In the quantum dot implementation of an intermediate band solar cell presented in this thesis, the offset of the intermediate band with respect to the conduction band is approximated by the ground state energy of a single electron in a single quantum dot heterojunction. The ground state energy is calculated with the radial Schrodinger equation with a Hamiltonian whose potential is composed from the step-like conduction band offset of the quantum dot heterojunction and the 1/r electrostatic potential of the hydrogenic impurity. The position of the intermediate band is tuned by adjusting the radius of the quantum dots. By assuming that the centrally located impurities are ionized, the location of the Fermi energy is guaranteed to be within the intermediate band. An intermediate band solar cell contains three bands: a conduction band, a valence band; and an intermediate band. The addition of an intermediate band augments the photogeneration of carriers. These additional carriers allow for an increased theoretical efficiency as compared to a conventional homojunction solar cell. The challenges in implementing an intermediate band solar cell involve centering the intermediate band at an energy level matched to the solar spectrum and aligning the Fermi energy within the intermediate band. The latter is necessary to ensure both a supply of electrons capable of photon induced transition to the conduction band as well as a large population of holes that allow photon induced electrons to transition from the valence band to the intermediate band. This thesis presents a novel material system, InPAs quantum dots enveloped in AlGaAs barriers grown on GaAs substrates, with which to implement an optimized QD-IBSC. This novel material system is selected based upon a refined set of design rules that include a requirement that the quantum dot/barrier pair offer a negligible valence band offset. With such a design rule the existence of hole levels is avoided, thus reducing bandgap narrowing at the valence band edge and the existence of minibands below the intermediate band.

Ce travail s’intéresse aux cellules solaires multi-transitions. Deux semiconducteurs à niveaux subbandgap : un highly mismatched alloy, le GaAsPN, et un absorbeur à boites quantiques. Les états subbandgap permettent de modifier l’énergie de gap ou de créer une bande intermédiaire au milieu du gap. En premier lieu, une introduction de la cellule solaire par l’étude de luminescence est présentée. Des liens entre luminescence et propriétés électriques sont établis, et les limites thermodynamiques de l’efficacité des dispositifs multi-transitions sont explicitées. Enfin, une méthode optique de caractérisation des cellules solaires est démontrée. La première partie expérimentale de la thèse est dédiée au développement d’une top cell en GaAsPN en accord de maille avec une bottom cell en Silicium. Des simulations numériques ont mis en évidence les difficultés à surmonter pour ce type de matériau. La dynamique des porteurs a été étudiée par photoluminescence en régime permanent et résolue en temps. Ces mesures ont mis en évidence que les absorbeurs crûs souffraient d’états fortement localisés, majoritairement dus à des clusters d’azote. Ces états nous ont permis en revanche d’étudier les propriétés de bande intermédiaire de cet alliage. Enfin, une méthode optique de caractérisation, adaptée aux IBSCs et à la mise en évidence des deux mécanismes clés de ce concept (two-step two-photon absorption et la préservation de la tension). Cette méthode a été appliquée à deux candidats pour les IBSCs, un absorbeur à multi-puits quantiques et un à boîtes quantiques. Les résultats montrent que l’absorbeur à boîtes quantiques présente un comportement compatible avec les IBSCs. / This thesis deals with the multi-transition solar cells by studying two subband gap localised states materials: one highly mismatched alloy, GaAsPN, and one multi-stacked quantum dots heterostructure. These subband gap states give the possibility to tune the band gap energy or create two photon transitions inside a single the absorber. In a first part, a radiance based introduction of the solar cell is presented. Links between radiances and electrical properties are pointed out. From this analysis, the thermodynamic limits of the single and multiple transition solar cells are derived and key mechanisms for multi-transition solar cells are identified. A universal optical characterisation method for probing electrical properties of solar cells is displayed. The first experimental part of this thesis was dedicated to the development of a GaAsPN based pin top cell lattice matched with a Silicon bottom cell. Numerical simulations have been carried out. Carrier dynamics has been studied by steady-state and time-resolved photoluminescence, with the conclusion that the GaAsPN we grew still suffer from multiple strongly localised states below the band gap, mainly due to N-clusters. Finally, we have taken advantages of the strong carrier localisation for a use as an intermediate band solar cell. Eventually, a quantitative optical characterisation method was developed in order to evaluate the potential of an absorber as an IBSC. The two key processes, the two-step two-photon absorption and the voltage preservation, can be widely investigate through it. This method has been applied to two IBSC candidates, a MQW and a MSQD absorbers. The MSQD cell have shown IB compatibility.

Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss der Abscheideparamter von In2S3 Dünnfilmen, die mittels thermischem Verdampfen hergestellt wurden, auf ihre physikalischen Eigenschaften untersucht. Es zeigte sich, dass die Abscheideparameter einen starken Einfluss auf die Oberflächenmorphologie und die strukturellen Eigenschaften haben. Durch eine Optimierung der Herstellungsparameter konnten β-In2S3 Dünnfilme in (103) Orientierung hergestellt werden. Epitaktisches Wachstum von In2S3 Schichten mit jeweils zwei bzw. vier Rotationsdomainen wurden auf c- und a-Saphir erreicht. Die fundamentale optische Bandlücke wurde für alle Dünnfilme zu 2.1 eV bestimmt. Eine starke persistente Photoleitung, welche auf tiefe Defekte innerhalb der Bandlücke zurückgeführt werden konnte, wurde unabhängig von den Abscheideparametern und dem gewählten Substrat beobachtet. Prototypen für Solarzellen wurden aus n-In2S3 und p-Zinkkobaltoxid (ZCO) hergestellt und zeigen ein hohes Sperrverhältniss und photovoltaische Aktivität, welche jedoch durch Absorption im ZCO limitiert wird. Im zweiten Teil der Arbeit wurden In2S3:V Dünnfilme ohne bzw. mit Saat- und Pufferschichten hergestellt, um deren physikalische Eigenschaften zu untersuchen bzw. um Zwischenbandsolarzellen herzustellen. Ein großer Dotierbereich von bis zu 11.4 at-% V, wurde durch einen kombinatorischer Ansatz erziehlt. Für Dünnfilme ohne Saatschicht wurde die Löslichkeitsgrenze von Vanadium in In2S3 zu 3.2 at-% V (auf Saphirsubstraten) bzw. 5.4 at-% V (auf Glassubstraten) bestimmt. Durch die Verwendung einer Saatschicht konnte die In2S3 β-Phase stabilisiert und darüber hinaus die Ausbildung von Fremdphasen unterdrückt werden. In2S3:V Dünnfilme mit über 5.8 at-% V auf Saphirsubstraten zeigten bei Raumtemperatur p-Typ Leitfähigkeit. Für Temperaturen unterhalb einer kritischen Temperatur ergab sich ein Wechsel von p- zu n-Leitung. Darüber hinaus sank die Mobilität dieser Schichten unterhalb der kritischen Temperatur signifikant ab. Die Ladungsträgerdichte blieb jedoch über den gesamte Temperaturbereich hinweg konstant und war mit Werten im Bereich von 1022 cm−3 zudem sehr hoch. Diese elektrischen Eigenschaften sind sehr untypisch für einen gewöhnlichen Halbleiter. Sie konnten jedoch im Rahmen dieser Arbeit durch das Modell der Zwischenbandsolarzelle beschieben werden. Als Schlussfolgerung dessen, wurde die Vanadiumkonzentration, bei der sich das Zwischenband ausbildet zu 3.2 at-% V bestimmt. Da sich herausstellte, das In2S3:V bei Raumtemperatur p-Typ ist, konnten keine Zwischenbandsolarzellen mit p-ZCO hergestellt werden.:1 Introduction 1 2 Theoretical background 3 2.1 Indium sulfide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.2 The physics of solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.3 The concept of intermediate band solar cells . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.4 Indium sulfide as intermediate band material . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.5 Charge transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.6 Electronic defect states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3 Methods 17 3.1 Growth and structuring techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1.1 Thermal evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1.2 Pulsed laser deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1.3 Sputter deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.1.4 Photolithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2 characterization techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.1 X-ray diffraction measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.2 Hall effect measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.3 Current-voltage measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.4 Temperature-dependent current-voltage measurement . . . . . . 26 3.2.5 Resistance measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.6 Spectroscopic ellipsometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.7 Energy dispersive X-ray spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2.8 Transmittance and reflection spectroscopy . . . . . . . . . . . . 27 4 Physical properties of undoped In2S3 . . . . . . . . . .29 4.1 Impact of the growth parameters on the composition . . . . . . . . . . 31 4.2 Desorption mechanisms and their influence on the growth rates . . . . . 33 4.3 Surface morphological properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.4 Structural properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.5 Optical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.5.1 Dielectric function and absorption coefficient of In2S3 . . . . . . 43 4.5.2 Impact of the growth parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.5.3 Impact of the composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.5.4 Impact of the substrate crystallinity . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.6 Electrical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.6.1 Persistent photoconductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.6.2 Temperature dependent resistivity and Hall effect measurements 63 4.7 Device characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.7.1 Impact of the growth parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.7.2 Impact of the substrate crystallinity . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.8 Solar cell performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.8.1 Impact of the growth parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.8.2 Impact of the substrate crystallinity . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5 Physical properties of vanadium-doped In2S3. . . . . . . . . .91 5.1 Vanadium incorporation into the In2S3 thin films . . . . . . . . . . . . 93 5.2 Surface morphological properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.3 Structural properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.4 Optical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.5 Electrical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.6 Device characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6 Summary and Outlook . . . . . . . . . .125 List of Abbreviations. . . . . . . . . . 131 List of Symbols. . . . . . . . . . 133 Bibliography . . . . . . . . . .137 List of Own and Contributed Articles . . . . . . . . . .149 Appendix . . . . . . . . . .151 Publikationsliste nach Promotionsordnung § 11(3). . . . . . . . . . 