Publikationsserver der Universitätsbibliothek Marburg

Titel: (Ga,In)(N,As,Sb) Solar Cells: N Incorporation using Novel Precursor in MOVPE Growth and Solar Cell Characteristics
Autor: Sterzer, Eduard
Weitere Beteiligte: Volz, Kerstin (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2018
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2018/0246
DOI: https://doi.org/10.17192/z2018.0246
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2018-02464
DDC: 530 Physik
Titel(trans.): (Ga,In)(N,As,Sb) Solarzellen: N Einbau unter Verwendung neuer Präkursoren in MOVPE-Wachstum und Solarzellen Charakterisierung

Dokument

Schlagwörter:
DTBAA, Solar cells, Epitaxie, dilute nitrides, MOVPE, Verdünnt-Stickstoffhaltiges GaAs, Präkursoren, Solarzellen, GaInNAs, Precursor, MOVPE, DTBAA, Epitaxie, GaInNAs

Summary:
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 cell sets was achieved. First experiments with Ga(NAs) material showed an extremely high N incorporation of DTBAA in comparison with the UDMHy grown material. Consequently, experiments on (GaIn)(NAs) material followed. In contrast to UDMHy grown (GaIn)(NAs) material, no N incorporation reduction was observed for the DTBAA grown (GaIn)(NAs) layer. This led to an even higher N incorporation efficiency, 60 - 80 times higher than for UDMHy. Higher purification of the DTBAA precursor reduced the O content in the Ga(NAs) and (GaIn)(NAs) layer, however, no C incorporation reduction was observed with increasing DTBAA purity. The comparison between the C incorporation between Ga(NAs) and (GaIn)(NAs) revealed TMIn to be one main C source. Therefore, additional C incorporation investigations for Ga(NAs) and (GaIn)(NAs) were performed. A significant C incorporation reduction in DTBAA based (GaIn)(NAs) was found by either additional TBAs supply or by substituting TMIn with TIPIn. While N incorporation was reduced with additional TBAs, the TIPIn growth was not trivial, due to the fluctuation of In content. In UDMHy based (GaIn)(NAs) material, the C incorporation reduction was attempted by the usage of Sb as a surfactant. The results show no beneficial interaction between Sb treated and untreated (GaIn)(NAs) material. In fact, Sb even increased the challenges of the (GaIn)(NAs) growth due to strong N incorporation reduction with additional Sb supply. The interaction between TESb and DTBAA was investigated: it was found that the N incorporation decreased with additional TESb. However, the effect on the UDMHy based material is significantly larger. While the growth of a 1 eV Ga(NAsSb) material with MOVPE was not possible as of yet, the low negative interactions observed with the DTBAA precursor made the realization of the first 1 eV Ga(NAsSb) material grown by MOVPE possible. SIMS investigations revealed a high amount of O, which originates from the DTBAA precursor and must be dealt with and resolved. The knowledge obtained in the first part of this work was utilized for solar cell growth: five (GaIn)(NAs) solar cell sets, three of which were based on the DTBAA and two on the UDMHy precursor, were realized. The results revealed the UDMHy based material to be of higher quality. The C incorporation reduction led only to small solar cell quality improvement, which is probably related to the high O content that drastically reduces the material quality. The simulation of the best EQE measurements showed an active (GaIn)(NAs) thickness of around 400 nm for the UDMHy based material. DTBAA based material, however, revealed an active (GaIn)(NAs) material of only 180nm. Among with the active doping densities obtained from test structures, the depletion region was calculated, and an indication for the diffusion lengths was found. For the UDMHy based material, the diffusion length was estimated to be around 300 nm while the DTBAA based material was estimated to have a diffusion length of around only 60 nm. The poor solar cell characteristics of DTBAA grown material is related to the high O content, which deteriorates the solar cell quality drastically. Additionally, TIPIn was found to increase the open circuit voltage of the DTBAA as well as UDMHy based (GaIn)(NAs) solar cell. However, the current of the same solar cell material was significantly lower than the TMIn grown pendant. This, however, is probably connected to the In incorporation fluctuation during the growth. The results summarized above show that the DTBAA precursor has a huge potential to improve the (GaIn)(NAs) material growth and therefore to replace the conventional N precursor UDMHy. However, the DTBAA purity must be improved. Furthermore, TIPIn was found to reduce C incorporation in comparison with TMIn. However, the In incorporation fluctuation when using TIPIn is an issue that must be resolved. As the Sb-N interaction is drastically lower for DTBAA based dilute N materials, (GaIn)(NAs):Sb growth with DTBAA needs to be investigated in terms of potential C incorporation reduction. Additionally, Ga(NAsSb) as well as (GaIn)(NAsSb) solar cells need to be grown in future experiments with highly purified DTBAA, as this kind of solar cells grown with MBE showed the highest solar cell qualities observed so far.

Zusammenfassung:
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.


* Das Dokument ist im Internet frei zugänglich - Hinweise zu den Nutzungsrechten