dc.contributor.author
Oertel, Jürgen
dc.date.accessioned
2018-06-07T20:34:55Z
dc.date.available
2003-11-18T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/6966
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-11165
dc.description
Titel und Widmung
Inhalt
1.
Einleitung 1
2.
Materialeigenschaften von Pyrit 7
3.
Pyritschichten als Absorber in Solarzellen 15
4.
Stromtransport in polykristallinen Halbleitern 19
5.
Charakterisierungsmethoden 27
5.1. Röntgendiffraktometrie 27
5.2. Rutherford-Rückstreuspektroskopie (RBS) 29
5.3. Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA 31
5.4. Elektronenmikroskopie 33
5.5. Elektrische Messungen 33
5.6. Zeitaufgelöste Mikrowellenleitfähigkeit 36
5.7. Photoelektronenspektroskopie 38
6.
Schichtherstellung mit Metallorganischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) 41
6.1. Grundlagen des MOCVD ? Prozesses 41
6.2 Technischer Aufbau der MOCVD - Anlage 43
6.3. Prozessparameter und Prozessführung zum Abscheiden von FeS2-Schichten 45
7.
n-Dotierung von Pyritschichten 51
7.1. Precursoreigenschaften 51
7.2. Prozessführung
53
7.3. Chemische Schichtzusammensetzung 55
7.4. Struktur dotierter Schichten 59
7.5. Zusammenfassung 64
8.
Elektrische und optische Eigenschaften dotierter Pyritschichten 67
8.1. Ladungsträgerdichten 67
8.2. Leitfähigkeit und Beweglichkeit 70
8.3. Seebeckmessungen 79
8.4
Optische Messungen
84
8.5
Photoelektronenspektroskopische Untersuchungen
90
8.6
Mikrowellenleitfähigkeitsmessungen
95
8.7
Zusammenfassung
99
9.
Beeinflußung der elektrischen Eigenschaften durch thermische Nachbehandlung
103
9.1
Probenbehandlung
103
9.2
Strukturelle Effekte
105
9.3
Elektrische Effekte
108
9.4
Schlußfolgerungen
112
10.
Versuche zur Herstellung homoepitaktischer p-n-Übergänge
115
10.1
Verwendete Substrate
115
10.2
Substratvorbehandlung und Schichtabscheidung
116
10.3
Strom-Spannungskennlinien von pn-Übergängen
122
10.4
10.4 Zusammenfassung
125
11
Zusammenfassung 127
Verwendete Symbole und Konstanten
131
Literaturverzeichnis
133
Kurzfassung
139
Abstract 141
Veröffentlichungen 143
Danksagung 145
Lebenslauf 147
dc.description.abstract
Mit Metallorganischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) werden Schichten aus
Fe1-xCoxS2 mit x ≤ 0.1 auf Substraten aus Glas, Silizium und natürlichem
Pyrit präpariert und charakterisiert. Verwendet werden als Precursor die
Verbindungen t-Butyldisulfid, Eisenpentacarbonyl und Tricarbonyl-Nitrosyl-
Cobalt. Mit Ausnahme einiger Schichten auf natürlichen, einkristallinen
Pyritsubstraten wachsen die Schichten polykristallin mit Korngrößen im Bereich
von 50 bis 500 nm. Die Messung der strukturellen und chemischen
Zusammensetzung erfolgt mit Röntgen- und Ionenstrahlmethoden. Cobalt wird
proportional zum Anteil in der Gasphase während der Abscheidung auf
Eisengitterplätzen in die Kristallstruktur eingebaut. Neben der Pyritstruktur
mit leicht vergrößerter Gitterkonstante werden keine anderen
kristallographischen Phasen gefunden.
Die Schichten weisen bei hinreichend hohen Cobaltkonzentration (x ≥ 3.10-3 )
n-Leitung auf. Der Übergang von p-Leitung undotierter Schichten zur n-Leitung
cobaltdotierter Schichten zeigt sich sowohl im Umschlag des
Seebeckkoeffizienten als auch im Auftreten eines negativen Hallkoeffizienten.
Hallmessungen ermöglichen die direkte Bestimmung der
Ladungsträgerkonzentration im Bereich von etwa n = 6.1020 cm-3 bis n = 6.1021
cm-3 . Die Schichten zeigen bei allen Cobaltkonzentrationen halbleitendes
Verhalten, wobei sich die Bandlücke mit zunehmender Cobaltkonzentration um
etwa 100 meV bei x = 0.1 reduziert.
