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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Charakterisierung der optischen und elektronischen Eigenschaften

Im IEK-5 wird eine Reihe von ungeordneten Halbleitern untersucht und optoelektronisch charakterisiert. Eine der wesentlichen Anforderungen an ein photovoltaisches Absorbermaterial ist seine elektronische Qualität. Die optisch generierten Ladungsträger müssen sich in dem Halbleiter bewegen können und sie müssen lange genug existieren, um in dieser Zeit durch Drift oder Diffusion bis zu den Kontakten zu gelangen. Die Ladungsträgerbeweglichkeit ist die physikalische Größe, die beschreibt, wie mobil Ladungsträger in Halbleitern sind. Diese Größe kann z.B. durch Kombination von Leitfähigkeitsmessungen und Thermokraft Messungen, durch Flugzeitmessungen (Time of Flight) oder durch Hall-Messungen bestimmt werden. In einer Flugzeitmessung werden z.B. Ladungsträger in einer dicken Halbleiterschicht optisch erzeugt und durch eine angelegte Spannung aus dem Halbleiter abgesaugt. Aus der mittleren Zeit, die die Ladungsträger brauchen, um den Weg durch die Schicht zurückzulegen, kann die Geschwindigkeit der Ladungsträger berechnet werden. Aus der Geschwindigkeit und dem angelegten elektrischen Feld folgt dann die Beweglichkeit der Ladungsträger.

Die Ladungsträgerlebensdauer ist die Größe, die beschreibt, wie lange Ladungsträger in einem Halbleiter in einem angeregten Zustand bleiben bevor sie wieder rekombinieren (also unter Abgabe von Licht und/oder Wärme in den Grundzustand zurückkehren. Genauso wie eine hohe Beweglichkeit ist auch eine lange Lebensdauer entscheidend, damit die angeregten Ladungsträger den Weg zu den Kontakten vor der Rekombination zurücklegen können. Die Lebensdauer können wir z.B. direkt über zeitaufgelöste Photolumineszenz messen. Die Photolumineszenz ist die Emission von Photonen aus einem Halbleiter, wenn in diesem mit einem Laser Ladungsträger erzeugt wurden. Umso mehr Ladungsträger vorhanden sind, desto mehr können rekombinieren und damit auch Photonen emittieren. Wenn man also die Photolumineszenz als Funktion der Zeit nach einem Laserpuls aufträgt, kann man aus dem Abfall des Signals die Lebensdauer ermitteln. Umso länger noch Licht da ist nachdem der Laser schon aus ist, desto länger muss die Lebensdauer der Ladungsträger sein.

Zusätzlich kann man die Rekombinationseigenschaften auch indirekt aus der stationären Lumineszenz ermitteln. In den meisten ungeordneten Halbleitern gibt es ausreichend viele Defekte, dass die meisten angeregten Ladungsträger keine Photonen erzeugen, wenn sie rekombinieren, sondern im Wesentlichen nur Wärme an das Kristallgitter abgeben. Eine Probe mit besonders wenigen Defekten sollte deswegen einen höheren Prozentsatz der angeregten Ladungsträger bei der Rekombination in Photonen umwandeln, die man dann messen kann. D.h. wie in Abb. 1 dargestellt, dass in Proben mit langen Lebensdauern und wenigen Defekten die Photolumineszenz intensiver werden sollte.

Elektronen - Löcher - RekombinationAbb. 1: Je mehr Defekte es in einem Halbleiter gibt, desto eher rekombinieren Elektronen und Löcher nichtstrahlend über diese Defekte (lila Pfeile im Bild). Das bedeutet, dass die Lumineszenz, die eine gegebene Konzentration an Elektron-Loch Paaren verursacht, von der Konzentration von Defekten abhängt, welche die Lebensdauer verkürzen und damit die elektronischen Eigenschaften des Halbleiters verschlechtern.

