Studienabschlussarbeiten

In dieser Arbeit wurden Ladungsdichteoszillationen untersucht, die aufgrund der Streuung von Shockley-Oberflächenzustandselektronen an einer Stufenkante in der Cu(111)-Ebene entstehen. Dies erfolgte mittels eines Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskops im Ultrahochvakuum. Aus den stehenden Wellen konnten die Wellenvektoren ermittelt werden, die zur Berechnung der Dispersionsrelation herangezogen wurden. Ein besonderes Interesse galt dabei dem Kreuzungspunkt zwischen den Oberflächen- und Volumenzuständen in der oberflächenprojizierten Bandstruktur von Cu(111). Unterhalb des kritischen Wellenvektors folgt der E(k_(||) )-Zusammenhang dem für freies Elektronengas typischen Parabel-Verlauf. Erst oberhalb dieser Grenze treten signifikante Abweichungen auf. Eine mögliche Erklärung liefert die in dieser Arbeit vorgestellte Theorie.

Hocheffiziente und preiswerte Tandemsolarzellen können mittels einer Kombination von Si-Substrat mit GaAsP gefertigt werden. Für den hierfür benötigten Gitterkonstantenübergang von Si oder GaP zu GaAs(0,5) P(0,5) werden stufengradierte GaAsP-Pufferstrukturen eingesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden GaAsP-Wachstumsexperimente mittels MOCVD durchgeführt und die hergestellten Schichtstrukturen hinsichtlich Oberflächenmorphologie, Arseneinbau und Schichtrelaxation untersucht. Zusätzlich erfolgte in-situ während der Epitaxie eine spektroskopische Charakterisierung der Proben mittels RAS. Mithilfe einer modifizierten Arsen-Einbaukurve wurde der Arseneinbau modelliert. Es zeigten sich geringere Arsenkonzentrationen der Schichten bei Erhöhung der Substrat-Fehlorientierung, jedoch nicht bei der Substrat-Substituierung von GaP zu GaP/Si-Quasisubstrat. Auf GaP gewachsene GaAsP-Pufferstrukturen zeigten mit Ausnahme der obersten Schichten vollständige Relaxation, während in vergleichbaren Schichtstrukturen auf Quasisubstrat nur Teilrelaxation erfolgte. Die betrachteten Probenoberflächen wiesen Rauheiten im Nanometerbereich auf und zeigten ein ausgeprägtes Kreuzmuster. In-situ RA-Spektren deuten auf einen Übergang der P-reichen (2x2)/c(4x2) GaP-Oberflächenrekonstruktion hin zu der As-reichen (2x4) GaAs-Rekonstruktion mit steigendem Arsengehalt hin. Anhand der energetischen Verschiebung des, nahe des E1-Interbandübergangs von Ga(As)P gelegenen, RAS-Peaks ließ sich ein empirisches Modell zur in-situ Abschätzung der Arsenkonzentration erstellen.

Im Unterschied zu organischem Methylammonium-Blei-Triiodide (MAPbI3) Perovskiten weisen Cäsium-Blei-Triiodid (CsPbI3) Nanokristalle eine höhere Quanten-Ergiebigkeit und eine höhere Stabiltät gegenüber Belichtung auf. Die Kristallstruktur von CsPbI3 Nanokristallen ist kubisch was wichtig ist, da diese neben Größe, Form und der Defektstruktur die elektrische Struktur einzelner Kristalle stark beeinträchtigt. Defocused Imaging ist eine praktische Methode für die Untersuchung von Photolumineszenz Anisotropie, da sie nicht beeinflusst ist vom starken nicht-periodischen Blinken. Die Photolumineszenz Anisotropie von einzelnen Kristallen wird durch ein Objektiv mit einer hohen numerischen Apertur in einzigartige defokussierte Muster transformiert, was einen direkten Zugang zu der Dipol-Struktur der einzelnen Kristalle gibt. Die einzigartigen Muster von separierten CsPbI3 Kristallen weichen im Allgemeinen leicht von der Struktur der Muster von isotrop emittierenden Beads ab. Die Polarisation der Emission wird dabei beeinflusst von der individuellen Struktur, Größe und Defekten der CsPbI3 Kristalle. Allerdings sind alle detektieren Muster annähernd als isotrop zu bezeichnen. Während des Einfangens von Ladungsträgern durch Defekte weisen die Kristalle das typische nicht periodische Blinken vor. Dabei werden die defokussierten Muster allerdings nicht beeinflusst, was auf eine nur geringe Beeinflussung der Defektstruktur auf die elektronische Struktur eines einzelnen Kristalls schließen lässt.