161 Zusammenfassung nach Promotionsordnung § 11(4) . . . . . . . . . .163 / In the first part of the presented work the influence of the growth parameter of In2S3 thin films, grown by physical vapor deposition, on their physical properties is investigated. The deposition parameters were found to have a strong influence on the surface morphology and the structural properties. By choosing appropriate deposition parameters β-phase In2S3 with a pure (103) orientation was achieved. Epitaxial growth with 2 and 4 rotational domains could be induced using c- and a-plane sapphire, respectively. The fundamental optical bandgap was determined to be direct with an energy of 2.1 eV for all In2S3 thin films. A strong persistent photoconductivity, which was attributed to deep defects within the bandgap, was observed for all In2S3 thin films independent of the preparation conditions and independent of the kind of substrate. Solar cells of n-In2S3/p-zinc-cobalt-oxide (ZCO) exhibit high current rectifications and photovoltaic activity but suffer from absorption in the ZCO layer. To study the physical properties of In2S3:V thin films and to implement intermediate band solar cells (IBSC) In2S3:V thin films without and with seed and buffer layers were fabricated, respectively. Using a combinatorial material synthesis approach doping concentrations of up to 11.4 at-% V were achieved. Thin films without seed layers exhibit a solubility limit of vanadium of 3.2 at-% V and 5.4 at-% V for thin films on sapphire and glass substrates, respectively. The In2S3:V β-phase could be stabilized and the formation of secondary phases suppresed by inserting a seed layer. A change of the type of the charge carriers from p-type at room temperature to n-type at low temperatures was observed for thin films with doping concentrations above 5.8 at-% V on sapphire substrates. Furthermore, the mobility decreases significantly below the critical temperature. Contrarily, a very high charge carrier concentration was observed independent of the temperature. This behavior, which is untypical for conventional semiconductors, could be described using the intermediate band (IB) model. According to the results of this work and the IB model, one can conclude, that above a vanadium concentration 3.2 at-% V an IB has formed. Due to the p-type conductivity of In2S3:V thin films at room temperature, rectifying IBSCs could not be implemented using p-type ZCO. Therefore, it should be replaced by an n-type material in future investigations.:1 Introduction 1 2 Theoretical background 3 2.1 Indium sulfide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.2 The physics of solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.3 The concept of intermediate band solar cells . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.4 Indium sulfide as intermediate band material . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.5 Charge transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.6 Electronic defect states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3 Methods 17 3.1 Growth and structuring techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1.1 Thermal evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1.2 Pulsed laser deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1.3 Sputter deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.1.4 Photolithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2 characterization techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.1 X-ray diffraction measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.2 Hall effect measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.3 Current-voltage measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.4 Temperature-dependent current-voltage measurement . . . . . . 26 3.2.5 Resistance measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.6 Spectroscopic ellipsometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.7 Energy dispersive X-ray spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2.8 Transmittance and reflection spectroscopy . . . . . . . . . . . . 27 4 Physical properties of undoped In2S3 . . . . . . . . . .29 4.1 Impact of the growth parameters on the composition . . . . . . . . . . 31 4.2 Desorption mechanisms and their influence on the growth rates . . . . . 33 4.3 Surface morphological properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.4 Structural properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.5 Optical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.5.1 Dielectric function and absorption coefficient of In2S3 . . . . . . 43 4.5.2 Impact of the growth parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.5.3 Impact of the composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.5.4 Impact of the substrate crystallinity . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.6 Electrical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.6.1 Persistent photoconductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.6.2 Temperature dependent resistivity and Hall effect measurements 63 4.7 Device characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.7.1 Impact of the growth parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.7.2 Impact of the substrate crystallinity . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.8 Solar cell performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.8.1 Impact of the growth parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.8.2 Impact of the substrate crystallinity . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5 Physical properties of vanadium-doped In2S3. . . . . . . . . .91 5.1 Vanadium incorporation into the In2S3 thin films . . . . . . . . . . . . 93 5.2 Surface morphological properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.3 Structural properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.4 Optical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.5 Electrical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.6 Device characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6 Summary and Outlook . . . . . . . . . .125 List of Abbreviations. . . . . . . . . . 131 List of Symbols. . . . . . . . . . 133 Bibliography . . . . . . . . . .137 List of Own and Contributed Articles . . . . . . . . . .149 Appendix . . . . . . . . . .151 Publikationsliste nach Promotionsordnung § 11(3). . . . . . . . . . 161 Zusammenfassung nach Promotionsordnung § 11(4) . . . . . . . . . .163