Um zu verstehen, warum die Beweglichkeit oder die Lebensdauern in Halbleitern ausreichend groß bzw. lang sind oder nicht, ist es nützlich sich die elektronischen Zustände in einem Halbleiter anzuschauen. Dabei sind insbesondere die Zustände interessant, die es in einem perfekten Halbleiter gar nicht geben sollte. In einem Si Kristall sollten z.B. jedes Si Atom 4 Bindungen zu anderen Si Atomen eingehen und jede Bindung sollte aus 2 Valenzelektronen (1 Elektron von jedem der beiden Atome) bestehen. In amorphem Si sind die Bindungswinkel nicht alle genau gleich groß und es kommt vor, dass offene Bindungen entstehen. Viele davon werden mit Wasserstoff abgesättigt, das ein Valenzelektron hat, dass sich an die offene Bindung andocken kann. Die Bindungen, die nicht abgesättigt werden, sind dann Defekte, die die Rekombination beschleunigen und die Lebensdauern reduzieren. Außer offenen Bindungen gibt es in Halbleitern noch viele andere Gründe warum Zustände entstehen können, die für die elektronischen Eigenschaften negative Auswirkungen haben. Um diese Zustände zu messen, gibt es verschiedene Methoden. Ein Beispiel ist wieder die Flugzeitmessung. Ladungsträger die viel später am Kontakt ankommen als die meisten anderen, wurden für eine Weile in einem Defekt eingefangen bevor sie wieder aus dem Defekt in einen ausgedehnten Zustand angeregt werden. Aus dem Strom bei langen Zeiten und seiner Zeitabhängigkeit, kann die energieabhängige Zustandsdichte ermittelt werden. Umso mehr Energie die Ladungen in den Defekten brauchen um wieder angeregt zu werden, desto länger dauert es bis dieser Prozess statistisch gesehen passieren wird.

Abbildung 2a zeigt die Zustandsdichte des Leitungsbandes eines ungeordneten Halbleiters. Eine solche Zustandsdichte fällt üblicherweise exponentiell Richtung Bandlücke hin ab (hier zu kleinen Energien). Je nachdem wie ungeordnet der Halbleiter ist, kann die Steigung der exponentiellen Zustandsdichte unterschiedlich steil sein. Sie wird meistens über eine charakteristische Energie definiert (siehe Gleichung in Abb. 2a). Je größer die charakteristische Energie Ech, desto mehr tiefe Zustände gibt es. Abb. 2b zeigt simulierte Flugzeittransienten für die verschiedenen Zustandsdichten. Je größer Ech, desto flacher wird das Signal im post-Transit Bereich und desto weniger scharf wird der Knick bei der Transitzeit. Wenn es wenige lokalisierte Zustände gibt, wie bei der schwarzen Kurve, sind die meisten Ladungsträger nach der Transitzeit am Kontakt angekommen und nur noch wenige Nachzügler werden eingesammelt, nachdem sie wieder aus den lokalisierten Zuständen angeregt wurden.

Exponenzielle ZustandsdichtenAbb. 2: (a) Schematische Darstellung von exponentiellen Zustandsdichten mit verschiedenen charakteristischen Energien Ech. (b) Schematische Darstellung der Stromtransienten in einer Flugzeitmessung, die zu den entsprechenden Zustandsdichten in (a) passt. Je mehr tiefe Zustände vorhanden sind (je größer Ech), desto flacher wird der transiente Photostrom nach der Transitzeit. Deshalb kann aus der Form der Stromtransiente auf die Zustandsdichte geschlossen werden.

Eine andere Möglichkeit die Zustandsdichte zu bestimmen, ist die Absorption des Halbleiters zu messen und dabei sehr sensitiv auch die Absorption von Zuständen zu messen, die eine geringe Dichte haben. Eine Methode, um sehr sensitiv die Absorption eines Materials zu messen, ist die Photothermische Deflektionsspektroskopie (PDS). Bei der PDS wird die Probe in einer Küvette, die mit einer Flüssigkeit befüllt ist, gehalten und dann mit monochromatischem Licht beleuchtet. Das Licht heizt die Probe und damit die Flüssigkeit auf je nachdem wieviel von dem Licht absorbiert wird. Die Temperaturänderung bewirkt in der Flüssigkeit eine Änderung des Brechungsindizes, die dann durch die Ablenkung eines Lasers detektiert wird, der senkrecht auf dem Lichtweg des monochromatischen Lichts steht. Das PDS Signal ist direkt proportional zur Absorption.

Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für die Anwendung von Photolumineszenz und PDS. CuO Nanopartikel wurden getempert, was die Konzentration der Defekte reduziert. Deshalb erhöht sich das PL Signal wie in Abbildung 1 erklärt und im PDS Signal ist weniger Absorption unterhalb der Bandlücke zu erkennen.

Photolumineszenz - AbsorbanzAbb. 3: Vergleich von (a) Photolumineszenz und (b) Absorbanz in einer Schicht aus CuO Nanopartikeln, die bei verschiedenen Temperaturen getempert wurden. Je höher die Temperatur beim Tempern desto weniger Absorption gibt es unterhalb der Bandlücke (bei etwa 1.5 eV). Gleichzeitig wird die Photolumineszenz stärker, da weniger Ladungsträger über Defekte rekombinieren und dabei Wärme statt Photonen erzeugen.


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