften, die für zukünftige Anwendungen wertvoll wären. Daher ist die Untersuchung der Kristallstruktur von Cd3As2 aufgrund ihrer Beziehung mit der elektronischen Struktur wichtig. PbTaSe2 ist ein weiteres prominentes Beispiel für eine Familie topologischer Materialien. Diese Verbindung ist in der Tat ein nicht-zentrosymmetrischer Supraleiter und kann durch Pb-Interkalation in TaSe2 erzeugt werden, das seinerseits eine Ladungsdichtewellenphase bei niedrigen Temperaturen besitzt. Neben nicht-trivialen elektronischen Topologien kann man hier die grundsätzliche Frage zur Konkurrenz zwischen Ladungsdichtewelle und Supraleitfähigkeit untersuchen. Diese Verbindung wird auch als ein Kandidat für topologische Supraleiter angesehen, und vermutlich könnte es gebundene Majorana-Zustände in ihren Flußlinien geben. Schliesslich geht es bei dieser Arbeit auch um angewandte Aspekte wie die Untersuchung moderner Solarzellen mit Raman-Streuung. Tatsächlich versucht die derzeitige Photovoltaik-Industrie, Solarzellenmodule mit dem besten Mix aus Preis, Effizienz und Umweltfreundlichkeit von Materialien zu erreichen. Einer der vielversprechendsten Kandidaten ist Kupferoxid - Cu2O. Es ist nicht giftig, chemisch stabil und hat eine maximale theoretische Leistungsumwandlungseffizienz von ~ 20 %. Die Raman-Spektroskopie erlaubt, die Untersuchung der Kristallstruktur von Halbleitern und insbesondere von kupferbasierten Solarzellen, um Unvollkommenheiten und Fremdphasen zu detektieren und deren Zusammensetzung zu definieren. Es ist ein wertvolles Hilfsmittel, um Solarzellen zu untersuchen, da die Raman-Spektroskopie eine schnelle und zerstörungsfreie Technik ist.

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Sharafeev, Azat: Light scattering in compounds with strong spin orbit coupling and for solar cell applications. 2017.

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