The possibility to increase the efficiency of photovoltaic (PV) cells based on hybrid carbon nanotube (CNT)–Si heterojunctions is related to the ability to control the chemical properties of the CNT–Si interface and of the CNT bundle layer. In spite of the encouraging performances of PV cells based on multiwall (MW) CNT, so far few efforts have been made in the study of this device compared to single wall (SW) CNT–Si interfaces. Here, surface and interface effects on the current–voltage characteristic curves of MW CNT–Si hybrid junctions are investigated through exposure to HF vapors and to 10 ppm-NO2 and compared to the effects detected in SW CNT–Si junctions. Quite similar results in terms of open circuit voltage, short circuit current density, and efficiency are found for both cells, suggesting that exposure to HF vapors mostly affects the interface chemical properties, i.e., the silicon oxidation state, that in both junctions reach an optimal state about 50 h after etching. In turn, NO2 exposure has larger effects on the SW-based cell, consistently with the larger surface-to-volume ratio of SW with respect to MW. In both cases, the efficiency value reaches a maximum after 28 min, before dropping when the NO2 molecules desorb from the surface. A combined analysis of current–voltage curves and photoemission data collected along the different phases of gas exposures allowed us to relate changes in the electrical properties to the chemistry of Si at the interface.

1.
2.
X.
Li
,
Z.
Lv
, and
H.
Zhu
,
Adv. Mater.
27
,
6549
(
2015
).
3.
L.
Yu
,
M.
Batmunkh
,
C.
Shearer
, and
J. G.
Shapter
,
Emerging Photovoltaic Materials: Silicon and Beyon
(
John Wiley & Sons
,
Hoboken
,
2019
).
4.
G.
Drera
,
S.
Freddi
,
T.
Freddi
,
A.
De Poli
,
S.
Pagliara
,
M.
De Crescenzi
,
P.
Castrucci
, and
L.
Sangaletti
,
Nanomaterials
10
,
2303
(
2020
).
5.
L.
Liu
,
G. H.
Li
,
Y.
Wang
,
Y. Y.
Wang
,
T.
Li
,
T.
Zhang
, and
S. J.
Qin
,
Nanoscale
9
,
18579
(
2017
).
6.
Z. L.
Wang
and
W. Z.
Wu
,
Angew. Chem. Int. Ed.
51
,
11700
(
2012
).
7.
P.
Liu
,
S.-E.
Yang
,
Y.
Chen
,
Y.
Ma
,
S.
Liu
,
X.
Fang
,
F.
Fan
, and
J.
Han
,
Ceram. Int.
46
,
19655
(
2020
).
8.
S.
Dhall
and
B. R.
Mehta
,
Nano Express
1
,
020034
(
2020
).
9.
M.
Scagliotti
,
M.
Salvato
,
M.
De Crescenzi
,
P.
Castrucci
,
N. G.
Kovalchuk
,
I. V.
Komissarov
,
S. L.
Prischepa
,
D.
Catone
,
L.
Di Mario
,
M.
Boscardin
, and
M.
Crivellari
,
Int. J. Nanosci.
18
,
1940088
(
2019
).
10.
M.
Salvato
,
M.
Scagliotti
,
M.
De Crescenzi
,
M.
Boscardin
,
C.
Attanasio
,
G.
Avallone
,
C.
Cirillo
,
P.
Prosposito
,
F.
De Matteis
,
R.
Messi
, and
P.
Castrucci
,
Sens. Actuators A
292
,
71
(
2019
).
11.
M.
Salvato
,
M.
Scagliotti
,
M.
De Crescenzi
,
M.
Crivellari
,
R.
Messi
, and
P.
Castrucci
,
IEEE Trans. Nanotechnol.
17
,
837
(
2018
).
12.
C.
Aramo
,
M.
Ambrosio
,
C.
Bonavolontà
,
M.
Boscardin
,
M.
Crivellari
,
C.
de Lisio
,
V.
Grossi
,
P.
Maddalena
,
M.
Passacantando
, and
M.
Valentino
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
845
,
12
(
2017
).
13.
B.
Kumanek
and
D.
Janas
,
J. Mater. Sci.
54
,
7397
(
2019
).
14.
L.
