Development of highly efficient four-junction solar cells based on antimonides

Die konzentrierende Photovoltaik ist eine innovative Technologie zur Umwandlung von Sonnenenergie, bei der Licht auf hocheffiziente III-V basierte Solarzellen konzentriert wird. Die Maximierung des Zellwirkungsgrades ist dabei ein entscheidender Hebel um die Kosten zu senken. Diese Herausforderung wird in der vorliegenden Arbeit angenommen, mit dem übergeordnete Ziel, die Basis für höchste Wirkungsgrade > 50 % mit einer gebondeten GaInP/GaAs/GaInAs//Ga(In)(As)Sb Vierfachzelle zu legen. Die Forschungsschwerpunkte umfassen das direkte Wafer-Bonding, die Epitaxie von Antimoniden sowie die Prozessierung und Optimierung der Vierfachsolarzelle. Die vorgestellte Arbeit ist von kumulativer Art und entsprechend sind die Ergebnisse hauptsächlich in fünf Zeitschriftenartikeln beschrieben. Zusätzlich werden einige unveröffentlichte Ergebnisse vorgestellt. Argonstrahl-aktiviertes Wafer-Bonding ist eine Schlüsseltechnologie um die Teilzellen der Vierfachzelle optisch transparent und elektrisch leitfähig zu verbinden. Diese Technik wurde erstmals für Antimonide entwickelt und dabei der Einfluss zahlreicher Prozessparameter untersucht. Stabile n GaSb/n GaInAs und n-GaSb/n-GaInP Bonds wurden realisiert, welche die Verbindung der Teilzellen in der Vierfachzelle mit niedrigsten Bondwiderständen < 3 mOcm2 ermöglichen. TEM Analysen lieferten Erkenntnisse über atomare Vorgänge an Bondgrenzflächen. Des Weiteren wurde das Wachstum von Antimoniden an einem ""CRIUS Showerhead"" MOVPE Reaktor etabliert, um eine effiziente, Sb-basierte Unterzelle für das Vierfachzellkonzept zu realisieren. Dieser Reaktor stellt aufgrund der kurzen Vorlaufzeit der Gase besondere Herausforderungen an das Wachstum bei niedrigen Temperaturen. Trotzdem konnten mit einer geeigneten Präkusorenauswahl und optimierten Prozessparametern GaSb, Al0.2Ga0.8As0.02Sb0.98 und Ga0.98In0.02As0.02Sb0.98 Schichten reproduzierbar mit niedriger RMS Rauheit < 0.2 nm gewachsen werden. Die elektrische Eigenschaften der gewachsenen Schichten wurden mittels einer neu entwickelten Methode für Hallmessungen untersucht, welche eine aussagekräftige Charakterisierung der Ladungsträgerkonzentrationen und Mobilitäten auch von gitterangepassten Antimoniden ermöglicht. Prozessierte n auf-p GaSb Einfachsolarzellen erreichten IQE Werte > 95 % und VOC Werte > 300 mV, welche die hohe Materialqualität der gewachsenen Antimonide bestätigen. Alle erwähnten Entwicklungen wurden in der Prozessierung einer GaInP/GaAs/GaInAs//Ga(In)(As)Sb Zelle kombiniert. Die implementierten Vierfachsolarzellen zeigen Effizienzen von bis zu 43.8 ± 2.6 % bei 796 Sonnen - dieser Wert ist einer der höchsten bisher publizierten Wirkungsgraden. Diese Resultate stellen eine vielversprechende Basis dar, um mit weiteren Anpassungen Wirkungsgrade bis zu 50 % für die Konvertierung von Sonnenlicht in elektrische Energie zu erreichen. Damit hat die Sb basierte Vierfachsolarzelle durchaus das Potential um zur Wettbewerbsfähigkeit der konzentrierenden Photovoltaik beizutragen.

Concentrating photovoltaics is an innovative technology for the conversion of the sun´s energy, in which sunlight is concentrated onto highly efficient III-V based solar cells. Maximizing the solar cell conversion efficiency is a key lever to reduce the resulting levelized costs of electricity. The presented work takes on this challenge with the overall goal to lay the foundation for highest efficiencies > 50 % with a novel, wafer-bonded GaInP/GaAs/GaInAs//Ga(In)(As)Sb four-junction cell. The research focus includes the MOVPE of antimonides, direct wafer bonding as well as the processing and optimization of the four-junction solar cell. The presented thesis is of cumulative type and accordingly, the main findings are described in five journal articles. Additionally, some unpublished results are presented. Key for the realization of the four-junction solar cell is an optically transparent and electrically conductive combination of the subcells, which was achieved via argon-beam activated wafer bonding. That technique was developed for antimonides for the first time and the influence of various process parameters investigated. Stable n-GaSb/n-GaInAs and n-GaSb/n-GaInP bonds were achieved, which allowed to combine the subcells in the four-junction cell with lowest bond resistances < 3 mOcm2. TEM imaging was applied to investigate atomic structures at the bonded interface during thermal annealing and provided insights into mechanisms that determine the electrical bond resistance. The growth of antimonides was further established in a CRIUS Showerhead MOVPE reactor in order to realize an efficient Sb-based bottom cell for integration in the four-junction cell concept. This reactor design poses particular challenges to growth at low temperatures, due to the reduced heating time of the gases. Nevertheless, a suitable selection of precursors and a wide range of optimized process parameters allowed growing GaSb, Al0.2Ga0.8As0.02Sb0.98 and Ga0.98In0.02As0.02Sb0.98 layers reproducibly with low RMS roughness < 0.2 nm. Electrical properties of the grown layers were determined using a new methodology for Hall effect measurements, which was developed for the meaningful characterization of the carrier concentrations and mobilities of lattice-matched antimonides. N-on-p GaSb single-junction solar cells have been processed, which exhibit IQE values > 95 % and VOC values > 300 mV that confirm the high crystal quality of the grown antimonides. All mentioned developments and findings were combined in the implementation of a GaInP/GaAs/GaInAs//Ga(In)(As)Sb four-junction solar cell. The processed cells exhibit efficiencies up to 43.8 ± 2.6 % at 796 suns, which represents one of the highest reported efficiencies to date. These results set a promising basis to further cell improvements in order to achieve efficiencies up to 50 % for the conversion of solar energy. Therefore, this wafer-bonded Sb-based four-junction solar cell has indeed the potential to increase the competitiveness of concentrating photovoltaics.