Der Beitrag nicht-thermalisierter Ladungsträger zum Photostrom am InP:Zn/SnO2:F-Heterokontakt

Abstract

In einem theoretischen Szenario wurde für eine Solarzelle ein Wirkungsgrad von über 60% vorhergesagt, wenn die heiß erzeugten Elektronen vor ihrer Energierelaxation mit einem energieselektiven Kontakt eingefangen werden könnten. Die bei diesem Szenario getroffene Annahme, dass photoerzeugte heiße Elektronen die Oberfläche eines Absorbermaterials mit großer Wahrscheinlichkeit erreichen, wurde in dieser Arbeit auf der Basis experimenteller Ergebnisse überprüft.

Als Absorbermaterial wurde InP:Zn ausgewählt und als transparentes Kontaktmaterial SnO2. An diesem Heterokontakt wurde das Anregungsspektrum des Photostroms bei tiefen Temperaturen oberhalb von 10 K gemessen. Es weist bis etwa 95 K periodische Minima auf, die auf eine erhöhte Rekombinationswahrscheinlichkeit für Elektronen mit bestimmter kinetischer Anfangsenergie zurückzuführen sind. Unterhalb von 35 K entsteht das Minimum bei einer Photonenenergie, bei der das primär erzeugte heiße Elektron durch Emission von LO-Phononen (LO-Kaskade) genau das Leitungsbandminimum erreicht. Hier besteht eine erhöhte Rekombinationswahrscheinlichkeit. Oberhalb von 35 K ergibt sich eine Einsatzenergie für die LO-Kaskade, die bis zu 4,5 meV unterhalb des Leitungsbandminimums liegt. Der bei tiefen Temperaturen erhöhte Photostrom zwischen zwei Minima nimmt bei Erhöhung der Temperatur ab.

Photolumineszenzspektren des InP:Zn-Absorbers und des InP:Zn/SnO2-Heterokontaktes zeigen verschiedene strahlende Rekombinationskanäle. Nach der Präparation des Heterokontakts treten zusätzliche Emissionen bei 1,361 eV, 1,335 eV und 1,29 eV Photonenenergie auf. Die zugehörigen Einfangzentren führen zu der Verschiebung der Einsatzenergie für die LO-Phonon-Kaskade mit steigender Temperatur.

Unter Verwendung der Monte-Carlo-Methode wurde der Transport der heißen Elektronen unter Berücksichtigung der in Frage kommenden Streuprozesse simuliert. Damit wurde das Auftreten der Minima und die Temperaturabhängigkeit des Anregungsspektrums für den Photostrom qualitativ beschrieben. Die bei tiefen Temperaturen gemessene Erhöhung des Photostroms zwischen zwei Minima kann daraus der kürzeren Laufzeit von nicht-thermisch verteilten Elektronen bis zum Einfang am Kontakt zugeordnet werden.

Die Extrapolation der Simulation auf Raumtemperatur ergibt eine nicht- thermische Energieverteilung der Elektronen beim Auftreffen auf den Heterokontakt. Die Simulation erfasst den Energiebereich vom Leitungsbandminimum bis 0,3 eV darüber. Bis zu 48% der in diesem Energieintervall erzeugte Elektronen tragen als heiße Elektronen zum Photostrom am Heterokontakt bei, wenn sie nur 10 nm entfernt vom Kontakt erzeugt werden. Weiter im Innern des InP-Absorbers erzeugte Elektronen erreichen den Heterokontakt mit einer zunehmend thermischen Energieverteilung.

A theoretical scenario predicts an efficiency of above 60% for solar cells if the photo-generated hot electrons can be gathered via energy selective contacts before undergoing energy relaxation. The main assumption of this scenario, namely that these photo-generated hot electrons reach the surface of the absorber material with a relevant probability, was tested in this work using experimental results and Monte Carlo technique.

P-type InP:Zn was used as absorber and covered with n-type transparent conducting oxide SnO2 as emitter. The photocurrent excitation spectra of this heterocontact were measured at low temperatures above 10 K. Below 95 K periodic dips appeared due to an enhanced recombination probability for electrons with a certain excitation energy. Below 35 K the minima appeared for such photon energies where the initially generated hot electron relaxed exactly down to the minimum of the conduction band via emission of one or more LO phonons (LO cascade). Here, a higher recombination probability prevailed. Above 35 K the extrapolation of the photon energies at the minima led to a threshold for this LO cascade lying in the bandgap down to 4.5 meV below the conduction band minimum. The enhanced photocurrent between two minima at low temperatures diminishes with rising temperatures.

The photoluminescence spectra of the InP:Zn absorber and the InP:Zn/SnO2 heterocontact revealed different radiative recombination channels. After the preparation of the heterocontact additional emission lines were found at photon energies of 1.361 eV, 1.335 eV and 1.29 eV. The corresponding recombination centers caused the threshold energy of the LO phonon cascade to shift with increasing temperatures.

A Monte Carlo simulation of hot electron dynamics that took all the relevant scattering processes for hot electrons and their respective temperature dependencies into account was developed. It qualitatively reproduced the energy and temperature dependency of the dips in the photocurrent excitation spectra. With this simulation the enhanced photocurrent between two minima could be explained as being due to the shorter collection time for non- thermally distributed electrons that reach the contact.

The simulation was extrapolated to room temperature, which revealed a non- thermal energy for the electrons reaching the heterocontact. The simulation covered an energy range up to 0.3 eV above the conduction band minimum. As many as 48% of the electrons generated in this energy interval contributed to the photocurrent as hot electrons if they were generated as close as 10 nm to the contact. Electrons absorbed further in the bulk approached thermal energy distribution.