GaSb-Photovoltaikzellen für die Thermophotovoltaik

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Schlegl, Thomas (2006) GaSb-Photovoltaikzellen für die Thermophotovoltaik. PhD, Universität Regensburg.

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Date of publication of this fulltext: 31 Jan 2006 07:44

Abstract (German)

Abstract (German)

Ziel dieser Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung von Photovoltaikmodulen. Dabei wurden zwei unterschiedliche Typen von auf GaSb-basierten Photovoltaikzellen eingesetzt. Der eine Zelltyp basiert auf einer mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) epitaktisch gewachsenen Halbleiterstruktur (sog. �MOVPE-Zelle�). Der p-n Übergang des anderen Zelltyps, der sog. �Zn-diffundierten Zelle�, wurde durch Zn-Diffusion aus der Gasphase hergestellt. Es wurde gezeigt, dass durch die Präparation der GaSb-Oberfläche vor der Diffusion die Form des Zn-Dotierprofils bedeutend beeinflusst werden kann. Der Diffusionsmechanismus von Zn in GaSb ist bestimmt durch die Ga-Leerstellen und das Ga-Eigenzwischengitteratom. Die Form des Zn-Dotierprofils ist festgelegt durch die Konzentration der Ga-Leerstellen, deren Generation maßgeblich von der Zn-Konzentration an der Oberfläche abhängt. Diese Tatsache wurde genutzt, um die Form des Zn-Dotierprofils in gewünschter Weise zu manipulieren.
Der Wirkungsgrad beider Zelltypen hinsichtlich eines Einsatzes in Thermophotovoltaiksystemen (TPV) wurde aus gemessenen Zellparametern abgeleitet. Ein Vergleich des Zellwirkungsgrads zeigt, dass die MOVPE-Zelle für die prognostizierten Einsatzbedingungen etwas besser abschneidet als die Zn-diffundierte Zelle. Eine genaue Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der Zellparameter verdeutlicht die Bedeutung der Kühlung der Zellen in einem TPV-System, da bei steigender Zelltemperatur ein signifikanter Rückgang des Wirkungsgrads droht.
Für die Simulation der MOVPE-Zelle wurden die benötigten Materialparameter vorgestellt und diskutiert. Fehlende und ungenaue Materialdaten vor allem der quaternären AlGaAsSb-Fensterschicht erschwerten eine präzise Beschreibung der PV-Zelle. Durch Variation der Beiträge der unterschiedlichen Rekombinationsmechanismen wurde der Einfluss der einzelnen Verlustmechanismen gezeigt.
Aufgrund ihrer strukturellen Verschiedenheit verhalten sich die untersuchten Photovoltaikzellen bei Untersuchungen zur beschleunigten Alterung unterschiedlich. Unter dem Einfluss einer stark oxidierenden Umgebung zeigt die Zn-diffundierte Zelle eine deutlich bessere Stabilität als die MOVPE-Zelle, deren Oxidationsbeständigkeit vor allem durch eine Al-freie Fensterschicht erhöht werden könnte. Zusätzlich könnten beide Zelltypen auch von einem verbesserten Schutz des Zellrands profitieren. Unter hohen Stromdichten kann dagegen weder bei der Zn-diffundierten noch bei der MOVPE-Zelle ein nennenswerter Einfluss festgestellt werden.
Die PV-Zellen wurden auf einem Substrat aus Aluminiumnitrid ohne signifikante Widerstandsverluste seriell zu einem Modul verschaltet. Durch eine genaue Charakterisierung der Module unter Laborbedingungen ist eine Vorhersage des Verhaltens der Module im TPV-System möglich. Hohe Stromdichten verursachen weder einen signifikanten Verlust des Modulwirkungsgrads noch eine Verschlechterung der Module bei langem Betrieb. Die Module sind daher für einen Einsatz in einem Thermophotovoltaikgenerator sehr gut geeignet.

Translation of the abstract (English)

The aim of the work presented in this thesis was to fabricate and characterise photovoltaic modules. Two different types of GaSb-based photovoltaic cells were examined: One type (so-called �MOVPE cell�) is made from a semiconductor structure which is epitaxially grown by metal-organic vapour phase epitaxy (MOVPE). The p-n junction of the other cell type � the so-called �Zn-diffused cell� � was produced by zinc diffusion out of the vapour phase. It was shown that the shape of the Zn diffusion profile can be massively influenced by the preparation before the diffusion process. The diffusion mechanism of Zn in GaSb is decisively affected by Ga vacancies and the Ga self-interstitial atom. The exact profile shape is determined by the concentration of the Ga vacancies. The generation of the Ga vacancies depends on the Zn surface concentration. This fact was used to influence the diffusion profile in the desired manner.
The efficiency of both cell types for operation in a thermophotovoltaic (TPV) generator was derived from measured cell parameters. The MOPVE cell exhibits a slightly higher efficiency than the Zn-diffused cell. Detailed examination of the temperature dependence of the cell parameters reveals a strong temperature influence on cell performance. Without cell cooling, a strong decrease in efficiency was observed.
A set of material parameters was discussed and used for the theoretical description of the MOVPE cell. An exact simulation of the MOVPE cells is not feasible due to the lack of precise data for the quaternary AlGaAsSb window layer. The influence on the quantum efficiency of the different recombination mechanisms was shown.
Under accelerated degradation conditions, the two cell types differ in behaviour due to their difference in cell structure. In an aggressively oxidising environment, the Zn-diffused cells display good stability. The MOVPE cells strongly deteriorate due to the oxidation of the Al-containing window layer. Both cell types could profit from improved protection of the cell edge. Operation at elevated current densities does not influence the performance of either cell type.
The photovoltaic cells were connected in series on a substrate made of aluminium nitride without significant resistance losses. Precise module characterisation under laboratory conditions allows the description of the module behaviour in a TPV generator. The efficiency and stability of the models remain stable at elevated current densities. The modules are therefore very well suited for operation in a thermophotovoltaic generator.

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	30 January 2006
Referee:	Werner (Prof. Dr.) Wegscheider
Date of exam:	7 November 2005
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Alumni or Retired Professors > Group Werner Wegscheider
Keywords:	Diffusion , Diffusionsprozess , GaSb , Zn-Diffusion , Thermophotovoltaik , beschleunigte Alterung , GaSb , Zn diffusion , thermophotovoltaics , accelerated aging , accelerated degradation
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	10412

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