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Photovoltaik


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Thomas Hannappel

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INHALTE

Projekt-/ Bachelor-/ Masterarbeiten

Untersuchung der Rekombinationseigenschaften von III-V-Halbleitern mittels zeitaufgelöster Photolumineszenz

Betreuung: Dr. Peter Kleinschmidt (Tel.: -2577)

Für die Funktion der Solarzelle sind die Rekombinationseigenschaften des Halbleiters von entscheidender Bedeutung. Die durch absorbierte Photonen erzeugten Elektronen-Loch-Paare müssen getrennt werden, bevor ihre Energie durch nicht-strahlende Rekombination verloren geht. Das Verhältnis der Raten von strahlender zu nicht-strahlender Rekombination bestimmt letztendlich die offene Klemmspannung der Zelle. Das theoretische Shockley-Queisser-Limit für die Konversionseffizienz kann dabei nur erreicht werden, wenn ausschließlich strahlende Rekombination auftritt, die nicht-strahlende Rekombination also minimiert wird.
Die in unserem Fachgebiet etablierte Methode der zeitaufgelösten Photolumineszenz misst, basierend auf zeitkorreliertem Einzelphotonenzählen, direkt das zeitabhängige Photolumineszenz-Signal in Antwort auf einen Laserpuls. Aus diesem Signal lässt sich mitunter direkt die effektive Rekombinationsrate bzw. Ladungsträgerlebensdauer ermitteln.
In dieser Bachelor-Arbeit sollen speziell hergestellte Proben, sogenannte Doppelheterostrukturen (DHS), aus III-V-Halbleitern mittels zeitaufgelöster Photolumineszenz untersucht werden. Aus den Messungen soll die Qualität der Schichten und der Grenzflächen beurteilt werden. Die Ergebnisse dienen unmittelbare der Verbesserung der Materialqualität in III-V basierten Solarzellmaterialien.

Bild 1: Rekombinationsprozesse in einer Doppelheterostruktur
Bild 2: Ortsaufgelöste Lebensdauermessung an einer InGaAs-DHS

STM-Untersuchungen an MOCVD-präparierten Halbleitern für III-V/IV Solarzellen

Betreuung: Dr. Peter Kleinschmidt (Tel.: -2577)

Die im Fachgebiet Photovoltaik entwickelten Halbleiterstrukturen zur solaren Energiekonversion basieren auf epitaktisch gewachsenen Gruppe IV und III/V-Halbleitern. Für die Funktion der so hergestellten Strukturen sind die Eigenschaften von Grenz- und Oberflächen von entscheidender Bedeutung, da sie einen wichtigen Einfluss auf die Entstehung von Kristalldefekten haben, deren Kontrolle für die optoelektronischen Eigenschaften des Halbleiters entscheidend ist. In unserem Fachgebiet werden die mittels MOVPE (metallorganischer Gasphasenepitaxie) gewachsenen Halbleiter mit einem speziellen Transfersystem ins UHV (Ultrahochvakuum) transferiert und können dort mit oberflächenphysikalischen Methoden untersucht werden. In dieser Masterarbeit sollen die durch MOVPE präparierten Halbleiterschichten mittels STM (Rastertunnelmikroskopie) analysiert werden. Im Vordergrund stehen dabei insbesondere Untersuchungen von Siliziumoberflächen, deren Struktur für die in unserem Fachgebiet angestrebte nachfolgende III-V-Epitaxie entscheidend ist. Dabei geht es um die Stufenstruktur und die Rekonstruktion der Oberflächen in Abhängigkeit von der Präparation und Kristallorientierung, insbesondere aber auch um den Einfluss geringer Mengen anderer Elemente wie z.B. Arsen. Daneben werden auch Oberflächen von Germanium und III-V Halbleitern wie GaP, InP und GaAs untersucht. Die für diese Masterarbeit avisierten Untersuchungen fließen direkt in die Entwicklung von neuartigen, auf der Kombination von Si mit III-V Halbleitern basierenden Solarzellen ein.

Bild 1: STM-Bild einer Siliziumoberfläche für die nachfolgende III-V Epitaxie
Bild 2: STM-Aufbau für Untersuchungen an MOVPE-präparierte Proben

GaAsP Quantentopf-Strukturen auf Si(100) für hocheffiziente Mehrfachsolarzellen

Betreuung: Dipl. Phys. Oliver Supplie (Tel.: -2578)

In einer Forschungskooperation mit der Uni Tokyo, Japan, entwickelt das Fachgebiet Photovoltaik neuartige Mehrfach-Solarzellen mit eingebetteten Quantentopfstrukturen (multiple quantum wells, MQW). Diese  sind aussichtsreiche Kandidaten für zukünftige hocheffiziente Solarzellen der sogenannten dritten Generation: Die Verbindung von GaAsP mit Silizium in Form einer Tandemsolarzelle verspricht Konversionseffizienzen über 40% bei gleichzeitig reduziertem Materialverbrauch. Verspannungskompensierte Quantentopf-Strukturen in der GaAsP-Topzelle erlauben dabei ein maßgeschneidertes Einstellen von Bandlücken mit größerem Spielraum bei der Gitterfehlanpassung.

