title: Herstellung und Charakterisierung von metamorphen Pufferschichten für Ga(AsP)-Tandem-Solarzellen auf Si
title: Growth and characterization of metamorphic buffer-structures for Ga(AsP)-tandem solar cells on Si-substrates
Creators: name: Ohlmann, Jens
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: relaxation
GaAsP, solar cell
metamorphic buffer
MOVPE
Metamorphe Puffer, Relaxation
Physik
GaAsP
Solarzelle , MOCVD-Verfahren

description: The aim of this work was to
      develop a 1.7eV Ga(AsP)-single-junction solar cell on a
      Si-substrate with the help of a metamorphic buﬀer-layer. This
      device serves as a proof-of-concept for a later tandem solar
      cell with a Si-bottom-cell, which could reach up to 43%
      eﬃciency. This task can be divided into three parts: (i) The
      polar III-V-nucleation layer on the non-polar Si-substrate.
      (ii) The optimisation of the metamorphic buﬀer which shifts
      the lattice constant to a larger value while simultaneously
      minimizing the threading dislocation density (TDD) in the
      following layers. (III) The growth and characterization of
      the Ga(AsP)-solar cell. The samples were grown by metal
      organic vapour phase epitaxy and were characterized with the
      help of X-ray-diﬀraction, transmission electron microscopy
      (TEM), atomic force microscopy (AFM) and
      photoluminescence-spectroscopy (PL). The ﬁrst part of this
      work focused on expanding the knowledge of the
      GaP-nucleation, which was optimized for exact Si-substrates,
      to oﬀ-oriented Wafers. This was expected to lower
      Anti-phase-domain (APD) densities. By using the information
      gained from AFM and X-ray reﬂectometry measurements it was
      possible to adjust the partial pressure of the TEGa in a low
      temperature ﬂow modulated epitaxy to assure the optimal layer
      thickness and no metal-droplets, which can lead to the
      formation of defects. Step-bunching can occur in the second,
      high temperature growth step on oﬀ-oriented surfaces.
      Lowering the temperature and the V/III-ratio reduce this
      eﬀect. The decrease in temperature leads to bigger APDs
      because the anti-phase-boundaries lie on {111}-planes instead
      of {112}-planes for higher temperatures. To optimize the
      metamorphic buﬀer the relaxation of Ga(AsP)-layers with low
      lattice mismatch (&lt;1.5%) have been investigated. A
      "two-step-model" has been developed to describe the process.
      After a few nanometer of pseudomorphic growth, the layer
      starts to relax by the nucleation of half-loops at the
      surface, which glide to the interface between the strained
      layers and form 60°-dislocations. The relaxation starts, when
      the product of the thickness and the lattice mismatch reaches
      80 nm %. The residual strain is decreasing linearly with
      increasing layer thickness. During the ﬁrst step the
      relaxation in [110]-direction is promoted compared to the
      [1-10]-direction due to diﬀerent glide velocities of the
      dislocations caused by the polarity of the crystal. When a
      second, higher strained layer, is grown on top of the ﬁrst
      layer, the strain of the later is drastically increased and
      the second relaxation process sets in. Due to the high,
      already existing defect density dislocation blocking happens
      and leads to defect multiplication processes, by which the
      ﬁrst layer is then fully relaxed. With the „two-step-model“
      it is possible to estimate the strain state of the last layer
      by knowing it’s thickness. This allows the growth of a
      following unstrained layer to assure no further relaxation
      within the solar cell. A tilt of the (001)-crystal-planes
      around the &lt;110&gt;-axis perpendicular to the
      oﬀ-cut-direction is caused by an inhomogeneous amount the
      60°-dislocations with diﬀerent Burgers-vectors. The negative
      tilt is proportional to the degree of oﬀ-cut and the lattice
      mismatch. The eﬀective strain on the dislocations due to the
      projection on diﬀerent glide planes causes this inhomogeneity
      . The positive tilt can be correlated to a surface eﬀect
      which stabilizes steps and thus promotes the nucleation of
      one kind of half-loop dislocations. It is inﬂuenced by the
      V/III-ratio, the growth temperature and the crystal
      composition, with a maximum of tilt at 50%-As-concentration.
      The two tilts superimpose each other, thus the positive tilt
      is only visible for a low lattice mismatch. The measured high
      tilts are caused by the two-step relaxation process: The
      inhomogeneity arises due to the half-loop nucleation at the
      surface during the ﬁrst step. During the second step the
      number of dislocations is increased by multiplication,
      however this is not inﬂuencing the ratio of the diﬀerent
      dislocations. This causes an increase of tilt during the
      second step. If the layer relaxes further during the ﬁrst
      step, the dislocation-network interacts with the newly formed
      half-loops and promotes the dislocations with diﬀerent
      burgers-vectors, thus reducing the tilt. The
      Ga(AsP)-single-junction solar cell reached an efficiency of
      9.8%, matching the highest reported values for this concept.
