Modelling of III-V Solar Cells

Mit der Entwicklung von Verfahren zur Beschreibung der optischen Vorgänge in Strukturen aus III-V Verbindungshalbleitern wurde die Grundlage für die exakte Modellierung von III-V Solarzellen gelegt.Zwei charakteristische Eigenschaften von III-V Solarzellen sind verantwortlich für den Entwicklungsbedarf der Simulationswerkzeuge, die aufgrund der Silicium dominierten Modellierung bisher vernachlässigt wurden: Zum einen kommt es durch den nur wenige Mikrometer dünnen, elektrisch aktiven Bereich der III-V Solarzelle zu optischen Interferenzen in den Schichten. Zum anderen ist der Ladungsträgertransport in und zwischen den Schichten durch den rein optischen Prozess der Emission und Absorption von Photonen (Photon-Recycling) zu berücksichtigen. Für beide Phänomene wurden Verfahren entwickelt, die für beliebige planparallele Schichten anwendbar sind.Zur Beschreibung der Reflexion und Transmission von dünnen planparallelen Schichtsystemen unter Berücksichtigung von Interferenzen wie Antireflexbeschichtungen oder dielektrische Spiegel, ist die Matrixmethode hervorragend geeignet. Die Anwendbarkeit dieser Methode auf III-V Solarzellen wurde mittels Reflexionsmessungen verifiziert. Mit der Erweiterung der Matrixmethode zur Bestimmung des lokalen elektrischen Feldes in den Schichten, wurde die Voraussetzung geschaffen, die ortsaufgelöste optische Generation unter Beachtung von Interferenzeffekten zu berechnen. Als weiterer wichtiger Effekt konnte die Diffusion der Ladungsträger während der Thermalisierung identifiziert werden. Damit kann eine für die elektrischen Simulation zentrale Eingangsgröße, nämlich die Verteilung der optisch generierten Ladungsträger, für III-V Solarzellen exakt beschrieben werden.Die Umverteilung der Ladungsträger durch Emission und Absorption von Photonen wurde bisher nur für einzelne Schichten beschrieben. Mit Hilfe des hier entwickelten Verfahrens kann die Umverteilung für beliebige planparallele Schichtsysteme mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen erfolgen. Um die umfangreichen Berechnungen zu beschleunigen, wurde die Methode der optischen Kopplungsmatrix eingeführt. Damit kann, nach einmaliger Berechnung der für eine Struktur charakteristischen Matrix, die Umverteilung durch eine einfache Matrixmultiplikation bestimmt werden. Erst dieser Geschwindigkeitsgewinn ermöglicht es, das Verfahren in die elektrische Simulation zu integrieren.Ein Anwendungsgebiet der entwickelten Verfahren war die Modellierung von zeitaufgelösten Photolumineszenz Messungen von Doppelheterostrukturen. Durch die orts- und zeitaufgelöste Simulation konnte der Einfluss der optischen Kopplung auf das Minoritätsladungsträgerprofil und den Signalverlauf detailliert untersucht werden.Durch die Integration der entwickelten Verfahren zusammen mit dem kommerziellen Halbleitersimulationspaket IseTcadTools in die Simulationsumgebung PVObjects, konnte ein Werkzeug zur umfassenden Modellierung von III-V Solarzellen etabliert werden. Als erste Teststruktur zur Überprüfung der Simulationswerkzeuge wurde eine GaAs Solarzelle verwendet. Sowohl Reflexion als auch die Hellkennlinienparameter und die Externe Quanteneffizienz konnten mit zufriedenstellender Genauigkeit modelliert werden. Durch die Anpassung der Modellparameter war es möglich, die Einflüsse der Hauptverlustmechanismen und den potenziellen Wirkungsgradgewinn durch ihre Beseitigung für die untersuchte Struktur quantitativ zu bestimmen.Da alle entwickelten Verfahren für beliebige planparallele Schichtsysteme konzipiert sind, ist eine Anwendung auf III-V Tandemsolarzellen problemlos möglich. Zusätzliche elektrische Phänomene, die zum Beispiel zur Beschreibung der Tunneldiode benötigt werden, sind durch das kommerzielle Halbleitersimulationsprogramm DESSIS bereits abgedeckt. Um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, ist in einem nächsten Schritt eine Intensivierung der Materialcharakterisierung nötig. Eine verbesserte Materialdatenbasis zusammen mit den in dieser Arbeit entwickelten Modellen bilden die Basis für die exakte Modellierung von III-V Solarzellen, Tandemsolarzellen eingeschlossen.