Untersuchung von Schichtgitterhalbleitern mittels photoelektrochemischer Mikrowellenreflexion

Abstract

In dieser Arbeit werden elektrochemische und photoelektrochemische Untersuchungen an n-Molybdändisulfid und p-Wolframdiselenid vorgestellt. Es handelt sich bei diesen Verbindungen um halbleitende Schichtgitterverbindungen. Sie besitzen gute Voraussetzungen, um in Dünnschichtsolarzellen zur Anwendung zu kommen. Bisher zeigte sich allerdings, dass hauptsächlich durch Oberflächenzustände, die durch ungesättigte Bindungen an den Kristallabbruchkanten hervorgerufen werden, die Wirkungsgrade unter den Erwartungen lagen. In dieser Arbeit sollten Untersuchungen zum photoelektrochemischen Verhalten des Kontaktes zwischen Halbleiter/Elektrolyt durchgeführt werden. An den Kristallen wurden grundlegende Untersuchungen über den Rückkontakt, die Oberfläche (AFM, XPS), die elektronischen Parameter (Hall-Messungen) und das elektrochemische Verhalten (CV, DEMS) durchgeführt. Das Verhalten der Halbleiter unter Beleuchtung wurde mittels der kombinatorischen Methode der photoelektrochemischen Mikrowellenreflexion untersucht. Mittels dieser Methode können neben der Detektion der Ladungsträger, die in den externen Stromkreis gelangen (Photostrom), die im Halbleiter verbliebenen Überschussladungsträger (Mikrowellenreflexion) beobachtet werden. Durch Messen der vom periodisch beleuchteten Kristall reflektierten Mikrowellenstrahlung kann die lichtinduzierte Änderung der Leitfähigkeit bestimmt werden. Die Photoleitfähigkeit ist wiederum proportional zu der Anzahl der Überschussladungsträger im Halbleiter. Diese Untersuchungen wurden potentialgesteuert im Dreielektrodenaufbau mit verschiedenen Elektrolyten und bei unterschiedlichen Wellenlängen durchgeführt. Durch die Variation des Elektrolyten konnten die Grenzfälle des gehemmten und des ungehemmten Ladungstransfers angenähert werden. Aufgrund der unterschiedlichen Eindringtiefen von verschiedenen Wellenlängen wiederum ließen sich Aussagen über das Verhalten von Ladungsträgern im Volumen und in der Raumladungszone trennen. Um die ungesättigten Bindungen an der Kristalloberfläche zu passivieren, wurde die Oberfläche mit Substanzen (Cystein, EDTA, Tween 80) behandelt und der Einfluss auf Korrosion, Ladungstransfer und Rekombination untersucht. Es zeigte sich, dass die Dunkel- und die Photokorrosion durch Tween 80 reduziert werden können, wohingegen der Photostrom bei Anwesenheit eines Redoxsystems erhöht wurde. Bei EDTA wurde Gleiches festgestellt, aber mit geringeren positiven Effekten. Bei der Aminosäure Cystein trat eine Steigerung des Photostromes mit Redoxelektrolyt analog zu den anderen beiden untersuchten Verbindungen auf. In elektrochemisch inertem Elektrolyten ließ sich aber neben der Reduktion der Photokorrosion auch eine Löschung von Überschussladungsträgern im Halbleiter beobachten. Abschließend wurde der Empfindlichkeitsfaktor für die detektierte Mikrowellenreflexion bestimmt. Weiterführend konnte dieser Empfindlichkeitsfaktor genutzt werden, um eine Ladungstransferkonstante kct zu bestimmen.

In this thesis electrochemical and photoelectrochemical investigations on n-molybdenum disulfide and p-tungsten diselenide are presented. They have good preconditions to be used in thin film solar cells. So far the major drawback are the surface states induced by unsaturated bonds at the crystal edges which lower the efficiency of energy conversion. A major focus of this work was the investigation of the semiconductor/electrolyte interface. For the measurements mainly n-type MoS2 and some p-type WSe2 samples were used. As basic characterisation the back contact was tested. With AFM and XPS the surface was investigated. Hall and conductance measurements were performed for the electronic parameters and cyclic voltammetry and DEMS were carried out to test the electrochemical behaviour. The characteristics of these crystals under illumination were investigated using the combinatoric technique of simultaneous measurement of the photocurrent and the microwave reflection. By this method it is possible to detect the excess charge carriers that reach the external circuit (photocurrent) and the ones that remain in the semiconductor (microwave reflection). The measurement of the from the periodically illuminated crystal reflected microwave radiation provides the light induced change in photoconductance. This change in conductance is proportional to the number of excess charge carriers that remain in the semiconductor whereby their behaviour can be studied under different experimental conditions. The measurements were performed potential controlled in a three electrode setup with different electrolytes and different excitation wavelengths. By the variation of the electrolytes the border cases of inhibited and uninhibited charge transfer were approximated. Thereby conclusions on the charge transfer could be drawn. The behaviour of charge carriers in the bulk and in space charge region could be explored separately analysing different penetration depth of different wavelengths. To passivate the unsaturated bonds at the crystal edges, the surface was treated with different molecules (cysteine, EDTA and Tween 80) and the impact on corrosion, charge transfer and recombination investigated. Tween 80 showed an effective reduction of dark and photo corrosion in electrochemical inert electrolyte, whereas the photocurrent was enhanced in electrolyte with redox system. Similar results were obtained by the treatment with EDTA but to a smaller extent. If the surface was treated with cysteine the photocurrent was also enhanced in analogy to the results of the other adsorbed compounds. In electrochemical inert electrolyte along with the reduction of photo corrosion a quenching of excess charge carriers in the semiconductor was observed. Finally the sensitivity factor of the microwave reflection was calculated measuring at 875 nm illumination wavelength. This sensitivity factor could be used to calculate a charge transfer constant for holes under conditions of a moderate charge transfer.