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.

Des puits quantiques à base d'hétérostructures In0.53 Ga0.47 As/In0.52 Al0.48 As, fabriqués par épitaxie par jets moléculaires sur substrats InP(111)A, sont étudiés par microscopie et spectroscopie à effet tunnel à basse température et sous ultra-vide. La première partie est consacrée à une étude de la surface épitaxiée (111)A de In0.53 Ga0.47 As de type n. Il est découvert que le niveau de Fermi de surface est positionné dans la bande de conduction, à proximité du niveau de Fermi de volume, et peut être partiellement contrôlé en variant la concentration d'impuretés de type n dans le volume. Ce résultat est confirmé en déterminant la relation de dispersion de la bande de conduction en surface. Un tel dépiégeage partiel du niveau de Fermi de surface indique que la densité d'états de surface accepteurs est faible. Il est proposé que ces états proviennent de défauts ponctuels natifs localisés à la surface. La deuxième partie, basée sur les résultats obtenus dans la première partie, est consacrée à une étude de puits quantiques In0.53 Ga0.47 As de surface, déposés sur des barrières In0.52 Al0.48 As selon la direction (111)A. Les mesures sont conduites sur la surface épitaxiée (111)A du puits quantique In0.53 Ga0.47 As, de manière à pouvoir sonder à l'échelle du nanomètre la distribution de densité locale d'états électroniques dans le plan du puits quantique. Il est confirmé que des sous-bandes électroniques sont formées dans le puits quantique, et que la concentration d'électrons dans le puits peut être contrôlée du fait du dépiégeage partiel du niveau de Fermi de surface. Il est découvert qu'un phénomène de percolation d'états localisés survient dans la queue de chaque sous-bande, ce qui indique la présence d'un potentiel désordonné dans le puits quantique. Les seuils de percolation sont déterminés en utilisant un modèle semi-classique. L'origine du potentiel désordonné est attribuée à une distribution aléatoire des défauts ponctuels natifs à la surface du puits quantique. Il est également découvert qu'un état lié apparaît au bas de chaque sous-bande à proximité d'un défaut ponctuel natif de type donneur. L'énergie de liaison et le rayon de Bohr des états liés peuvent être directement déterminés. De plus, il est démontré que l'énergie de liaison et le rayon de Bohr sont fonctions de l'épaisseur du puits quantique, en accord quantitatif avec des calculs variationnels d'impuretés dans le modèle de l'atome d'hydrogène.