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Main Title: Grenzflächenuntersuchung und Effizienzanalyse von MOVPE-präparierten Schichtsystemen für InP-basierte hocheffiziente III-V-Mehrfachsolarzellen
Translated Title: Interface study and efficiency analysis of MOVPE-grown layer systems for InP-based high efficiency III-V-multi junction solar cells
Author(s): Dobrich, Anja
Advisor(s): Schwarzburg, Klaus
Referee(s): Lerch, Martin
Hannappel, Thomas
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Diese Studie befasst sich mit der Präparation und Analyse von ausgewählten photovoltaisch relevanten Grenzflächen für hocheffiziente III-V-Mehrfachsolarzellen sowie deren alternativen Substratvarianten wie z.B. Silizium, und schließlich mit der Präparation und Analyse von GaInAsP/GaInAs-Tandemzellen. Alle Oberflächen, Schichten und Schichtsysteme wurden mittels MOVPE (metal organic vapor phase epitaxy) präpariert und konnten im Anschluss - falls notwendig - direkt aus der Prozessumgebung ins UHV (Ultra-Hoch-Vakuum) transferiert und mittels oberflächensensitiven Methoden analysiert werden. Neben der UHV-basierten ATR (attenuated total reflection)-Infrarot-Spektroskopie zur Untersuchung von Oberflächenschwingungen und deren Symmetrie diente die orts- und zeitaufgelöste Photolumineszenz als eine der Hauptuntersuchungsmethoden zur Ober- und Grenzflächenanalyse. Die Solarzellstrukturen wurden nach der Photolithographie mittels einer hauseigen entwickelten Kombination aus EQE (external quantum efficiency)-Analyse und Sonnensimulator-Aufbau untersucht. Die GaInAs/InP-Grenzfläche, die Teil der ebenfalls untersuchten Tandemstruktur ist, wurde hinsichtlich ihrer Ladungsträgerlebensdauern und Rekombinationsprozesse mittels TRPL (time resolved photoluminescence) unter Zuhilfenahme von sogenannten DHS (double hetero structures) untersucht. Die DHS enthalten zwei inverse Grenzflächen, von denen die obere GaInAs-zu-InP-Grenzfläche als wesentlich problembehafteter identifiziert wurde. Daher wurde vorzugsweise für diese Grenzfläche nach einer Präparationsvariante geforscht, die hier eine möglichst glatte, defektfreie und homogene Grenzfläche liefert. Die etablierte Gruppe-V-reiche Präparation, wie sie auch für die untere Grenzfläche Verwendung fand, wurde mit einer Reihe sogenannter Gruppe-III-reichen Umschaltsequenzen verglichen. Das Aufbringen von etwa einer Monolage an Gruppe-III-Komponenten führte sowohl zu einer erhöhten Homogenität, als auch zu etwas gesteigerten Ladungsträgerlebensdauern, verglichen zur Gruppe-V-reichen Präparationsroutine. Ein weiterer Teil dieser Studie befasst sich mit der Präparation, Struktur und Terminierung von Oberflächen von Si(100) und Ge(100)-Substraten, die zukünftig als Ersatz der teuren III-V-Substrate Einzug halten sollen. Mittels der Ergebnisse aus oberflächensensitiven, polarisationsabhängigen ATR-Messungen konnte durch eine geeignete Probenpräparation eine Monohydrid-Terminierung der Oberflächendimere aufgedeckt, ihre Ausrichtung analysiert und das Absorptionsverhalten des Wasserstoffs in Bezug auf die Wachstumsprozessparameter untersucht werden. Durch das Verständnis dieser Abhängigkeiten war es möglich, die Si-Oberflächenpräparation während des MOVPE-Prozesses zu steuern, und eindomänige, vorwiegend doppeltgestufte Oberflächen zu präparieren. Ein darauf abgeschiedener GaP-Film belegte eine nahezu APD (anti phase domains)-freie Präparation. Mittels polarisationsabhängiger ATR-Untersuchungen konnte eine P-H-Streckschwingung des P-Dimers identifiziert und eine Wasserstoff-Terminierung verifiziert werden. Die MOVPE-präparierte und (2x1)-rekonstruierte heteroepitaktische GaP/Si(100)-Oberfläche wurde hier erstmalig infrarotspektroskopisch untersucht. Zur Analyse der GaInAs/GaInAsP-Tandemzellen wurde ein Setup weiterentwickelt, das es ermöglicht, die Teilzellen der monolithischen Tandemzelle einzeln zu adressieren, aber auch ihr Verhalten in Kombination als Tandemzelle in Bezug auf beliebige Beleuchtungssituationen zu untersuchen. Anhand dieser Charakterisierung gelang es, mögliche effizienzlimitierende Problemstellen, wie z.B. Serienverluste an den Metallkontakten und Shuntverluste durch zu geringe Dotierstoffdichten zu identifizieren. Die nach Überarbeitung sowohl der Schichtstruktur wie auch der Prozessierungsschritte untersuchten Solarzellen zeigten deutliche Verbesserungen aller relevanten Kenngrößen. Die separate Adressierung der Teilzellen erlaubte es, ihr Verhalten losgelöst von ihrer Partnerzelle zu untersuchen. Ein Vergleich dieser Daten mit Untersuchungen (einer Partnergruppe) unter realen Outdoor-Bedingungen zeigte eine gute Übereinstimmung, und bestätigte die Eignung des Aufbaus und die erhaltenen Messwerte. Die Kombination mit einer zweiten, im sichtbaren Bereich arbeitenden, GaInP/GaAs-Tandemzelle, im Rahmen einer weiteren Kooperation, erbrachte den derzeitigen Weltrekordwirkungsgrad von 44.7% bei einer Konzentration von 297 Sonnen unter AM1.5d.
