abstract: III-V multijunction solar cells have demonstrated record efficiencies with the best device currently at 46 % under concentration. Dilute nitride materials such as GaInNAsSb have been identified as a prime choice for the development of high efficiency, monolithic and lattice-matched multijunction solar cells as they can be lattice-matched to both GaAs and Ge substrates. These types of cells have demonstrated efficiencies of 44% for terrestrial concentrators, and with their upright configuration, they are a direct drop-in product for today’s space and concentrator solar panels. The work presented in this dissertation has focused on the development of relatively novel dilute nitride antimonide (GaNAsSb) materials and solar cells using plasma-assisted molecular beam epitaxy, along with the modeling and characterization of single- and multijunction solar cells. Nitrogen-free ternary compounds such as GaInAs and GaAsSb were investigated first in order to understand their structural and optical properties prior to introducing nitrogen. The formation of extended defects and the resulting strain relaxation in these lattice-mismatched materials is investigated through extensive structural characterization. Temperature- and power-dependent photoluminescence revealed an inhomogeneous distribution of Sb in GaAsSb films, leading to carrier localization effects at low temperatures. Tuning of the growth parameters was shown to suppress these Sb-induced localized states. The introduction of nitrogen was then considered and the growth process was optimized to obtain high quality GaNAsSb films lattice-matched to GaAs. Near 1-eV single-junction GaNAsSb solar cells were produced. The best devices used a p-n heterojunction configuration and demonstrated a current density of 20.8 mA/cm2, a fill factor of 64 % and an open-circuit voltage of 0.39 V, corresponding to a bandgap-voltage offset of 0.57 V, comparable with the state-of-the-art for this type of solar cells. Post-growth annealing was found to be essential to improve Voc but was also found to degrade the material quality of the top layers. Alternatives are discussed to improve this process. Unintentional high background doping was identified as the main factor limiting the device performance. The use of Bi-surfactant mediated growth is proposed for the first time for this material system to reduce this background doping and preliminary results are presented. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2017

V této diplomové práci je nejprve ve zkratce uvedena teorie fyziky solárních článků, kde jsou zmíněny klíčové procesy ovlivňující účinnost konverze slunečního záření na elektrickou energii. Dále je předložena rešerše o fotovoltaických nanostrukturách (nanodráty, nanokrystaly), jejichž implementací je možné účinnost solárních článků zvýšit. V přehledu experimentálních technik ke zkoumání fotovoltaických nanostruktur je důraz kladen zejména na korelativní měření pomocí SEM a AFM, vodivostního AFM, měření EBIC a mikroskopické měření elektroluminiscence. V experimentální části jsou předloženy výsledky měření struktur mikrokrystalického křemíku, vzorku hetero-přechodového Si solárního článku s kontakty na zadní straně (IBC-SHJ z projektu NextBase) a V-pitů vzorku InGaN/GaN kvantových jam. Měření elektroluminiscence bylo provedeno na vzorcích III-V polovodičů (InGaP, GaAs). Byly vypočítány jinak těžko dostupné charakteristiky III-V tandemových solárních článků pomocí elektroluminiscence a srovnání vlastností IBC-SHJ zjištěných pomocí mikroskopického měření elektroluminiscence a EBIC. Provedením experimentů bylo zjištěno, jakým způsobem se dělí proud vybuzený svazkem elektronů mezi hrot AFM a vzorek mikrokrystalického křemíku.