Preparation and analysis of transition metal-doped In2S3 for intermediate band solar cell application

Abstract

Der Wirkungsgrad heutiger Standard-Halbleitersolarzellen wird durch die Bandlücke des absorbierenden Materials begrenzt. Photonen mit Energien unterhalb der Bandlücke können nicht in elektrische Energie umgewandelt werden, während bei höheren Energien thermische Verluste auftreten. Zwischenband-Solarzellen können diese Einschränkung überwinden. In Ihnen werden Zwischenbänder innerhalb der Bandlücke des absorbierenden Halbleiters erzeugt, bspw. durch gezielte Verunreinigungen, um effektiv Photonen verschiedener Energien zu absorbieren. In dieser Arbeit wird mit V, Ti und Nb hyperdotiertes In2S3 als potenzielles photovoltaisches Zwischenband-Material untersucht, wobei der Schwerpunkt auf den strukturellen und optoelektronischen Veränderungen des In2S3 liegt. Es stellt sich heraus, dass die Dotierstoffe erfolgreich in die In2S3-Struktur eingebaut werden und neue Energieniveaus in der Bandlücke bilden, dabei aber die Kristallstruktur verändern und die Defektdichten erhöhen.

The efficiency of today's standard semiconductor solar cell is limited by the band gap of the absorbing material. Photons with energies below the band gap cannot be converted to electrical energy, while thermalization losses reduce the conversion efficiency for photons with energies above the band gap. A potential photovoltaic technology that overcomes this limit is the intermediate band (IB) solar cell. It utilizes additional energy bands inside the band gap of the absorbing semiconductor, induced by e.g. impurities, to effectively absorb photons of multiple energies. This thesis explores PVD-grown In2S3 hyper-doped with V, Ti and Nb as a potential photovoltaic IB material with a focus on the structural and optoelectronic changes to In2S3. It concludes that the dopants are successfully incorporated into the In2S3 structure and form new energy levels in the band gap, but change the crystal structure and increase defect densities.