Entwicklung von GaInP/GaAs/Si-Mehrfachsolarzellen mittels Wafer-Bonding

Abstract

Dreifachsolarzellen bestehend aus III-V-Verbindungshalbleitern und Germanium erreichen heutzutage Wirkungsgrade über 40% unter konzentriertem Sonnenlicht. Sie bestehen aus mehreren übereinander gestapelten Teilzellen und können im Vergleich zu konventionellen Silicium-Solarzellen einen größeren Teil des Sonnenspektrums in elektrische Energie umwandeln.Ziel dieser Dissertation ist es, eine GaAs-basierte Mehrfachsolarzelle zu entwickeln, bei der die Germanium-Unterzelle durch eine Silicium-Solarzelle ersetzt wird. Da Silicium im Vergleich zu Germanium deutlich besser verfügbar und kostengünstiger ist, stellt dieses Solarzellenkonzept eine vielversprechende Alternative zu der etablierten Ga0.50In0.50P/Ga0.99In0.01As/Ge-Dreifachsolarzelle dar.Die Herausforderung in der Herstellung von Ga0.51In0.49P/GaAs/Si-Dreifachsolarzellen lag bisher in den unterschiedlichen Gitterkonstanten und thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Si und GaAs. Deshalb entstehen beim direkten Wachstum auf Silicium Kristalldefekte in den GaAs-Mittel- und Ga0.51In0.49P-Oberzellen, welche ihre Effizienzen reduzieren. Um solche Defekte zu verhindern, wird in dieser Arbeit ein neuer Ansatz verfolgt. Zunächst werden Ga0.51In0.49P/GaAs-Zweifachsolarzellen mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) gitterangepasst auf GaAs-Substraten abgeschieden und danach durch direktes Wafer-Bonding bei Temperaturen zwischen 20°C und 120°C mit separat hergestellten Si-Solarzellen verbunden.Ein Schwerpunkt dieser Dissertation liegt deshalb auf der Entwicklung einer mechanisch stabilen, optisch transparenten und elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen Si und GaAs. Dafür wird das atomstrahlaktivierte Wafer-Bonding-Verfahren verwendet und optimiert. Es können Si/GaAs Wafer-Bonds ohne makroskopische Fehlstellen an der Grenzfläche hergestellt werden, die hohe Bondfestigkeiten besitzen. Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopaufnahmen von Si/GaAs Wafer-Bonds zeigen, dass eine 2 bis 3 nm dicke amorphe Schicht an der Grenzfläche existiert, welche durch die Akkumulation von Atomstrahl-induzierten Kristalldefekten entsteht. Elektrisch aktive Defekte, die während der Atomstrahlbehandlung entstehen, beeinträchtigen außerdem den Ladungsträgertransport über die Si/GaAs Bondgrenzfläche. Dieser Effekt wird anhand eines theoretischen Modells diskutiert und temperaturabhängige Strom-Spannungs-Kennlinien werden genutzt, um die Höhe der Potentialbarriere an der Si/GaAs Grenzfläche zu bestimmen. Durch die Reduktion der Defektdichte an der Grenzfläche und die Verwendung einer höher dotierten n-GaAs Bondschicht können schließlich erstmals Si/GaAs Wafer-Bonds mit linearer Strom-Spannungs-Kennlinie bei Raumtemperatur und einem niedrigen Grenzflächenwiderstand von ca. 3.6×10-3 Ωcm² realisiert werden.Dieser optimierte atomstrahlaktivierte Wafer-Bonding-Prozess wird genutzt, um Ga0.51In0.49P/GaAs/Si-Dreifachsolarzellen herzustellen. Die Mehrfachsolarzellen erzielen bereits Wirkungsgrade von bis zu 25.6% unter einfacher und 30.2% unter 112-facher Sonnenkonzentration.