This study deals with the preparation and analysis of selected interfaces with relevance for photovoltaic applications in high efficiency III-V-multi junction solar cells. It also deals with surface preparation and analysis of alternative substrate options, e.g. silicon and the preparation and analysis of GaInAsP/GaInAs-tandem cells. All surfaces, films and layer systems were prepared by means of MOVPE (metal organic vapor phase epitaxy) – if required – with the technical possibility of direct and contamination free transfer from process to UHV (ultra high vacuum) environment for surface sensitive analysis methods. Besides UHV-based ATR (attenuated total reflection) infrared spectroscopy to study surface oscillations and its vibrational symmetry, time and spatially resolved photoluminescence was the main surface and interface sensitive method applied. Solar cell structure efficiencies were probed by means of a home-built combined EQE (external quantum efficiency) analysis and solar simulator after photo lithography treatment. The GaInAs/InP-interface as part of the also investigated tandem structure was scanned by TRPL (time resolved photoluminescence) regarding its charge carrier lifetimes and recombination processes on the basis of so-called DHS (double hetero structures) which contain two inverted interfaces whereat the upper GaInAs-to-InP-interface could be identified to be the more crucial one. Therefore especially this interface was checked for different preparation routes which result in preferably smooth, defect free and homogeneous boundary layers. The established group-V-rich preparation route which was exclusively used for the lower interface was compared to a series of so-called group-III-rich preparation sequences. The introduction of roughly one monolayer of group-III-components yielded to enhanced homogeneity and increased charge carrier lifetimes compared to the group-V-rich preparation routine. Another part of this study is concerned with the preparation, structure and termination of surfaces of Si(100) and Ge(100)-substrates which should replace their costly III-V-counterparts in future. From results of surface sensitive polarization dependent ATR experiments with proper preparation a monohydride termination of surface dimers was revealed. Dimer orientation and absorption behavior of hydrogen according to growing process parameters were elucidated. The acquired knowledge of these dependencies facilitated the control of Si-surface preparation during MOVPE-treatment aiming at single domain predominantly double step surfaces. An on top grown GaP-film indicated a surface which is almost free from APDs (anti phase domains). P-H-stretching modes of P-dimers were identified by means of polarization dependent ATR experiments and hydrogen termination could be verified. The MOVPE-prepared (2x1)-reconstructed hetero epitaxial GaP/Si(100)-surface was investigated herein for the first time by infrared spectroscopy. For GaInAsP/GaInAs-tandem cell analysis a special home-built indoor setup was developed which allowed to address both sub cells of the monolithic grown tandem cell individually and to study the combined tandem cell in various illumination conditions. By means of that setup efficiency limiting flaws of the device could be identified, e.g. serial losses at the metal contacts and shunt losses caused by improper doping. Relevant cell parameters were improved by an enhanced layer system and a revision of the post treatment processes. Due to the individual addressing of the sub cells their uncoupled behavior could be probed. The potential of this indoor setup was verified by a comparison of data determined under real outdoor conditions (by a partner group) with good agreement. In combination with a GaInP/GaAs-tandem cell adsorbing in the VIS-region the present efficiency world record of 44.7% at 297 suns under AM 1.5d conditions was achieved within another cooperation.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-64677
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4690
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4393
Exam Date: 25-Apr-2014
Issue Date: 24-Apr-2015
Date Available: 24-Apr-2015
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Epitaxie
Grenzflächenanalyse
Photovoltaik
III-V-Mehrfachsolarzellen
Zeitaufgelöste Photolumineszenz
Ladungsträgerrekombination
Epitaxy
Interface analysis
Photovoltaics
III-V-multi junction solar cells
Time-resolved photoluminescence
charge carrier recombination
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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