@phdthesis{Kremling2013,
  author    = {Kremling, Stefan},
  title     = {Charakterisierung von InP und InGaN Quantenpunkten als Einzelphotonenquellen sowie von AlGaInAs Quantenpunkten in Zwischenband-Solarzellen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-101712},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit beschreibt die Charakterisierung von Halbleiter-Quantenpunkten (QP) in unterschiedlichen Materialsystemen. Die hier dargelegten Untersuchungen wurden mit verschiedenen Methoden der optischen Spektroskopie durchgef{\"u}hrt. Zu Beginn der Arbeit werden theoretische Grundlagen von QP hinsichtlich ihrer elektronischen Struktur und statistischen Eigenschaften erl{\"a}utert. Dar{\"u}ber hinaus wird n{\"a}her auf die Physik von Solarzellen eingegangen, in dem die relevanten Gleichungen f{\"u}r die Beschreibung des Ladungstr{\"a}gertransportes hergeleitet und diskutiert werden. Darauf folgend werden die experimentelle Methoden erkl{\"a}rt, welche zur Charakterisierung der jeweiligen Proben dienten. Besonderes Augenmerk wird auf die Methode zur Messung des Zwei-Photonen-Absorptionsprozesses gelegt. Der Abschnitt der experimentell gewonnenen Ergebnisse beginnt mit Untersuchungen an einzelnen, spektral isolierten InP QP, welche mit ultralangsamen Wachstumsraten hergestellt wurden. Aufgrund der sehr geringen Fl{\"a}chendichte konnten grundlegende physikalische Eigenschaften von QP ohne zus{\"a}tzliche laterale Strukturierungen studiert werden. Mittels Messungen in Abh{\"a}ngigkeit der Anregungsleistung und Detektion in Abh{\"a}ngigkeit der Polarisation konnten die verschiedenen Lumineszenzlinien eines QP-Spektrums den jeweiligen exzitonischen Zust{\"a}nden zugeordnet werden. Zus{\"a}tzlich wurden die QP in einem externen Magnetfeld in Faraday-Konfiguration untersucht. Abschließend durchgef{\"u}hrte Autokorrelationsmessungen erlaubten die Untersuchung der zeitlichen Statistik der QP-Photonen. Es konnte die Emission einzelner Photonen nachgewiesen werden. Anschließend folgen spektroskopische Untersuchungen von InP QP, welche mittels sequentiellen Wachstums hergestellt wurden. Anhand von Messungen in Abh{\"a}ngigkeit der Anregungsleistung und best{\"a}tigt durch zeitaufgel{\"o}ste Messungen am QP-Ensemble wurde eine bimodale QP-Verteilung mit Typ-I und Typ-II Bandverlauf bestimmt. Zus{\"a}tzlich konnten an einzelnen, spektral isolierten QP verschiedene Exziton-Zust{\"a}nde identifiziert werden, bevor abschließend Autokorrelationsmessungen die Emission einzelner Photonen demonstrierten. Zur Steigerung der Auskoppeleffizienz der Photonen wurden InP QP in Mikros{\"a}ulenresonatoren, bestehend aus zwei Bragg-Spiegeln mit einer dazwischenliegenden GaInP Kavit{\"a}t, eingebettet. Anfangs wurde die Emission der Kavit{\"a}tsmode von Strukturen mit unterschiedlichen lateralen Durchmessern charakterisiert. Mittels Temperaturverstimmung konnte die Energie eines einzelnen QP-Exzitons in Resonanz mit der Resonatormode gebracht werden. Im Regime der schwachen Wechselwirkung wurde eine signifikante {\"U}berh{\"o}hung der Lumineszenzintensit{\"a}t aufgrund des Purcell-Effektes gemessen. Zus{\"a}tzlich wurde im Regime der schwachen Kopplung die Emission einzelner Photonen anhand von Korrelationsmessungen nachgewiesen. Im zweiten Schritt wurden die QP-Mikros{\"a}ulenresonatorstrukturen elektrisch angeregt. Nach einer grundlegenden Charakterisierung konnte auch hier mittels Temperaturverstimmung die Energie der Resonatormode mit der eines Exziton in Resonanz gebracht werden. Im Regime der schwachen Wechselwirkung stieg die Intensit{\"a}t der Lumineszenz aufgrund des Purcell-Effekts signifikant an. Zum Abschluss best{\"a}tigen Korrelationsmessungen den Nachweis der Emission einzelner Photonen. In Kapitel 6 werden die Eigenschaften von InGaN QP genauer analysiert. Nitrid-Verbindungshalbleiter kristallieren vorzugsweise