Seit Beginn des Jahrtausends liegt die Verwendung organischer Verbindungen als photoaktive Materialien im Fokus vieler Forschergruppen weltweit. Dadurch können Solarzellen mithilfe einfacher und kostengünstiger Verfahren auf flexiblen Substraten in einer großen Variation an Farben hergestellt werden. Ihre Effizienz und Stabilität reicht jedoch noch nicht an die der anorganischen Photovoltaik heran. In dieser Arbeit wurden deshalb Polymersolarzellen aus drei verschiedenen Aktivmaterialien (P3HT, PCDTBT und PBDTTT-CT) auf den Einfluss der Temperatur auf ihr Degradationsverhalten hin untersucht. Dabei wurden Proben bei jeweils 45 und 65 ˚C gealtert und Änderungen in Ihrer Funktionalität mithilfe elektrischer Charakterisierungsmethoden und Elektrolumineszenz-Imaging überprüft. Es konnten Beschleunigungsfaktoren für die unterschiedlichen Architekturen bestimmt und Aktivierungsenergien für die zugrundeliegenden Prozesse abgeschätzt werden. Dadurch ist es besser möglich, eine Übertragung der unter Laborbedingungen gewonnenen Lebensdauern auf eine reale Anwendung zu ermöglichen.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Struktur der GaAs Solarzelle. Diese III-V Solarzelle hat oft einen p-n-Homoübergang (herkömmliche Struktur). Das Problem dieser Zellenstruktur ist der hohe Anteil der nichtstrahlenden Rekombination in der Nähe des p-n-Übergangs. Durch Simulation mit AFORS-HET werden die herkömmliche GaAs-Solarzelle, die GaAs-Solarzelle mit hinterem p-n-Übergang und die GaAs-Solarzelle mit p-n-Heteroübergang verglichen. Die Zellen wurden mit Metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) präpariert. Mithilfe der Kapazität-Spannung-Messung (CV-Messung) wurde die Dotierung jeder Schicht in den Zellen eingestellt. Die Kontrolle der Gitteranpassung der InGaP-Schicht auf dem GaAs-Substrat erfolgte mittels der Röntgenbeugungsmessung (XRD-Messung). Die angefertigten Zellen wurden mit der Strom-Spannung-Messung (I-U- Messung) und Quanteneffizienz-Messung (QE-Messung) charakterisiert und verglichen. Nach der Simulation ist die GaAs-Solarzelle mit p-n-Heteroübergang wegen des großen Kurzschlussstroms, der hohen Quanteneffizienz und des hohen Wirkungsgrads die beste Solarzellenstruktur. Ein möglicher Grund dafür ist die große Bandlücke der InGaP-Schicht, da hier nicht viel Licht absorbiert wird und somit nicht so viele Ladungsträger erzeugt werden können. In dieser Zellenstruktur soll der Anteil der nichtstrahlenden Rekombination in der Nähe des p-n-Übergangs kleiner als bei der herkömmlichen Solarzelle sein. Außerdem werden bei der Solarzelle mit p-n-Heteroübergang der Kurzschlussstrom und die Quanteneffizienz aufgrund der Diffusionslänge der Löcher nicht reduziert, wie es bei der Solarzelle mit hinterem p-n-Übergang der Fall ist. Bezüglich der Charakterisierung der gewachsenen Solarzellen hat die Solarzelle mit hinterem p-n-Übergang trotz des niedrigen Kurzschlussstroms und der geringen Quanteneffizienz eine hohe Leerlaufspannung, einen großen Füllfaktor und einen hohen Wirkungsgrad im Vergleich zu der herkömmlichen Solarzelle. Der niedrige Kurzschlussstrom und die geringe Quanteneffizienz resultieren aus der niedrigen Diffusionslänge der Löcher. Die Reduktion der nichtstrahlenden Rekombination durch diesen Zellentyp, was den Dunkelstrom und den Idealitätsfaktor verringert, ist ein Grund für die hohe Leerlaufspannung und den großen Füllfaktor dieses Zellentyps.