Im Fokus der Masterarbeit soll das heteroepitaktische Wachstum dieser MQW-Schichten mittels metallorganischer Gasphasenabscheidung (MOVPE) und insbesondere die Präparation abrupter interner Grenzflächen stehen. Dafür soll ein einzigartiger Ansatz genutzt werden, der anspruchsvolle optische in situ Spektroskopie mit etablierten Vakuum-basierten Oberflächenmethoden verbindet, um so bereits während des eigentlich MOVPE-Herstellungsprozesses die  Materialeigenschaften einstellen und charakterisieren zu können. 

Bild 1: Schema der Tandemzelle
Bild 2: theoretische solare Konversionseffizienz für 100 MQW-Schichten [Sugiyama et al., Sol. Energ. Mat. Sol. Cells, 2017]

Modellierung und Simulation von Nanodraht-Strukturen

Betreuung: M.Sc. Andreas Nägelein (Tel.: -2578)

Niederdimensionale Strukturen wie z.B. III-V-Nanodrähte (NW) gelten als äußerst aussichtsreiche Kandidaten für künftige opto-elektronische Bauteile (LEDs, FETs, Sensoren oder Solarzellen). Die elektrische Charakterisierung dieser NW ist einer der grundlegenden Bausteine, um Zugang zu den elektrischen Eigenschaften zu bekommen und somit hohe Wirkungsgrade zu realisieren. Hierzu wurde ein Multi-Spitzen STM (Bild 1) entwickelt, welches freistehende NW zerstörungsfrei untersuchen kann. Um diese Messergebnisse besser verstehen zu können und Prognosen für noch nicht realisierte Halbleiterstrukturen zu geben, sind Modellierungen notwendig. Gerade NWs können sich in ihren Eigenschaften, auf Grund ihrer geringen Größe, von makroskopischen Strukturen unterscheiden. Im Fokus der Arbeit steht der Umgang mit der Simulationssoftware „Silvaco ATLAS“ (Bild 2), das Ermitteln geeigneter physikalischer Modelle, das Bewerten der Ergebnisse sowie der Abgleich mit realen Messdaten.

Bild 1: Messprinzip des Multi-Spitzen STM
Bild 2: Modellierter NW in Silvaco ATLAS

ATR-IR Spektroskopie im Ultrahochvakuum

Betreuung: Dr. Anja Dobrich (Tel.: -2577)

Für die Entwicklung von epitaktisch gewachsenen III-V/IV-Solarzellen ist ein genaues Verständnis der Ober- und Grenzflächen unabdingbar. Diese Solarzellen sind aussichtsreiche Kandidaten für zukünftige hocheffiziente Solarzellen der sogenannten dritten Generation und potentielle Kandidaten für die direkte solare Wasserspaltung.

Im Fokus der Arbeit sollen das heteroepitaktische Wachstum von Nukeationsschichten mittels metallorganischer Gasphasenabscheidung (MOVPE) sowie die spektroskopische Charakterisierung abrupt präparierter Grenzflächen hinsichtlich ihrer Oberflächen­­terminierung und -struktur mittels Fourier-transformierter Infrarotspektroskopie (FTIR) stehen. Diese wird in einer speziellen ATR-Konfiguration (Attenuated Total Reflection) im Ultrahochvakuum (UHV) durchgeführt, um die Oberflächen­empfindlichkeit deutlich zu erhöhen und Kontaminationen zu vermeiden. Da die Terminierung der Oberflächen und ihre Konfiguration für die nachfolgenden Epitaxien sehr wichtig sind, ist ein genaues Verständnis unerlässlich. Ziel sollte es sein, einen genaueren Aufschluss über den ersten Nukleations­­schritt und eine eventuelle Wasserstoff- oder Gruppe-III bzw. Gruppe-V Terminierung der Oberflächen zu erlangen.

Bild 1: Schematische Darstellung des Fourier-Transformations-Infrarotspektrometers mit Strahlengang und integrierter UHV-Messkammer mit der Probe in Messposition.
Bild 2: ATR-Spektren einer Si(100)-Oberfläche bevor (schwarze Linie) und nach dem Deoxidations¬prozess in MOVPE-Umgebung (grüne Linie) mit Wasserstoff als Trägergas und nach Abkühlen in Argonatmosphäre (rote Linie).