Qiu
,
X.
Wang
,
G.
Su
,
D.
Tang
,
X.
Zheng
,
J.
Zhu
,
Z.
Wang
,
P. M.
Norris
,
P. D.
Bradford
, and
Y.
Zhu
,
Sci. Rep.
6
,
21014
(
2016
).
15.
D. D.
Tune
,
B. S.
Flavel
,
R.
Krupke
, and
J. G.
Shapter
,
Adv. Energy Mater.
2
,
1043
(
2012
).
16.
Y.
Jung
,
X.
Li
,
N. K.
Rajan
,
A. D.
Taylor
, and
M. A.
Reed
,
Nano Lett.
13
,
95
(
2013
).
17.
D. D.
Tune
,
H.
Shirae
,
V.
Lami
,
R. J.
Headrick
,
M.
Pasquali
,
Y.
Vaynzo
,
S.
Noda
,
E. K.
Hobbie
, and
B. S.
Flavel
,
ACS Appl. Energy Mater.
2
,
5925
(
2019
).
18.
D. D.
Tune
,
N.
Mallik
,
H.
Fornasier
, and
B. S.
Flave
,
Adv. Energy Mater.
10
(
1
),
1903261
(
2020
).
19.
X.-G.
Hu
,
P.-X.
Houa
,
C.
Liu
,
F.
Zhang
,
G.
Liu
, and
H.-M.
Cheng
,
Nano Energy
50
,
521
(
2018
).
20.
F.
De Nicola
,
M.
Salvato
,
C.
Cirillo
,
M.
Crivellari
,
M.
Boscardin
,
M.
Passacantando
,
M.
Nardone
,
F.
De Matteis
,
N.
Motta
,
M.
De Crescenzi
, and
P.
Castrucci
,
Carbon
114
,
402
(
2017
).
21.
F.
De Nicola
,
M.
Salvato
,
C.
Cirillo
,
M.
Crivellari
,
M.
Boscardin
,
M.
Scarselli
,
F.
Nanni
,
I.
Cacciotti
,
M.
De Crescenzi
, and
P.
Castrucci
,
Carbon
101
,
226
(
2016
).
22.
M.
Mohammed
,
Z.
Li
,
J.
Cui
, and
T. P.
Chen
,
Sol. Energy
106
,
171
(
2014
).
23.
F.
Wang
,
D.
Kozawa
,
Y.
Miyauchi
,
K.
Hiraoka
,
S.
Mouri
,
Y.
Ohno
, and
K.
Matsuda
,
Nat. Commun.
6
,
6305
(
2015
).
24.
S.
Ponzoni
,
S.
Achilli
,
C.
Pintossi
,
G.
Drera
,
L.
Sangaletti
,
P.
Castrucci
,
M.
De Crescenzi
, and
S.
Pagliara
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
16627
(
2017
).
25.
C.
Pintossi
,
S.
Pagliara
,
G.
Drera
,
F.
De Nicola
,
P.
Castrucci
,
M.
De Crescenzi
,
M.
Crivellari
,
M.
Boscardin
, and
L.
Sangaletti
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
7
,
9436
(
2015
).
26.
Y.
Jia
,
A.
Cao
,
F.
Kang
,
P.
Li
,
X.
Gui
,
L.
Zhang
,
E.
Shi
,
J.
Wei
,
K.
Wang
,
H.
Zhu
, and
D.
Wu
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
8391
(
2012
).
27.
K.
Cui
,
Y.
Qian
,
I.
Jeon
,
A.
Anisimov
,
Y.
Matsuo
,
E. I.
Kauppinen
, and
S.
Maruyama
,
Adv. Energy Mater.
7
,
1700449
(
2017
).
28.
X.-G.
Hu
,
P.-X.
Hou
,
J.-B.
Wu
,
X.
Li
,
J.
Luan
,
C.
Liu
,
G.
Liu
, and
H.-M.
Cheng
,
Nano Energy
69
,
104442
(
2020
).
29.
X.
Zhao
,
H.
Wu
,
L.
Yang
,
Y.
Wu
,
Y.
Sun
,
Y.
Shang
, and
A.
Cao
,
Carbon
147
,
164
(
2019
).
30.
