[pt] Se faz um estudo detalhado sobre o crescimento de GaInNAs pela técnica de metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) com o objetivo de diminuir a contaminação residual do carbono no material. Para isso se pesquisa a influência dos precursores assim como dos diferentes parâmetros de crescimento na morfologia, na contaminação residual e na incorporação de diferentes elementos nos materiais. A temperatura, a taxa de crescimento, a razão As/III, o conteúdo do nitrogênio e os diferentes precursores são os parâmetros alterados de uma amostra para a outra. Como alguns precursores não foram usados antes para este material semicondutor, inicialmente apenas o GaAs foi examinado, passando posteriormente aos materiais ternários GaInAs e GaNAs, para finalmente obter o GaInNAs. Através da caracterização das amostras obtém-se a qualidade dos materiais assim como a contaminação residual do carbono. São utilizadas técnicas de difração de raios-X de alta resolução (HR-XRD), microscopia de força atômica (AFM), perfil eletroquímico de capacitância-tensão (ECV), espectrometria de massa de íons secundários (SIMS), fotoluminescência (PL) e técnicas in-situ próprias do reator MOVPE para avaliar o efeito dos parâmetros de crescimento epitaxial sobre a qualidade das estruturas obtidas, assim como sobre a incorporação dos diferentes elementos nos materiais. O crescimento do GaInNAs no reator CRIUS foi bem sucedido com algumas combinações dos precursores. Se confirmou que o alto nível do carbono está relacionado à quantidade do nitrogênio no cristal e que o carbono é fornecido pelos grupos metil dos precursores, principalmente pelo TMGa, seguido do TMIn. Todas as medidas para reduzir a incorporação residual do carbono foram bem sucedidas. O uso de precursores do grupo III sem grupo metil reduz significativamente a dopagem residual do carbono. Finalmente foram crescidas células solares para avaliar o material no dispositivo. / [en] A detailed investigation the GaInNAs growth by metalorganc vapor phase epitaxy (MOVPE) is performed in order to reduce the carbon background in the material. For this, the precursors , as well as the different growth parameters influence on crystal morphology, carbon background and the incorporation of different elements on the semiconductor material, are investigated. The temperature, the growth rate, the As/III ratio, the nitrogen content, and the different precursors were varied from one sample to another. Particularly, since some precursors were never used for this semiconductor material, initially, only GaAs was examined, later the GaInAs and the GaNAs ternary materials were grown, to finally obtain the GaInNAs. The samples characterization was used to assess materials quality, as well as the carbon background incorporation. Different characterization techniques such as High-Resolution X-Ray Diffraction (HR-XRD), Atomic Force Microscopy (AFM), Electrochemical Capacitance-Voltage (ECV) and In-Situ measurements were used to evaluate the effect of the epitaxial growth parameters on the quality of the obtained structures, as well as on the different elements incorporation in the semiconductor material. GaInNAs was successfully grown in the MOVPE reactor with particular precursors combinations. The relation between the high carbon level and the nitrogen amount in the crystal was confirmed, as well as the fact that carbon is supplied by methyl-groups of the precursors, especially TMGa, followed by TMIn. All measures to reduce carbon background incorporation were successful. The use of methyl group free III precursors significantly reduces the carbon background incorporation. Finally, solar cells were grown to evaluate the material in the device.