stabil in der Wurtzit-Kristallstruktur. Polare Kristallebenen mit fehlender Spiegelsymmetrie f{\"u}hren zu starken piezoelektrischen Feldern. Dies hat eine Lumineszenz mit ausgepr{\"a}gter linearer Polarisation zur Folge hat. Diese Eigenschaft wurde mittels statistischen Untersuchungen n{\"a}her betrachtet. Zus{\"a}tzlich erlaubten Messungen in Abh{\"a}ngigkeit der Anregungsleistung die verschiedenen Exziton-Zust{\"a}nde eines QP zu identifizieren. Zudem wurde die Emission einzelner Photonen durch InGaN QP demonstriert, erstmals sogar bis zu einer Temperatur von 50 K. Im abschliessenden Kapitel wird eine m{\"o}gliche Anwendung von QP pr{\"a}sentiert, bei der Eigenschaften in Bauteilen gezielt ausgenutzt werden, um die Bandbreite der Photonenabsorption zu erh{\"o}hen. Das Konzept der Zwischenband-Solarzellen verspricht auch Photonen mit einer Energie kleiner der Bandl{\"u}cke des umgebenden Materials aufnehmen zu k{\"o}nnen und somit den spektralen Absorptionsbereich zu erweitern. F{\"u}r eine systematische Untersuchung wurden verschiedene Proben mit integrierten AlGaInAs QP hergestellt. Anhand der Strom-Spannungs-Kennlinien der jeweiligen Proben im Dunkeln und unter Beleuchtung konnten wichtige Solarzellenparameter bestimmt werden. Spektrale Messungen liefern Informationen {\"u}ber die externe Quanteneffizienz der Proben. Entscheidend f{\"u}r den experimentellen Nachweis des Funktionsprinzips der Zwischenband-Solarzellen ist die Messung der Zwei-Photonen-Absorption f{\"u}r zwei Photonen mit jeweils kleineren Energien als der Bandl{\"u}cke des umgebenden Materials.},
  subject      = {Quantenpunkt},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Erfurth2010,
  author    = {Erfurth, Felix},
  title     = {Elektronenspektroskopie an Cd-freien Pufferschichten und deren Grenzfl{\"a}chen in Cu(In,Ga)(S,Se)2 D{\"u}nnschichtsolarzellen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-46208},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {Die in dieser Arbeit untersuchten Solarzellen auf Basis des Verbindungshalbleiters Cu(In,Ga)(S,Se)2 sind zur Zeit das vielversprechendste Materialsystem im Bereich der D{\"u}nnschichtfotovoltaik. Um damit m{\"o}glichst hohe Wirkungsgrade zu erreichen, ist eine CdS-Pufferschicht notwendig, welche aufgrund ihrer Toxizit{\"a}t und des schlecht integrierbaren, nasschemischen Abscheideprozesses durch alternative Pufferschichten ersetzt werden soll. Im Rahmen dieser Arbeit wurden solche Cd-freien Pufferschichten in Chalkopyrit-D{\"u}nnschichtsolarzellen untersucht. Dabei wurde insbesondere deren Grenzfl{\"a}che zum Absorber charakterisiert, da diese eine wesentliche Rolle beim Ladungstr{\"a}gertransport spielt. Die hier untersuchten (Zn,Mg)O-Schichten stellen ein vielversprechendes Materialsystem f{\"u}r solche Cd-freien Pufferschichten dar. Durch den Einbau von Magnesium k{\"o}nnen die elektronischen Eigenschaften der eigentlichen ZnO-Schicht an den Absorber angepasst werden, was zu deutlich h{\"o}heren Wirkungsgraden f{\"u}hrt. Als Hauptgrund geht man dabei von einer besseren Leitungsbandanpassung an der Grenzfl{\"a}che aus, welche allerdings bisher nur grob anhand der Position des Valenzbandmaximums an der Oberfl{\"a}che und der optischen Volumenbandl{\"u}cke abgesch{\"a}tzt werden konnte. In dieser Arbeit wurde diese Grenzfl{\"a}che daher mittels Photoelektronenspektroskopie und Inverser Photoelektronenspektroskopie untersucht, wobei durch die Kombination beider Methoden die Valenz- und Leitungsbandpositionen direkt bestimmt werden konnten. Es wurde gezeigt, dass der Bandverlauf an der Grenzfl{\"a}che tats{\"a}chlich durch die {\"A}nderung des Mg-Gehalts der (Zn,Mg)O-Schichten optimiert werden kann, was eine wichtige Voraussetzung f{\"u}r einen m{\"o}glichst verlustarmen Ladungstransport ist. Im Fall von reinem ZnO wurde ein „cliff" (Stufe nach unten) beobachtet, welches