MOCVD-Präparation von III-V-Materialien auf der Gitterkonstanten von InP für Solarzellen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden III-V-Halbleiter mit Bandlücken zwischen 0,74 und 1,5eV mittels MOCVD auf der Gitterkonstanten von InP hergestellt und ihre Eignung für Solarzellen geprüft. Dazu wurden Gitteranpassung, Dotierung und Oberflächen von ternären und quaternären Verbindungshalbleitern auf InP als Substrat untersucht. Die ternären Halbleiter InGaAs, InAlAs und GaAsSb sowie die quaternären Halbleiter InGaAsP und InAlGaAs (mit Bandlücken von 0,9eV-1,15eV) konnten gitterangepasst auf InP-Substraten abgeschieden werden. Die n-Dotierung konnte für alle hergestellten Verbindungshalbleiter, mit Silizium als Dotanten, für jeden gewünschten Anwendungsbereich hergestellt werden. Die p-Dotierung wurde jeweils mit Zink realisiert. GaAsSb und InGaAs wurden alternativ mit Kohlenstoff p-dotiert. Für GaAsSb ist die Dotierung mit Zink in dieser Arbeit erstmals beschrieben worden. In den in-situ-RA-Spektren (im MOCVD-Reaktor aufgenommen) ist eine Verwandschaft von InGaAsP zu InP erkennbar. Während des Wachstums besitzt InGaAsP wahrscheinlich eine phoshorreiche, InP-artige Oberfläche, die zu der ähnlichen Struktur des RA-Spektrums führt. Mit den ternären und quaternären Verbindungshalbleitern sowie mit InP wurden Einzelsolarzellen mit Bandlücken zwischen 0,74eV und 1,5eV gitterangepasst auf InP hergestellt. Dabei konnten mit den etablierten Materialien InP, InGaAs und InGaAsP vergleichbar gute Ergebnisse wie bei in der Literatur beschriebenen Solarzellen erzielt werden. Für mit TBP hergestelltes InP wurde die bislang höchste interne Quanteneffizienz übertroffen. InGaAlAs-Solarzellen konnten schon mit zu InGaAsP-Solarzellen vergleichbaren Effizienzen hergestellt werden. GaAsSb-Solarzellen lagen in der Effizienz unterhalb der von InGaAs-Solarzellen. Es konnten auch erstmals InGaAs-Solarzellen mit Kohlenstoff dotiertem Absorber untersucht werden. Die InGaAs-Solarzelle mit Kohlenstoff-dotiertem Absorber zeigte dabei eine bessere Effizienz als die InGaAs-Solarzellen mit Zink-dotiertem Absorber. Die bisher erreichte Effizienz der hier erstmals beschriebenen InAlAs-Solarzellen liegt noch zu niedrig für eine Anwendung als Einzelsolarzelle. Für alle Solarzellenmaterialien wurde die Strahlungsfestigkeit der daraus hergestellen Solarzellen untersucht. Es zeigte sich, daß die Strahlungsfestigkeit von GaAsSb-Solarzellen war höher war als die von InGaAs-Solarzellen. Die Strahlungsresistenz von InAlGaAs-Solarzellen war niedriger als die von InGaAsP-Solarzellen gleicher Bandlücke. Bei InGaAsP stieg die Stabilität gegenüber Elektronenstrahlung mit dem Anteil von InP im Material. Als Beispiel für die Anwendung der untersuchten Einzelsolarzellen in Mehrfachsolarzellen wurde exemplarisch eine Tandemsolarzelle aus einer InP-Topzelle und einer InGaAs-Bottomsolarzelle untersucht. Zur elektrischen Verbindung der beiden Teilzellen wurden sowohl InGaAs- und InP-Homoübergänge als auch eine, hier erstmals untersuchte, InGaAs/GaAsSb-Heterodiode verwendet.