Die dotierten Schichten haben bei Raumtemperatur Ladungsträgerbeweglichkeiten
von µe = 0.1 ... 5 cm2 /Vs. Die Temperaturabhängigkeit der Beweglichkeit kann
durch ein Modell der thermischen Emission von Ladungsträgern über
Korngrenzenbarrieren interpretiert werden. Diese werden durch akzeptorartige
Haftstellen an den Korngrenzen induziert. Die Dichte der Haftstellen, die
erstmals für polykristallines n-dotiertes Pyrit bestimmt wurde, liegt im
untersuchten Dotierungsbereich bei etwa Nt = 1013 cm -2. Das ist mindestens
eine Größenordnung höher als bei anderen Halbleitern wie z. B. Silizium. Eine
kleinere Trapdichte bei niedrigeren Dotierungskonzentrationen ist je nach
energetischer Lage der Trapzustände in der Bandlücke möglich, aber nach den
XPS-Ergebnissen nicht zu erwarten.
Die Photoaktivität der dotierten Schichten zeigt sich in einem deutlichen
Signalanstieg bei der Messung der Mikrowellenreflexion bei Anregung mit
Laserlicht der Wellenlängen 1047 nm und 523 nm.
Thermische Nachbehandlung bei 600 °C unter Schwefelatmosphäre führt sowohl bei
dotierten als auch bei undotierten Schichten neben einer Erhöhung der
Korngröße zu einer Reduzierung der Ladungsträgerkonzentration und der
Leitfähigkeit.
Die homoepitaktische Abscheidung n-dotierter Pyritschichten auf natürlichen,
einkristallinen Substraten ist gelungen, durch den Mangel an geeigneten
p-leitenden Substraten jedoch nur auf n-leitenden Substraten. pn-Übergänge aus
(001)-texturierten Fe0.99Co0.01 S2-Schichten auf p-leitenden Substraten zeigen
ein vorhandenes, aber nur schwach ausgeprägtes Sperrverhalten.
de
dc.description.abstract
Layers of Fe1-xCoxS2 with x ≤ 0.1 are grown by metal-organic chemical vapour
deposition (MOCV) on substrates of glass, silicon and natural pyrite and
characterised. T-butyl disulfide, iron pentacarbonyl and tricarbonyl nitrosyl
cobalt are used as precursors. With the exception of some layers, grown on
natural single crystalline pyrite substrates, the layers are polycrystalline
with grain sizes ranging from 50 to 500 nm. The chemical and structural
composition is analysed by X-ray- and ion beam methods. Cobalt is incorporated
in the lattice on iron sites proportional to the fraction in the gas phase
during the deposition. Except for the pyrite structure with a slightly
increased lattice constant no other crystal phase is detected.
For sufficiently high cobalt concentrations (x ≥ 3.10-3) the layers exhibit
n-type conductivity. The transition from p-type conductivity of undoped layers
to n-type conductivity of cobalt doped layers is indicated by the turn over of
the Seebeck-coefficient as well as by the occurrence of a negative Hall-
coefficient. For high carrier concentrations n = 6.1020 cm-3 Hall measurements
allow the determination of carrier densities. For all cobalt concentrations
the samples exhibit a semiconducting behaviour and the bandgap decreases with
increasing cobalt concentration by about 100 meV for x = 0.1.
At room temperature cobalt doped samples show Hall mobilities in the range of
µe = 0.1 ... 5 cm 2 /Vs. The temperature dependence of the carrier mobility
can be explained by a model, where the charge carriers are thermally emitted
over the grain boundary barriers. They are induced by acceptor type traps at
the grain boundaries. The trap density, here estimated for the first time for
polycrystalline n-type doped pyrite, is about Nt = 1013 cm -2 in the
examinated doping range. This is about one order of magnitude higher than
reported for other semiconductors, e. g. polycrystalline silicon. With lower
doping concentrations smaller trap densities might occur depending on the
energy position of the trap states in the bandgap. However, according to the
XPS-results this is not to be expected.
The photoactivity of the doped layers is proved by a significant increase of
the signal amplitude of microwave reflection at excitations with laser light
of 1047 nm and 523 nm.
Subsequent thermal treatment at 600 °C under sulphur atmosphere results for
doped as well as for undoped layers in an increased grain size and decreased
carrier concentration and conductivity.
The epitaxial deposition of n-type doped pyrite layers on natural
monocrystalline substrates was successful, but - due to lack of suitable
p-type substrates - only on n-type substrates. p-n junction of (001)-textured
Fe0.99Co0.01S2 layers on p-type substrates show identifiable but weak diode
behaviour.
en
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Compound semiconductor
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
dc.title
Materialchemische und elektronische Untersuchungen cobaltdotierter MOCVD-
Schichten aus Pyrit für photovoltaische Anwendungen
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Helmut Tributsch
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Hans Hartl
dc.date.accepted
2003-11-04
dc.date.embargoEnd
2003-11-26
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-2003002898
dc.title.translated
Chemical and electronic analysis of cobalt doped pyrite MOCVD layers for
photovoltaic applications
en
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000001116
refubium.mycore.transfer
http://www.diss.fu-berlin.de/2003/289/
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000001116
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access