CuGaSe2 für die Anwendung in der Photovoltaik: Metallorganische Gasphasenepitaxie und optische Charakterisierung

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Herstellung und Untersuchung des Chalkopyrit-Verbindungshalbleiters CuGaSe2 in Hinblick auf dessen Anwendung als Absorber in Heterodünnschichtsolarzellen. Mittels MOVPE wurden Epitaxieschichten mit unterschiedlicher ternärer Komposition hergestellt, um an diesen monokristallinen Modellsystemen die Untersuchung grundlegender Material- und Bauelementeigenschaften frei von den Einflüssen von Korngrenzen zu ermöglichen. Zunächst wurden geeignete Prozeßparameter für das MOVPE-Wachstum von CuGaSe2 auf GaAs(001) gesucht und die Schichtzusammensetzung gezielt variiert. Die Charakterisierung mittels Photolumineszenz gliederte sich im wesentlichen in zwei Schwerpunkte. Zum einen die Untersuchung exzitonischer Linienspektren in quasi-stöchiometrischem CuGaSe2 sowie zum anderen die Untersuchung störstellenkorrelierter optischer Übergänge als Funktion der Komposition. Die Bindungsenergie des freien Exzitons in CuGaSe2 wurde zu EFX = (13 ± 2) meV bestimmt. Es wurden gebundene Exzitonen beobachtet, die akzeptorgebundenen Exzitonen (A0, X) zugeordnet werden konnten. Im Widerspruch zur Literatur wurde aus der temperaturabhängigen Untersuchung der freien Exzitonen kein anomales Temperaturverhalten der Bandlücke in CuGaSe2 festgestellt. Die optischen Übergänge unter Beteiligung von Störstellen konnten in einem Rekombinationsmodell mit zwei Akzeptoren und einem Donator erklärt werden. Es handelt sich dabei um Eigendefekte mit Ionisierungsenergien von (60 ± 10) meV und (100 ± 10) meV für die Akzeptoren sowie (12 ± 5) meV für den Donator. Die Existenz eines flachen kompensierenden Donators in CuGaSe2 bildet den wichtigsten neuen Aspekt dieses Modells. Die PL-Merkmale der Schichten mit Ga-reichen Kompositionen konnten in einem Modell für hochdotierte und hochkompensierte Halbleiter, im Modell der Potentialfluktuationen, beschrieben werden. Im letzten Teil der Arbeit wurde in einem ersten Schritt in Richtung des Bauelements einer Heterosolarzelle erstmals die Grenzfläche zwischen der ZnSe- Pufferschicht und dem Absorbermaterial CuGaSe2 untersucht. Es wurde eine Typ-I-Bandanpassung gefunden. Für die Valenz- und Leitungsbanddiskontinuitäten wurden Werte von DEV = (0.6 ± 0.1) eV bzw. DEL = (0.4 ± 0.1) eV bestimmt.

The chalcopyrite-type semiconductor CuGaSe2 was prepared and investigated aiming at its application as an absorber in thin film solar cells. Epitaxial layers of different chemical composition were grown by MOVPE in order to study fundamental properties of this semiconductor and its device free from the influence of grain boundaries. As a first step the growth parameters for the MOVPE of CuGaSe2 on GaAs(001) were investigated and the chemical composition was adjusted. Characterization by photoluminescence focussed on two main topics: a) the investigation of excitonic line spectra in quasi-stoichiometric CuGaSe2 and b) studies concerning optical transitions involving defects in CuxGaySe2 as a function of chemical composition. The binding energy of the free exciton was determined to be EFX = (13 ± 2) meV. Radiative recombination from bound excitons was attributed to neutral acceptor bound excitons: (A0, X). In contradiction to reports in the literature no anomalous temperature dependence of the band gap energy could be deduced from the investigation of the free excitonic line as a function of temperature.

Defect-correlated optical transitions were explained in a recombination model consisting of two acceptor and one donor levels showing ionisation energies of (60 ± 10) meV, (100 ± 10) meV and (12 ± 5) meV, respectively. The existence of a flat compensating donor in CuxGaySe2is the most important new aspect in this model. Photoluminecence properties of layers showing Ga-rich compositions were described in a model of highly doped and highly compensated semiconductors - the model of fluctuating potentials. As a first step towards the device the heterojunction between CuGaSe2 and ZnSe was investigated for the first time. A "type-I"-band allignment was found. The valence band and conduction band offsets were determined to be DEV = (0.6 ± 0.1) eV and DEL = (0.4 ± 0.1) eV.