mit steigendem Mg-Gehalt abnimmt schließlich ganz verschwindet. Die weitere Erh{\"o}hung des Mg-Gehalts f{\"u}hrt zur Bildung eines „spike" (Stufe nach oben). Dass es sich bei einer solchen Stufe nicht um die abrupte {\"A}nderung des Bandverlaufs an einer „idealen", scharf definierten Grenzfl{\"a}che handelt, haben die vorliegenden Untersuchungen der chemischen Struktur gezeigt. Infolge der dabei beobachteten Durchmischungseffekte bildet sich eine sehr komplexe Grenzfl{\"a}che mit endlicher Breite aus. So wurde bei der Deposition der (Zn,Mg)O-Schichten die Bildung von In-O-Verbindungen an der Grenzfl{\"a}che beobachtet. Im Fall von Zn konnte die Diffusion in den Absorber nachgewiesen werden, wodurch es dort zur Bildung von ZnS kommt. Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wurde die Grenzfl{\"a}che zwischen der (Zn,Mg)O-Pufferschicht und CuInS2-Absorbern untersucht. Durch ihre h{\"o}here Bandl{\"u}cke im Vergleich zu den oben untersuchten Cu(In,Ga)(S,Se)2-Absorbern erhofft man sich eine h{\"o}here Leerlaufspannung und dadurch bessere Wirkungsgrade. Bisher liegt dieser Leistungsanstieg allerdings unter den zu erwartenden Werten, wof{\"u}r eine schlechte Anpassung des Leitungsbandverlaufs an die herk{\"o}mmliche CdS-Pufferschicht verantwortlich gemacht wird. Gerade f{\"u}r dieses Materialsystem scheint sich daher (Zn,Mg)O als Pufferschicht anzubieten, um die Bandanpassung an der Grenzfl{\"a}che zu optimieren. Bei den in dieser Arbeit durchgef{\"u}hrten Untersuchungen an dieser Grenzfl{\"a}che konnten ebenfalls Durchmischungsprozesse beobachtet werden. Zus{\"a}tzlich wurde gezeigt, dass auch bei diesem Materialsystem der Bandverlauf an der Grenzfl{\"a}che durch die Variation des Mg-Gehalts angepasst werden kann. Insgesamt konnte so f{\"u}r beide Absorbertypen ein detailliertes Bild der (Zn,Mg)O/Puffer-Grenzfl{\"a}che gezeichnet werden. F{\"u}r hinreichend gute Wirkungsgrade von Zellen mit „trocken" abgeschiedenen Pufferschichten ist in den meisten F{\"a}llen eine zus{\"a}tzliche, nasschemische Vorbehandlung des Absorbers notwendig, deren Einfluss auf die Absorberoberfl{\"a}che ebenfalls in dieser Arbeit untersucht wurde. Dabei hat sich gezeigt, dass durch eine solche Behandlung das auf der Oberfl{\"a}che angereicherte Natrium vollst{\"a}ndig entfernt wird, was eine deutliche Steigerung desWirkungsgrades zur Folge hat.Weitere Untersuchungen f{\"u}hrten zu dem Ergebnis, dass eine solche Reinigung der Absorberoberfl{\"a}che auch durch den Prozess der Sputterdeposition selbst hervorgerufen werden kann. So kommt es neben der Ablagerung des Schichtmaterials zu deutlichem Materialabtrag von der Absorberoberfl{\"a}che, wodurch diese von Adsorbaten und von auf der Oberfl{\"a}che sitzenden Oxidverbindungen gereinigt wird. Untersuchungen an Absorbern, welche in einem Cd2+-haltigen Bad vorbehandelt wurden, haben gezeigt, dass der dabei abgeschiedene CdS/Cd(OH)2-Film ebenfalls fast vollst{\"a}ndig w{\"a}hrend der Sputterdeposition entfernt wird. Abschließend wurden auf In2S3-basierende Pufferschichten charakterisiert, welche aufgrund ihrer bisher erreichten hohen Wirkungsgrade eine weitere Alternative zu CdS-Puffern darstellen. Hier wurde an der Grenzfl{\"a}che zum Absorber eine starke Diffusion der Cu-Atome in die Pufferschicht hinein beobachtet, wodurch es zur Bildung von CuInS2-Phasen kommt. Messungen an bei verschiedenen Temperaturen abgeschiedenen Schichten haben gezeigt, dass diese Diffusion durch hohe Temperaturen zus{\"a}tzlich verst{\"a}rkt wird. Gleichzeitig konnte auch die Diffusion von Ga-Atomen nachgewiesen werden, welche allerdings wesentlich schw{\"a}cher ausf{\"a}llt. Analog zu den vorangegangenen Ergebnissen konnte somit auch bei diesem Materialsystem die Ausbildung einer sehr komplexen Grenzfl{\"a}chenstruktur beobachtet werden.},
  subject      = {D{\"u}nnschichtsolarzelle},
  language  = {de}
}