Bandversetzte Heterostrukturen für die Nutzung der heißen Ladungsträger in Solarzellen der dritten Generation

Emelianov, Vitali GND

Die vorliegende Arbeit präsentiert Ergebnisse der experimentellen Prüfung des originalen Konzepts für eine Heißladungsträgersolarzelle. Die zu entwickelnde Solarzelle soll einen Energiegewinn durch fotogenerierte Heißladungsträger nachweisen und somit einen neuartigen Ansatz für die Weiterentwicklung effizienterer Solarzellenaufzeigen aufzeigen. Zwei Prototypstrukturen auf der Basis von Au:Zn/InP/PbSe/ZnO:Al und Ag/ZnTe/PbSe/ZnO:Al wurden mit kosteneffektiven Technologieprozessen hergestellt. Die Bandversätze und der Kristallaufbau in einer neuartigen heteroepitaktischen ZnTe/PbSe-Struktur wurden bestimmt und publiziert. Die gesamte Bänderanordnung der beiden Prototypzellen wurde rekonstruiert und analysiert. Beide Prototypzellen wurden sowohl mit klassischen als auch mit einer neuartigen Doppelstrahlmessmethode charakterisiert. In der zweiten Doppelheterostruktur wurde eine höhere Ausbeute an Heißladungsträgern festgestellt und diese begründet. An diesem zweiten Prototyp wurde unter natürlicher Sonnenbeleuchtung und bei Raumtemperatur eine Leerlaufspannung größer als die Bandlücke des Absorbers ermittelt. Dieses für Heißladungsträgersolarzellen charakteristische Verhalten wurde mit weiteren unabhängigen Messungen bestätigt. Die für den zweiten Solarzellenprototyp ungewöhnlichen Kennlinien erforderten eine neue Interpretation der Dynamik der Heißladungsträger auf Basis der Kinetischen Transporttheorie und der Thermoelektrizitätstheorie. Beide Modelle wurden anhand der bisher bekannten Phänomene betrachtet und in der vorliegenden Arbeit präsentiert.

This thesis presents results of the experimental tests of the original concept for a novel solar cell. This solar cell must confirm the energy exploitation of the photogenerated hot carriers and justify a new approach for the further development of the more efficient solar cells. The prototype structures, such as Au:Zn/InP/PbSe/ZnO:Al and Ag/ZnTe/PbSe/ZnO:Al, were produced using the cost-effective technologies. The band offsets and crystal structure in a previously unknown heteroepitactic ZnTe/PbSe structure were determined and published. The complete band arrangement in the both prototype cells was reconstructed and analysed. Both prototype cells were characterized with the classical methods and with a novel double-beam method. The more effective conversion yield of the hot carriers was noted and reasoned in the second double heterostructure. In this prototype was detected an open circuit voltage greater than the band gap of its absorber under natural sunlight illumination and room temperature. This characteristic behaviour for the HC solar cells was confirmed further by the independent measurements. The unusual for the solar cells IV characteristic of the second prototype has called a new interpretation of the hot carriers dynamics based on the kinetic transport and thermoelectricity theories. Both models have been considered based on the actual known phenomena and are presented in the thesis presented below.

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