[pt] A célula solar de banda intermediária (IBSC) é um dispositivo de terceira geração alternativo à célula solar de junção única e permite atingir maior eficiência mantendo a simplicidade de ter apenas uma junção pn, garantindo baixo custo e baixa complexidade de fabricação. Nesta tese, um extenso trabalho experimental é apresentado, utilizando as técnicas de microscopia de força atômica, microscopia eletrônica de transmissão, catodoluminescência e fotoluminescência, além de extenso trabalho teórico baseado em simulações realizadas com os programas nextnano e SCAPS. Através dos dados obtidos, é discutida a escolha do InGaP para a matriz da célula solar e do InAs para os pontos quânticos; a inclusão das field damping layers, que minimizam o efeito negativo do campo elétrico sobre os pontos quânticos; o desordenamento do InGaP bulk; como pontos quânticos pequenos e com cap layers de menor espessura alteram a tendência de ordenamento das camadas subsequentes de InGaP; a inclusão de uma camada de GaP para garantir a qualidade das interfaces durante o crescimento da estrutura; e a otimização dos pontos quânticos para atingir a energia ideal teórica para a banda intermediária. Cinco estruturas completas de células solares de referência e de banda intermediária baseadas nas discussões apresentadas são então propostas para crescimento futuro. Estas estruturas de IBSC devem apresentar figuras de mérito interessantes, como VOC entre 1,32 eV e 1,44 eV (1; 2), aumento entre 5 por cento e 50 por cento na ISC (3) e baixos efeitos resistivos, garantindo FF alto e eficiências superiores à das células solares de referência. / [en] The intermediate band solar cell (IBSC), an alternative to the single junction solar cell, is a third generation device that achieves greater efficiency while maintaining the simplicity of having only one pn junction, guaranteeing low cost and low complexity to manufacture. In this thesis, an extensive experimental work is presented, using atomic force microscopy, transmission electron microscopy, cathodoluminescence and photoluminescence techniques, in addition to an extensive theoretical work based in simulations performed with nextnano and SCAPS softwares. Through the obtained data, the choice of InGaP for the solar cell matrix and InAs for the quantum dots; the inclusion of field damping layers to minimize the negative effect of the electric field on the quantum dots; the disordering of bulk InGaP; the way small quantum dots with thinner cap layers alter the ordering tendency of subsequent layers of InGaP; the inclusion of a GaP layer to ensure the interfaces’ quality during the structure s growth; and the quantum dots optimization to reach the intermediate band ideal theoretical energy are discussed. Five complete structures for reference and intermediate band solar cells based in the presented discussions are then proposed for future growth. These IBSC structures should present interesting figures of merit, such as a VOC ranging between 1,32 eV and 1,44 eV (1; 2), an increase between 5 per cent and 50 per cent in ISC (3) and low resistance effects, ensuring a high FF and efficiencies superior to the reference solar cells.

[pt] Substratos de germânio (Ge) são utilizados para o crescimento de dispositivos optoeletrônicos III-V, como células solares. Porém, o Ge é uma matéria-prima crítica devido à sua disponibilidade limitada. Além disso, o substrato de Ge representa cerca de 30-40 por cento dos custos totais de uma célula solar de junção tripla. Neste trabalho, foram crescidas amostras e células solares III-V sobre substratos de Ge com diferentes tecnologias (tec). Três diferentes tecs foram investigadas: 1) utilizando substratos de Ge com camadas porosas para crescer materiais III-V, sendo que a camada porosa é retirada para que o substrato possa ser reutilizado; 2) utilizando substratos mais finos e com menos processos de finalização da superfície, o que a deixa mais rugosa comparada a substratos comerciais; 3) substituindo o substrato de Ge por substratos alternativos que compreendam outros elementos, como um substrato de Si onde é depositado um buffer metamórfico de SiGe, no qual o parâmetro de rede foi ajustado até o chegar no de Si0.1Ge0.9. Os substratos utilizados não são perfeitos como os substratos comerciais de Ge e podem gerar defeitos nas camadas de III-V subsequentes. Para investigar a influência desses substratos nas camadas III-V foram crescidas heteroestruturas duplas (HED) de AlGaInAs/GaInAs nos substratos das tecs 1 e 2 e HED de AlGaAs/GaAs nos substratos da tec 3. Suas propriedades foram avaliadas com AFM para obter a rugosidade média quadrática e possíveis defeitos da superfície, catodoluminescência para estimar a densidade de defeitos na estrutura e Electron Channeling Contrast Imaging para identificar os tipos de defeitos encontrados com CL. Além disso, para as amostras crescidas sobre os substratos tec 1, suas composições e espessuras foram investigadas por XRD e com fotoluminescência resolvida no tempo avaliou-se o tempo de vida dos elétrons. Nos substratos das tecs 2 e 3 também foram crescidas células solares de junção tripla, que foram processadas e caracterizadas por curvas I-V e EQE. Os resultados obtidos com todas as tecs levam a uma perspectiva otimista para um futuro com células solares mais baratas e que utilizem menos Ge. / [en] Germanium (Ge) substrates are used for the growth of III-V optoelectronic devices such as solar cells. However, Ge is a critical raw material due to its limited availability. Furthermore, Ge substrate accounts for about 30-40 percent of the total costs of a triple junction solar cell. In this work III-V samples and solar cells were grown on Ge substrates with different technologies (techs). Three different techs were investigated: 1) using Ge substrates with porous layers to grow III-V materials, in which the porous layer is removed so that the substrate can be reused; 2) using thinner substrates and with fewer surface finishing processes, which makes it rougher compared to commercial substrates; 3) replacing the Ge substrate with alternative substrates that comprise other elements, such as a Si substrate where a metamorphic SiGe buffer is deposited, in which the lattice parameter is gradually adjusted until it reaches Si0.1 Ge0.9. The substrates used are not as perfect as commercial Ge substrates and can generate defects in the subsequent III-V layers. To investigate the influence of these substrates on III-V layers, double heterostructures (DH) of AlGaInAs/GaInAs were grown on the substrates of techs 1 and 2 and DH of AlGaAs/GaAs on the substrates of tech 3. Their properties were evaluated with AFM to obtain the root mean square roughness and possible surface defects, cathodoluminescence to estimate the density of defects in the structure and Electron Channeling Contrast Imaging to identify the types of defects found with CL. Furthermore, for samples grown on tech 1 substrates, the compositions and thicknesses were evaluated by XRD, and with time-resolved photoluminescence, the lifetime of the electrons was evaluated. Triple junction solar cells were also grown on techs 2 and 3 substrates, which were processed and characterized by I-V and EQE curves. The results obtained with all tecs lead to an optimistic perspective for a future with cheaper solar cells that use less Ge.

