Entwicklung neuer Verfahren zur räumlich hochauflösenden Charakterisierung von Solarzellen

Der stetig steigende Weltenergieverbrauch wird derzeit zu 85% durch fossile Energieträger gedeckt. Im Hinblick auf den Klimawandel und schwindende Ressourcen ist hier ein Wandel hin zu regenerativen Formen der Energieerzeugung dringend geboten und auf lange Sicht alternativlos. Hier kommt speziell der Photovoltaik (PV) eine besondere Rolle zu, stellt sie doch den direktesten Weg dar um elektrischen Strom aus unserer wichtigsten Energiequelle, der Sonne, zu gewinnen. Aktuelle Generationen von PV-Anlagen besitzen aber nach wie vor eine zu geringe Leistungsfähigkeit bei zu hohen Kosten, um mit konventionellen Formen der Energieerzeugung wirtschaftlich konkurrieren zu können. Diesbezüglich bieten hocheffiziente Mehrschichtsolarzellen in Verbindung mit kostengünstigen Konzentratoroptiken zur Fokussierung einfallender Sonnenstrahlung einen möglichen Ausweg. Große Hoffnungen im Rahmen der Weiterentwicklung solcher Systeme ruhen auf dem Materialsystem (GaIn)(NAs), mit dem sich bereits bestehende Mehrschichtsolarzellenkonzepte nahezu ideal ergänzen ließen. Allerdings sind speziell die Ladungsträgerdiffusionslängen, welche sich derzeit in (GaIn)(NAs)-basierten Solarzellenschichten erzielen lassen, nicht hoch genug, um zufriedenstellende Wirkungsgrade erzielen zu können. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei neuartige Verfahren zur Charakterisierung von Solarzellen, basierend auf der Messung laserinduzierter Photoströme, entwickelt und deren Zuverlässigkeit und Aussagekraft anhand eingehender Testmessungen sowie numerischer Simulationen untersucht. Hierbei handelt es sich um Methoden zur ortsaufgelösten Messung lokaler Photoströme bei fester Vorspannung (engl.: spatially-resolved photocurrent spectroscopy, SRPS) beziehungsweise zur Aufnahme lokaler Strom-Spannungs-Kennlinien an einer bestimmten Probenposition (engl.: spatially-resolved IV-characteristics, SRIV). Es zeigt sich, dass mit Hilfe von SRPS und SRIV eine zuverlässige und aussagekräftige Charakterisierung von Solarzellenprototypen möglich ist, die insbesondere eine Bestimmung der lokalen p-n-Parameter wie Kurzschlussstrom, Sättigungsstrom, Idealitätsfaktor und anregungsinduzierter Nebenwiderstand mit sehr hoher Ortsauflösung erlaubt. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen dienten SRPS und SRIV als Bewertungsgrundlage in Versuchen zur Verbesserung prozessierter (GaIn)(NAs) Solarzellenschichten für Konzentratoranwendungen. Diese hatten zum Ziel durch den Einsatz starker elektrischer Ströme und intensiver Laserpulse die Materialqualität solcher Strukturen derart zu verbessern, dass deren Verwendung in einer zukünftigen Generation von PV-Systemen mit deutlich erhöhtem Wirkungsgrad möglich wird. Hier konnten erste Erfolge verbucht werden. So ließ sich zeigen, dass starke elektrische Ströme insbesondere in Sperrrichtung des p-n-Übergangs zu einer deutlichen Erhöhung des Kurzschlussstroms führten, wobei allerdings der Nebenwiderstand der untersuchten Probe bis auf wenige Ohm abfiel. Ferner führte intensive Laserbestrahlung unter bestimmten Voraussetzungen zu einer signifikanten Erhöhung der Ladungsträgerlebensdauer und Photolumineszenz, was sich allerdings nicht in einer Verbesserung der elektrischen Eigenschaften manifestierte. In Rahmen eines zweiten Projekts wurde der Einfluss einer möglichen Ladungsträgerverarmung auf die Auswertung von Strichlängenexperimenten, welche zur Bestimmung der optischen Verstärkung potentieller Lasermaterialien dienen, untersucht. Hier konnte anhand numerischer Simulationen und begleitender Messungen an einem GaAs-Quantenfilm klar gezeigt werden, dass die Methode der variablen Strichlänge in ihrer klassischen Form lediglich innerhalb eines sehr schmalen Parameterbereichs ihre Gültigkeit hat. Außerhalb dieser Grenzen, welche sich nur mit großem Aufwand und bei genauer Kenntnis der Probeneigenschaften bestimmen lassen, führt eine unvermeidliche Ladungsträgerverarmung infolge stimulierter Emissionsprozesse zu einer deutlichen Verfälschung der Auswertungsergebnisse. Da in aller Regel die erwähnten Kenntnisse im Vorfeld einer Messung naturgemäß nicht vorliegen, stellt dies die Zuverlässigkeit und Aussagekraft dieses Verfahrens generell in Frage