Schlussbericht
(Deutsch)
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In diesem Forschungsprojekt sollte untersucht werden, ob sich Photozellen auf SiGe Basis für die Anwendung in der Thermophotovoltaik (TPV) eignen. Die technische Hauptschwierigkeit der TPV besteht in der Abstimmung des Strahlungsspektrums des Emitters mit der Bandlücke der Photozelle. Mit der Entwicklung von selektiven Emittern aus Yb2O3 oder Er2O3 stehen leistungsfähige TPV Emitter zur Verfügung, die sich zusammen mit Si oder Ge Photozellen einsetzten Lassen. Durch die Möglichkeit der Variation der Bandlücke als Funktion des Ge-Gehaltes in SiGe bietet dieses Material grundsätzlich die Möglichkeit, Photozellen zu entwickeln, die sich optimal an das Strahlungsspektrum dieser Emitter anpassen lassen.In dieser Arbeit wurden SiGe Nanostrukturen, wie quantum wells und quantum dots untersucht, die sich in eine Si Photozelle einbauen lassen, um deren Bandlücke zu verkleinern und an das Strahlungsspektrum eines TPV Emitters anzupassen. Natürlich ist es auch denkbar, solche Zellen in Tandem-Solarzellen einzusetzen. Eine variable Bandlücke eröffnet in diesem Fall eine elegante Möglichkeit der Anpassung der Kurzschlussströme beider Einzelzellen. Zunächst wurde eine Si Photozelle entwickelt, die für TPV Anwendungen optimiert ist. Diese Zelle konnte zum einen in einem parallel durchgeführten anwendungsorientierten TPV Projekt zum Einsatz kommen, zum anderen war geplant, in die Raumladungszone einer sehr ähnlichen Zelle später die SiGe Nanostruktur einzubauen.Als aussichtsreichste Struktur wurden verspannte SiGe Schichten ausgewählt. Solche Schichten konnten in einer UHV-CVD-Anlage mit Ge-Gehalten von 10 % bis 50 % und Schichtdicken von 1 nm bis 6 nm epitaktisch auf Si gewachsen werden. Stapel mit bis zu 40 solcher SiGe Schichten wurden mit TEM und Röntgendiffraktometrie charakterisiert, um Wachstumsparameter, wie kritische Schichtdicke und Wachstumsgeschwindigkeit zu bestimmen.Zur Messung des Absorptionskoeffizienten in derartigen SiGe Quantum wells wurde eine Absorptionsweg in den SiGe Schichten von über 10 _m erreicht wird. Mit diesen Messungen konnte erstmals der Absorptionskoeffizient in verspannten SiGe Quantum wells gemessen werden. Die Verringerung der Bandlücke durch Verspannung konnte ebenso nachgewiesen werden wie die gefundene Absorptionskoeffizient bei Photonenenergien von mindestens 50 meV unterhalb der Bandlücke von Si bei allen Proben etwa eine Grössenordnung zu niedrig, um solche Strukturen sinnvoll in Photozellen einsetzten zu können.Als Alternative wurden gegen Ende des Projektes Ge Quantum dots auf Si Oberflächen gewachsen und untersucht. Es konnte das Wachstum von Ge Inseln mittels UHV-CVD demonstriert werden. Auch beim Überwachsen der Ge Inseln mit einer wenige nm dicken Si Schicht blieb die Inselstruktur vollständig erhalten.Als künftige Schritte müsste die Herstellung von Stapeln aus solchen Ge dot Schichten folgen und die Messung der Absorption entsprechend der Methode, die für die SiGe Schichten entwickelt wurde. Wenn man eine genügend starke Absorption findet, können diese Strukturen in eine Si TPV Zelle eingebaut und getestet werden.Im parallel durchgeführten TPV Projekt wurden Komponenten für ein TPV System entwickelt und erfolgreich getestet. Aus Yb2O3 Geweben wurden Emitter hergestellt, deren Strahlungsspektrum gut zur Bandlücke von Si Photozellen passt. Ein selektives Filter aus SnO2 wurde direkt auf die Innenseite eines Quarzrohres abgeschieden. Mit diesem Filter konnte eine Leistungssteigerung eines TPV Systems um 20 % erzielt werden. Ein spezielles flexibles Photozellenmodul wurde entwickelt, das sichin zylindrische Hohlräume einbauen lässt und eine gute Wärmeankopplung der Zellen an die Unterlage erlaubt. Im Rahmen dieses Projektes konnte mit einem TPV Kleinsystem mit Si Photozellen ein Rekord-Wirkungsgrad von 2.4 % erzielt werden. Mit einem grösseren Demonstrationssystem konnte eine elektrische Leistung von 164 W erreicht werden.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Bitnar,Bernd
Palfinger,Günther
Gobrecht,Jens
Grützmacher,Detlev
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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The main difficulty in thermophotovoltaics (TPV) is matching the radiation spectrum of a selective emitter with the band gap of a specific photocell. In this project the use of SiGe nanostructures for TPV cells should be investigated. TPV emitters made from Yb2O3 or Er2O3 can effectively illuminate Si or Ge photocells. For an optimum match between emitter radiation and photocell band gap SiGe offers the possibility to adjust the band gap by varying the Ge content of the material. In this project SiGe nanostructures like quantum wells or quantum dots were investigated, which could in principle be integrated into the space charge region of a Si TPV cell. A variable band gap in a SiGe cell, on the other hand, can also be applied for the bottom cell in tandem PV applications to match the current between both cells. A Si photocell was developed, which was optimised for TPV applications. This cell could be applied in TPV systems, which were developed in a more application-oriented TPV project that was carried out in parallel. A similar cell structure should be used later for the integration of the SiGe nanostructures. As a promising structure for that application strained SiGe quantum wells were grown with an UHVCVD system. Quantum wells with a thickness of 1 – 6 nm and a Ge content of 10 – 50 % were fabricated. We characterised stacks with up to 40 layers with TEM and X-ray diffractometry to determine the critical layer thickness and the growth rate as a function of the Ge content. To measure the absorption coefficient in SiGe quantum wells a measurement method was developed, which uses multiple internal light reflection to achieve an effective absorption path of more than 10 µm in SiGe quantum well material. Using this method the absorption coefficient in SiGe quantum wells was determined for the first time. The decrease of the band gap due to strain as well as the increase due to quantum confinement in thin layers could be measured. Unfortunately, all samples showed an absorption coefficient, which was at least one order of magnitude too low to cause a sufficient enhancement of the absorption at least 50 meV below the Si band gap. Ge quantum dots were grown and characterised, which might be a higher absorbing alternative to the SiGe quantum wells. The successful growth of these structures with an UHV-CVD onto a Si surface as well as the overgrowth with a few nm thick Si cap layer could be demonstrated. For the future, the fabrication of Ge quantum dot layer stacks should follow and the measurement of the absorption coefficient in these structures. If a sufficient high absorption coefficient will be found, Ge dots should be integrated into Si photocells to test their performance. In the TPV project that was carried out in parallel, components for a TPV system were developed. Yb2O3 mantle emitters were fabricated, which can effectively be used to illuminate Si photocells. With an infrared reflective SnO2 filter, which was deposited on the inner surface of a quartz tube, an increase in efficiency of a TPV system of 20 % was achieved. A special flexible photocell module was developed, which can be mounted into cylindrical housings and allows an effective heat coupling of the cells to the substrate. In this project a world record efficiency of a Si TPV system of 2.4 % could be achieved. A larger demonstration system produced an electrical output power of 164 W.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Bitnar,Bernd
Palfinger,Günther
Gobrecht,Jens
Grützmacher,Detlev
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