Herstellung und Charakterisierung photovoltaischer Bauelemente auf Basis von III-Nitrid-Halbleitern
Holger Klassen
Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer (In)GaN-basierten Solarzelle für die zukünftige Integration in InGaN-InGaAlP Konzentrator-Photovoltaikmodulen. Als zentrales Ergebnis konnte eine Solarzelle entwickelt werden, welche erstmals das Anforderungsprofil dieser Applikation erfüllt.
Im ersten Schritt wurde ein vertieftes Verständnis für das epitaktische Wachstum von InGaN-Schichten erarbeitet. Mittels Korrelation von detaillierten Tieftemperatur-Rasterelektronenmikroskopie-Kathodolumineszenzmessungen und Rasterkraftmikroskopiedaten wurde ein Modell für die zugrunde liegende Oberflächenkinetik und den resultierenden Wachstumsmodus entwickelt. Im Detail konnten die hohe Aktivierungsenergie der Stickstoffoberflächendiffusion und die Auswirkung der Ehrlich-Schwöbel-Barriere als limitierende Faktoren für ein stabiles Stufenflusswachstum identifiziert werden. Weiterhin konnten Rückschlüsse über die Auswirkung des dominierenden Wachstumsmodus auf die strukturellen und optischen Eigenschaften der InGaN-Schichten gewonnen werden. Insbesondere wurde der signifikante Einfluss der Schichtmorphologie auf den mikroskopischen Indiumeinbau nachgewiesen.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde das Chipdesign optimiert. Durch Entwicklung und Integration von Prozessbausteinen zur gezielten Vorder- und Rückseitenstrukturierung der Solarzelle konnte eine Steigerung der Bauteileffizienz um 35% erreicht werden. Im nächsten Schritt wurde ein Via- und ein Metallgitter-basiertes Chipkonzept bezüglich der Leistung unter zunehmenden Lichtkonzentration untersucht. Aufgrund des geringeren Serienwiderstandes zeigte der Via-basierte Ansatz deutliche Effizienzvorteile bei hohen Lichtintensitäten. Dieser Vorteil resultierte aus einer sehr effizienten Ladungsträgerextraktion durch den direkten Anschluss der Vias an eine vergrabene, vollflächige Metallschicht. Dies führt zu einem Effizienzvorteil von mindestens 8% für das Via-basierte Konzept unter applikationsnahen Lichtkonzentrationen.
Abschließend wurden das entwickelte Chipdesign und die Erkenntnisse der Epitaxieoptimierungen zusammengeführt. In Kombination mit der hohen InGaN-Kristallqualität führte dies zu einem Effizienzbestwert von 2,48% unter Applikations-relevanten Lichtintensitäten, welcher einen deutlichen Fortschritt im Vergleich zum bisherigen Stand der Wissenschaft darstellt.