U.
Dettlaff-Weglikowska
,
V.
Skákalová
,
R.
Graupner
,
S. H.
Jhang
,
B. H.
Kim
,
H. J.
Lee
,
L.
Ley
,
Y. W.
Park
,
S.
Berber
,
D.
Tomanek
, and
S.
Roth
,
J. Am. Chem. Soc.
127
,
5125
(
2005
).
31.
J. M.
Harris
,
R. J.
Headrick
,
M. R.
Semler
,
J. A.
Fagan
,
M.
Pasquali
, and
E. K.
Hobbie
,
Nanoscale
8
,
7969
(
2016
).
32.
J. M.
Harris
,
M. R.
Semler
,
S.
May
,
J. A.
Fagan
, and
E. K.
Hobbie
,
J. Phys. Chem. C
119
,
10295
(
2015
).
33.
L.
Chen
,
H.
He
,
S.
Zhang
,
C.
Xu
,
J.
Zhao
,
S.
Zhao
,
Y.
Mi
, and
D.
Yang
,
Nanoscale Res. Lett.
8
,
225
(
2013
).
34.
S.
Freddi
,
S.
Achilli
,
R.
Soave
,
S.
Pagliara
,
G.
Drera
,
A.
De Poli
,
F.
De Nicola
,
M.
De Crescenzi
,
P.
Castrucci
, and
L.
Sangaletti
,
J. Colloid Interface Sci.
566
,
60
(
2020
).
35.
G.
Drera
,
G.
Salvinelli
,
J.
Åhlund
,
P. G.
Karlsson
,
B.
Wannberg
,
E.
Magnano
,
S.
Nappini
, and
L.
Sangaletti
,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
195
,
109
(
2014
).
36.
R.
Saito
,
M.
Hofmann
,
G.
Dresselhaus
,
A.
Jorio
, and
M. S.
Dresselhaus
,
Adv. Phys.
60
(
3
),
413
(
2011
).
37.
J. H.
Parker
, Jr
.,
D. W.
Feldman
, and
M.
Ashkin
,
Phys. Rev.
155
,
712
(
1967
).
38.
Y.
Ouyang
,
L. M.
Cong
,
L.
Chen
,
Q. X.
Liu
, and
Y.
Fang
,
Physica E
40
,
2386
(
2008
).
39.
E. F.
Antunes
,
A. O.
Lobo
,
E. J.
Corat
,
V. J.
Trava-Airoldi
,
A. A.
Martin
, and
C.
Verissimo
,
Carbon
44
,
2202
(
2006
).
40.
W. A. M.
Aarnink
,
A.
Weishaupt
, and
A.
Van Silfhout
,
Appl. Surf. Sci.
45
,
37
(
1990
).
42.
T.
Maruyama
,
H.
Bang
,
N.
Fujita
,
Y.
Kawamura
,
S.
Naritsuka
, and
M.
Kusunoki
,
Diamond Relat. Mater.
16
,
1078
(
2007
).
43.
X.
Li
,
J. S.
Huang
,
S.
Nejati
,
L.
McMillon
,
S.
Huang
,
C. O.
Osuji
,
N.
Hazari
, and
A. D.
Taylor
,
Nano Lett.
14
,
6179
(
2014
).
44.
C.
Pintossi
,
G.
Salvinelli
,
G.
Drera
,
S.
Pagliara
,
L.
Sangaletti
,
S.
Del Gobbo
,
M.
Morbidoni
,
M.
Scarselli
,
M.
De Crescenzi
, and
P.
Castrucci
,
J. Phys. Chem. C
117
,
18688
(
2013
).
45.
M.
Morita
,
T.
Ohmi
,
E.
Hasegawa
,
M.
Kawakami
, and
M.
Ohwada
,
J. Appl. Phys.
68
,
1272
(
1990
).
46.
S. I.
Raider
,
R.
Flitsch
, and
M. J.
Palmer
,
J. Electrochem, Soc. Solid State Sci. Technol.
122
,
413
(
1975
).
47.
W.-L.
Yim
,
X. G.
Gong
, and
Z.-F.
Liu
,
J. Phys. Chem. B
107
,
9363
(
2003
).
You do not currently have access to this content.