Zwischenband-Solarzellen auf Basis Übergangsmetall-substituierter Indium-Thiospinelle
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt hatte zum Ziel die Erforschung des breitbandigen Thiospinell-Halbleiters In2S3 mit elektronischem Zwischenband für optische Multispektralanregung von Ladungsträgern und daraus abgeleiteter photovoltaischer Bauelemente. Durch Dotierung von In2S3 mit Übergangsmetallatomen M (M=Ti, V, Nb) sollte gezeigt werden, dass mittels Defektbandabsorption ein signifikanter Anteil an Photonen mit Energien unterhalb der Bandlücke von In2S3 zur Generation von freien Ladungsträgern beitragen kann. Weiterhin sollte gezeigt werden, dass das Defektband gemäß der Theorie delokalisierter Elektronenzustände nicht zu erhöhter Rekombination der Ladungsträger im erhaltenen In2S3:M führt. Durch Kombination mit transparenten Kontaktschichten sollte im In2S3:M Halbleiter ein geeigneter Potentialverlauf induziert und eine effiziente Ladungstrennung bewirkt werden. Der Halbleiter In2S3 wurde ausgewählt, weil er gemäß theoretischer Vorhersage ideale Voraussetzungen für die Ausnutzung eines Defektbandes besitzt. In dem Projekt konnten neue Erkenntnisse zum Wachstum von In2S3 und In2S3:M Schichten gewonnen werden. Durch die Verwendung von aktiviertem Schwefeldampf konnte die Substrattemperatur bei MBE Deposition erheblich gesteigert werden um höher geordnete Schichten zu erhalten. Dabei war ein Meilenstein die Entwicklung von epitaktischen In2S3 Schichten. Es wurde für das System In2S3:V erstmals gezeigt, dass es zur Bildung einer Fremdphase für Dotierstoffkonzentrationen von über 3 at.% kommt, wobei die angenommene Fremdphase VS4 nicht eindeutig bestimmt wurde. Weiterhin wurde ein Übergang von β-In2S3 nach α-In2S3 für Dotierungen um 3% gefunden. Oberhalb von 3 at.% Vanadium Anteil tritt ein bislang nicht berichteter Wechsel im Ladungsträgertyp bei ca. 100 K auf, der mit der Fremdphase VS4 in Verbindung stehen kann. Mittels EXAFS Messungen wurde der Einbau von Vanadium Atomen in das In2S3 Gitter auf Oktaederplätzen erstmals bestätigt. Jedoch belegten auch diese Experimente die zunehmende Unordnung im Gitter mit höherem Vanadium Gehalt. Optische Charakterisierung mittels Photolumineszenz deutet auf eine hohe Defektdichte hervorgerufen durch die Vanadium Dotierung hin. Ein Defektband trat in 2-Photonenexperimenten nicht zutage, woraus gefolgert wurde, dass das erwartete Band nicht existiert. Diese Ergebnisse stehen im Widerspruch zu in der Literatur berichteten experimentellen Befunden. Allerdings konnten in einer Zusammenarbeit in dem Projekt mit der Fachgruppe Albe in Darmstadt auch theoretische Argumente zur Nichtexistenz dieses Defektbandes erhalten werden. Der Unterschied zu vormaligen Ergebnissen ist in der Verwendung von Hybrid-Funktionalen begründet. Es wurden verschiedene Versuche zur Dotierung mit Ti und Nb unternommen. Allerdings konnten die für ein Zwischenbandeffekt erforderlichen Dotierstoffkonzentrationen von über 5% nicht erreicht werden. Diese Konzentrationsanforderung war in einer kürzlich veröffentlichten Arbeit anderer AutorInnen theoretisch bestimmt worden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Properties of epitaxially grown In2S3:V thin films for intermediate band solar cell application. 2020 47th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2663-2666. IEEE.
Jawinski, Tanja; Lorenz, Michael; Scheer, Roland; Grundmann, Marius & von, Wenckstern Holger
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Highly crystalline In2S3 thin films epitaxially grown on sapphire substrates. AIP Advances, 12(12), 125215.
Jawinski, Tanja; Sturm, Chris; Clausing, Roland; Kempa, Heiko; Grundmann, Marius; Scheer, Roland & von, Wenckstern Holger
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Elucidating the local structure of V substitutes in In2S3 as potential intermediate band material by x-ray absorption spectroscopy and first principles calculations. Journal of Physics: Energy, 5(3), 035003.
Ghorbani, Elaheh; Schiller, Martin; Falk, Hans H.; Wägele, Leonard A.; Eckner, Stefanie; d.’Acapito, Francesco; Scheer, Roland; Albe, Karsten & Schnohr, Claudia S.