[pt] Neste trabalho tem sido investigado a presença de defeitos em células solares de banda intermediária (IB) de GaAs con pontos quânticos (PQs) de InAs. As três células estudadas contêm camadas de separação entre as camadas de PQs, as quais foram crescidas à diferentes temperaturas, e camadas delgadas de recobrimento dos PQs de diferentes espessuras. As eficiências de conversão de energia destas células foram medidas previamente, sendo que a célula com camadas de separação crescidas à 700 graus C e com camadas de recobrimento de 3 nm é a mais eficiente (6.9 por cento). As outras duas células com camadas de recobrimento de 6 nm apresentam menores eficiências: uma, com camadas separadoras crescidas à 700 graus C, com 5.1 por cento, e a outra, com camadas separadoras crescidas à 630 graus C, com 2.8 por cento. Estudos de DLTS e Laplace DLTS mostram que há um grande número de defeitos em altas concentrações na célula menos eficiente, enquanto nas outras duas células só é detetado o mesmo defeito EL2 em menores concentrações. Portanto, a redução dos defeitos induz o incremento da eficiência das células IB. Amostras adicionais foram crescidas e estudadas pelas mesmas técnicas, entre elas, três células solares com estruturas idênticas às das células IB, mas sem PQs, e quatro amostras GaAs mono-camada dopadas com carbono e silício, similares às camadas de contacto p e n das células IB. Do estudo das três células sem PQs foi possível determinar que alguns defeitos nas células IB são induzidos pelas condições de crescimento dos PQs ou são induzidos pela temperatura de crescimento das camadas separadoras. O estudo das amostras mono-camada indicou a presença de defeitos nos contatos p e n que podem armadilhar os portadores foto-excitados nas células sob operação e, portanto, limitar a eficiência delas. Os resultados deste trabalho contribuem para desenvolver novas estratégias para crescimento epitaxial de células IB no laboratório LabSem na PUC-Rio. / [en] Defects present in structures of intermediate band (IB) solar cells of GaAs with InAs quantum dots (QDs) grown by MOVPE have been investigated. The three studied IB solar cells differ in the growth temperature of the spacer layers that separate the InAs QD layers in the active region and the thickness of the thin layer that capping each QD layer. Previously, the energy conversion efficiencies of these cells were measured and the cell with the highest spacer layer-growth temperature (700 C degrees) and thinner capping layer (3 nm) showed the highest efficiency, about 6.9 percent. The cells with thicker capping layers (6 nm) showed lower efficiencies, one of them, with spacer layers grown at 700 C degrees, reaching 5.1 percent, and the other one, with spacer layers grown at 600 C degrees, reaching only 2.8 percent. In this work, DLTS and Laplace DLTS studies show that the cell with the lowest efficiency has the largest number and highest concentrations of defects, unlike the other two cells, which have only one trap, EL2, in lower concentrations. These results demonstrate that the different growth conditions are determinant for the formation of defects and that the defect reduction leads to the increase of the IB solar cell efficiencies. Other samples were also grown and studied by the same techniques: three solar cells with identical structure as the IB solar cells, but without QDs, and individually doped GaAs samples that represent the p and n contact sides of the IB solar cells. From the study of the cells without QDs, the origin of some defects in the IB solar cells was found to be related to the QD growth conditions or related to the spacer layer-growth temperature. The study of the GaAs samples indicated the presence of defects in the p and n sides that could trap photo-excited carriers collected through these contacts during cell operation and thus reduce the efficiency. The results of this work allow developing new strategies to improve the epitaxial growth quality of IB solar cells in the laboratory of semiconductors LabSem of PUC-Rio where the studied samples were grown.