(Ga,In)(N,As,Sb) Solar Cells: N Incorporation using Novel Precursor in MOVPE Growth and Solar Cell Characteristics

This work presents a full investigation cycle of a new precursor, beginning with the synthesis of the precursors of interest. The first MOVPE investigations in different material systems like GaAs, (GaIn)As and Ga(NAsSb) were performed and finally the realization and investigation of several solar c...

Ausführliche Beschreibung

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Sterzer, Eduard
Beteiligte: Volz, Kerstin (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Englisch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2018
Physik
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Inhaltsangabe: Während der Energieverbrauch in Europa und den USA nur noch langsam wächst, steigt der Verbrauch in Schwellenländern wie China, Indien und Afrika stark an. Dabei steigt pro Jahr der Primärenergieverbrauch der gesamten Erdbevölkerung durchschnittlich um 1.8 %. Bis 2040 wird also ein Primärenergieanstieg von 40 % erwartet. Auf der anderen Seite, führen die hohen Umweltbelastungen durch den CO2 Ausstoß der Automobile sowie ein erhöhtes Umweltbewusstsein bezüglich des Klimawandels zu immer größerem Interesse an Elektromobilität und alternativer Energiegewinnung. Aufgrund dessen, wird der Strombedarf voraussichtlich stärker wachsen als der Primärenergiebedarf. Während die CO2 neutralen Atomkraftwerke erhebliche Probleme mit nuklearem Abfall und Endlagerung haben, ist die Kernfusion von der kommerziellen Nutzung noch 30-50 Jahre entfernt. Aufgrund dessen ist die Nachfrage nach erneuerbaren Energien in den letzten Jahren weiter gestiegen und wird auch in den nächsten Jahren steigen müssen, um den Energiebedarf nachhaltig decken zu können. Auch die Entwicklung im Bereich der Satelliten (Hochleistungs-Satelliten und steigende Zahl von Kleinsatelliten) führt zu höherem Strombedarf im Weltall und dementsprechend zu einem erhöhten Bedarf an Stromquellen mit hohen Leistungsdichten. All die oben genannten Probleme und Herausforderungen können mithilfe von hocheffizienten Solarzellen gelöst werden. Ein Ansatz für solche ist eine Mehrschichtsolarzelle, die aus vier unterschiedlichen, übereinander gewachsenen Materialien besteht. Während das Wachstum drei dieser Materialien gut kontrolliert werden kann (GaAs, (Ga50%In50%)P und Ge), sind die bei der Herstellung der nötigen 1 eV Schicht in MOVPE entstehenden Probleme noch nicht gelöst. Hier schließt die vorliegende Arbeit an und stellt einige Lösungsansätze für diese Probleme vor. Diese Arbeit behandelt den gesamten Zyklus von der Synthese über die Untersuchung der Präkursoren beim Wachstum unterschiedlicher Halbleiter wie Ga(NAs), (GaIn)(NAs) und Ga(NAsSb) bis hin zur Herstellung von Solarzellen auf Basis des erworbenen Wissens. Zu Beginn wurde ein neuer Präkursor, das DTBAA, im Vergleich zum etablierten Präkursor (UDMHy) beim Ga(NAs) Wachstum untersucht. Hierbei wurde festgestellt, dass die N Einbaueffizienz bei DTBAA um einen Faktor von 15 - 20 höher ist als beim UDMHy. Weiterführende Experimente mit (GaIn)(NAs) zeigten auch hier eine 60 - 80 mal höhere N Einbaueffizienz im Vergleich zu UDMHy. Dieses Verhalten ist darauf zurückzuführen, dass der N Einbau im (GaIn)(NAs), welches mit UDMHy hergestellt wurde, extrem reduziert wird, wenn zusätzliches TMIn angeboten wird. Dieses Verhalten wurde in Verbindung mit DTBAA nicht beobachtet. Der DTBAA Präkursor wurde im Verlauf dieser Arbeit sechs mal hergestellt, mit jeder Herstellung wurde eine Verbesserung der Präkursorqualität angestrebt. Aufgrund dessen wurde mit jedem neuen DTBAA Präkursor eine O und C Untersuchung an Ga(NAs) und (GaIn)(NAs) Strukturen durchgeführt. Diese zeigte eine deutliche Reduzierung des O Gehalts, während nur eine geringe Änderung des C Gehalts beobachtet wurde. Gleichzeitig wurde TMIn als eine Quelle für C Einbau identifiziert, da der C Gehalt sich vom Ga(NAs) zu (GaIn)(NAs) um den Faktor zwei erhöhte. Es wurden daher weiterführende Experimente, mit dem Ziel den C Einbau zu reduzieren, durchgeführt. Hierzu