      The performance is limited by a TDD in the range of 1E8
      1/cm². The EQE and IV-curve show the inﬂuence of the high
      defect density. The reduced values of the VOC and the other
      solar cell parameters can quantitatively described when the
      reduced carrier-diﬀusion-length is included.
description: Die Motivation für diese Arbeit war
      es eine hocheﬃziente Tandem-Solarzelle auf Si-Substrat
      herzustellen. Dafür sollte in einem ersten Schritt eine
      Ga(AsP)-Einfach-Solarzelle auf einem metamorphen Puﬀer auf Si
      mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie ( Metal Organic
      Vapor Phase Epitaxy , MOVPE) realisiert werden. Diese Aufgabe
      kann in drei Bereiche unterteilt werden, die getrennt
      voneinander behandelt wurden. Neben der Herstellung der
      eigentlichen Solarzelle musste zunächst ein Übergang zwischen
      dem unpolaren Si-Substrat und den polaren III-V-
      Verbindungshalbleitern über eine GaP-Nukleation geschaﬀen
      werden. Der Schwerpunkt der Arbeit lag dann in der
      Entwicklung eines metamorphen Puﬀers in dem die Relaxation
      der Verspannung erfolgt. Ein grundlegendes Verständnis dieses
      Vorgangs ist notwendig, um die Dichte der Kristalldefekte
      innerhalb der Solarzelle zu minimieren. Ausgehend von den
      Erfahrungen mit der GaP-Nukleation auf exakten Si-Substraten,
      wurden in dieser Arbeit fehlorientierte Substrate verwendet,
      die eine geringere Antiphasendomänendichte (APD-Dichte)
      versprechen. Zunächst wurde die gepulste Abscheidung der
      ersten Monolagen GaP bei tiefen Temperaturen durch eine
      genaue Anpassung des TEGa-Partialdrucks optimiert. Das
      Überwachsen dieser Saatschicht bei höheren Temperaturen wurde
      speziell für die hier verwendeten Substrate optimiert, um
      eine geeignete Oberﬂächenqualität zu erreichen. In dieser
      Arbeit wurde das Konzept der metamorphen Mehrfachschichten
      als Lösungsansatz für die Puﬀerstrukturen gewählt. Die
      Relaxation dieser gering verspannten Schichten bei denen die
      Gitterfehlanpassung kleiner 1,5% ist, kann durch eine
      empirisches „Zwei-Stufen-Modell“ beschrieben werden. Im
      ersten Schritt dieses Modells kommt es zunächst zu einem
      vollverspannten, pseudomorphen Wachstum. Nach dem
      Überschreiten einer ersten kritischen Schichtdicke dc
      entstehen vereinzelt Gitterfehlanpassungsversetzungen
      (Misﬁtdislocation , MD), welche lokal die Verspannungsenergie
      des Kristalls reduzieren aber zu keiner messbaren Veränderung
      der Gitterkonstante führen. Überschreitet das Produkt der
      Schichtdicke und der Gitterfehlanpassung einen Wert von 80 nm
      % setzt eine verstärkte Nukleation von
      Versetzungshalbschleifen an der Oberﬂäche ein, die zu einer
      hohen Dichte an 60°-Versetzungen an der Grenzﬂäche zwischen
      den beiden verspannten Schichten führt, wodurch eine messbare
      plastische Relaxation einsetzt. Durch ein weiteres Wachstum
      kommt es zu einer fortschreitenden Relaxation, wodurch die
      Verspannung linear abnimmt. Durch Überwachsen der
      teilrelaxierten Schicht mit einer weiteren, stärker
      verspannten Schicht setzt der zweite Schritt der Relaxation
      ein. Die erhöhte Verspannung und die hohe Dichte an bereits
      vorhandenen Versetzungen löst
      Versetzungs-Multiplikationsmechanismen aus, wodurch weitere
      MDs gebildet werden. Dabei steigt die Fadenversetzungsdichte
      innerhalb der Schicht stark an und es kommt zu einer
      vollständigen Relaxation der Schicht. Nachdem die untere
      Schicht vollständig relaxiert ist, setzt die Relaxation der
      oberen, sich im Wachstum beﬁndenden Schicht, wie in Schritt
      eins beschrieben, ein. Durch Aufwachsen einer weiteren
      Schicht wiederholt sich dann der zweite Schritt, so dass alle
      überwachsenen Schichten vollständig relaxiert sind. Durch die
      lineare Abnahme der Verspannung mit zunehmender Schichtdicke
      kann auch für Mehrfachschichten die residuelle Verspannung
      vorhergesagt werden. Durch die Relaxation der Ga(AsP)-Filme
      entsteht eine Verkippung (Tilt) der (001)-Netzebenen um die
      &lt;110&gt;-Achse, welche parallel zu den Stufenkanten der
      fehlorientierten Oberﬂäche liegt. In dieser Arbeit wurde
      sowohl negativer als auch positiver Tilt gemessen. Dieser
      Tilt wird durch eine ungleichmäßige Verteilung von
      60°-Versetzungen, die einen Linienvektor parallel zur
      Drehachse aufweisen, auf die vier möglichen Gleitebenen,
      ausgelöst. In dieser Arbeit wurde eine umfassende
      Untersuchung der Mechanismen die zu dieser Inhomogenität
      führen durchgeführt. Mit Hilfe des
      „Zwei-Stufen-Relaxations-Modell“ können die Einflüsse von
      Kristall- und Wachstumsparametern auf den Tilt qualitativ gut
      erklärt werden. Die strukturelle Untersuchung der in dieser
      Arbeit gewachsenen p auf n Ga(AsP)-Einfach-Solarzellen zeigt
      eine ungenügende Rückverspannung der letzten Puﬀerschicht,
      wodurch es in dieser und in den folgenden
      Solarzellenschichten zur Relaxation kommt. Dadurch entstehen
      Fadenversetzungsdichten im Bereich von 1E8 1/cm² innerhalb
      der Solarzelle die Bandlücke ist mit 1,58 eV etwas unterhalb
      des gewünschten Werts. Mit einer maximalen Eﬃzienz von 9,8%
      erreichen die prozessierten Solarzellen den höchsten in der
      Literatur veröﬀentlichen Wert. Der Verlauf EQE und der
      Einbruch der Solarzellenparameter, wie der Leerlaufspannung
      VOC , kann durch die verringerte Ladungsträgerdiﬀusionslänge,
      bedingt durch die hohe Anzahl der Versetzungen, erklärt
      werden.