Low band gap PV-Zellen für Thermophotovoltaik

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: 38162
• Projekttitel Englisch: Low band gap PV-cells for thermophotovoltaics

Schlüsselwörter (Deutsch)

TP0073, Photovoltaik, Photovoltaics, Thermophotovoltaik, Thermophotovoltaics

Kurzbeschreibung (Deutsch)

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.

Kurzbeschreibung (Englisch)

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.

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

Bernd Bitnar, Silicon, germanium and silicon/germanium photocells for thermophotovoltaics applications, Semicond. Sci. Technol. 18 (2003) S221–S227

Schlussbericht (Deutsch)

Zugehörige Dokumente

• Schlussbericht [PDF] 708 kB