wurde zum DTBAA gewachsenen (GaIn)(NAs) zusätzliches TBAs hinzugeführt, um mittels eines erhöhten V/III Verhältnisses den C Einbau zu reduzieren. Im Folgenden wurde der als C Quelle identifizierte TMIn Präkursor durch TIPIn, eine alternative In Quelle, substituiert. Beides führte zu einer C Reduktion in DTBAA gewachsenen (GaIn)(NAs) Schichten. In (GaIn)(NAs) Schichten, die mit UDMHy hergestellt wurden, ist die Höhe des C Einbaus weiterhin ein Problem, welches die Qualität des Solarzellen-Materials reduziert. Diesbezüglich wurden Experimente mit zusätzlichem TMSb durchgeführt. In diesem Fall wurde TMSb als sogenannter surfactant verwendet, um den C Einbau zu reduzieren. Entgegen den Erwartungen wurde kein positiver Effekt des TMSbs auf den C Einbau beobachtet. Vielmehr wurde die Herstellung vom (GaIn)(NAs) Material noch schwieriger, da das zusätzliche TMSb den N Einbau stärker reduziert als bereits für TMIn beobachtet. Ein weiteres Material, welches mittels DTBAA hergestellt wurde, ist das Ga(NAsSb). Dieses Material wird als eine mögliche Alternative zu einer 1eV (GaIn)(NAs) Schicht gitterangepasst auf GaAs diskutiert, konnte jedoch bis zur vorliegenden Arbeit nicht mit konventionellen Präkursoren mittels MOVPE hergestellt werden. In DTBAA gewachsenem Ga(NAsSb) wurde eine Reduktion des N Einbaus festgestellt, die jedoch um Größenordnungen niedriger war als in Verbindung mit UDMHy. Aufgrund dessen konnte zum ersten Mal eine 1eV Ga(NAsSb) Schicht gitterangepasst auf GaAs hergestellt werden. Leider zeigten die SIMS Untersuchungen einen hohen O Einbau, der die Qualität der optoelektrischen Eigenschaften des Halbleiters reduzierte. Weitere Experimente müssen mit einem gut aufgereinigten Präkurser folgen, um das Potential des Ga(NAsSb) Materials mit (GaIn)(NAs) vergleichen zu können. Mit dem in dieser Arbeit erzielten Ergebnissen wurden fünf unterschiedliche Solarzellen hergestellt, zwei basierend auf UDMHy und drei auf DTBAA. Dabei wurde festgestellt, dass mit UDMHy hergestellte Solarzellen stets die besseren Charakteristika aufwiesen. Das ist darauf zurückzuführen, dass der O Einbau in den DTBAA basierten Solarzellen um Größenordnungen höher ist. Innerhalb der mittels DTBAA hergestellten Solarzellen führte der reduzierte C Einbau nur zu geringfügigen Veränderungen, da die Materialqualität aufgrund des vorhandenen O stark leidet. Durch die Simulation der EQE konnte die aktive Schichtdicke sowie Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger abgeschätzt werden. Hierzu wurden die besten Solarzellen, eine basierend auf UDMHy und die andere basierend auf DTBAA, ausgewählt und gegenübergestellt. Dabei wurde festgestellt, dass die UDMHy Solarzelle einen aktiven Bereich von ca. 400 nm und eine Diffusionslänge von ca. 300 nm aufweist. Im Vergleich dazu weist die mittels DTBAA hergestellte Solarzelle eine aktive Dicke von nur 180 nm und eine Diffusionslänge von nur 60 nm auf. Experimente mit TIPIn anstelle von TMIn zeigten, dass die VOC der damit hergestellten (GaIn)(NAs) Solarzellen erhöht werden kann. Gleichzeitig wurde eine Reduktion der Stromdichte beobachtet. Diese kann jedoch mit dem fluktuierenden In Gehalt, der mit TIPIn beobachtet wurde, erklärt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass der DTBAA Präkursor ein hohes Potential hat die Qualität des (GaIn)(NAs) Wachstums zu verbessern und den etablierten Präkursor UDMHy zu ersetzten. Für einen großflächigen Einsatz von DTBAA muss zunächst der O Einbau durch den Präkursor um zwei bis drei Größenordnungen reduziert werden. In Kombination mit TIPIn und TBAs kann ein sehr niedriger C Einbau realisiert werden. In diesem Fall müsste die Ursache der In Fluktuation evaluiert und behoben werden. Das Ga(NAsSb), eine Alternative zu (GaIn)(NAs), wurde erstmals in der MOVPE durch DTBAA ermöglicht. Weitere Experimente mit diesem Material sowie die Herstellung von Ga(NAsSb) und (GaIn)(NAsSb) Solarzellen müssen in Zukunft mit hochreinem DTBAA durchgeführt werden, um das Potential des Präkursors auszuschöpfen und einen realen Vergleich zu etablierten (GaIn)(NAs) Solarzellen zu ermöglichen.