High Efficiency Quantum Dot Intermediate Band Solar Cells Norsk tittel: Høyeffektive kvanteprikk mellombånd solceller

I HighQ-IB-prosjektet har vi jobbet med å utvikle kvanteprikkmaterialer for såkalte mellombåndsolceller. Mellombåndsolceller baserer seg på en helt ny klasse med halvledermaterialer, og kan potensielt gi solceller som er 50-100% mer effektive enn standard solceller. De nye materialene må ha et ekstra sett med tilgjengelige elektrontilstander i tillegg til de som normalt utnyttes i standard solceller. De ekstra tilstandene kan øke både mengden strøm og spenning levert av solcella, men utfordringen er at de nye materialene ikke finnes ennå. Det er foreslått flere ulike metoder for å introdusere disse ekstra tilstandene, og å lage kvanteprikker (engelsk: quantum dot, QD) er en av dem. Kvanteprikker er nanometer-små partikler, som har elektrontilstander bestemt av både størrelse og sammensetning. En annen måte som er foreslått er å lage nye legeringer, f.eks. det som kalles lett nitriderte materialer, hvor ca 1 % av en atomtype byttes ut med nitrogen. I dette prosjektet har vi studert begge typer materialer, nærmere bestemt indium-arsenid (InAs) QDer i gallium-arsenid (GaAs) og nitridert GaAs (GaNAs) og nitridert indium-gallium-arsenid (InGaNAs). En PhD student, en post doc, seks masterstudenter og to SINTEF-forskere jobbet i prosjektet, sammen med 2 professorer og prosjektleder. PhD-studenten skrev en avhandling om transmisjonselektronmiskroskopi (TEM) studier av kvanteprikk-prøver, og masterstudentene har jobbet med simulering av solcellene og optisk karakterisering av materialene. Post doctor stipendiaten framstilte materialene og jobbet med å karakterisere dem og lage solceller av dem. Det verdensledende laboratoriet for studier av mellombåndsolceller ved det tekniske universitetet i Madrid bidro også med prosessering og testing av solcellene. Materialene ble framstilt ved hjelp av molekyl-stråle-epitaksi (MBE), som er en slags atomær spray-maling. For å lage kvanteprikker av InAs sprayes indium-atomer og arsen-molekyler mot en tynn skive av en krystall laget av GaAs. Etter noen få atomlag klumper In og As atomene på overflata seg spontant sammen i det som blir kvanteprikkene. Prosessen ligner det som skjer når vann kondenserer på f.eks. et vindu: Først er det et jevnt, tynt lag med vann som gradvis øker i tykkelse, og etter en viss tykkelse trekker vannet seg sammen i dråper. Etter at QDene er dannet sprayes det på et tynt lag med GaAs; en «spacer», og et nytt lag med InAs-QDer kan lages oppå det igjen. For å oppnå mye lysabsorpsjon i en mellombåndsolcelle laget med QDer, så må vi ha 20-50 lag med QDer oppå hverandre og helst opp mot ca 500 milliarder kvanteprikker per kvadratcentimeter i hvert lag. Vi oppnådde ca 200 milliarder, som er blant de høyeste kvanteprikktetthetene oppnådd i verden. I noen prøver har vi byttet ut 25 % av Ga atomene i spacerne med aluminium fordi dette gir en mer ideell fordeling av elektrontilstander enn uten aluminium. Når kvanteprikker lages på den måten vi har valgt, vil det bygges opp mekaniske spenninger i og rundt kvanteprikkene. Om spenningene blir store nok dannes det «sprekker» på atomær skala og materialet ødelegges. Som en av få grupper i verden har vi studert hvordan man kan måle mekaniske spenninger på atomært nivå, i og rundt QDene, ved bruk av TEM. Slike målinger er viktige i den videre optimaliseringen av materialer med store mengder QDer som våre. For å redusere mengden mekaniske spenninger i materialet tilsatte vi små mengder nitrogen (ca 1 %) i GaAs-lagene mellom kvanteprikkene. Det er små mengder nitrogen som skal tilsettes og selv små avvik kan har store effekter på materialkvaliteten. Vi har brukt ulike metoder til å måle mengden nitrogen, og det var mer utfordrende å bruke standard TEM-teknikker enn forventet. Vi har derfor utforsket nye (diffraksjons-) baserte TEM-metoder, i samarbeid med universitetet i Illinois. Resultatene gir god overenstemmelse med data fra f.eks. røntgen-teknikker. Vi har også utviklet en metode å bruke TEM til å bestemme båndgapet til materialene, i samarbeid med forskere i Antwerpen. Båndgapet sier noe om hvilken del av sollyset materialet kan absorbere. Vi har også målt båndgapet i prøvene med optiske metoder, og har funnet god overensstemmelse med resultatene fra TEM-metoden, men ikke for alle typer materialer. Vi har studert hvordan materialkvaliteten varierer med framstillingsparameterne (temperatur etc) materialene lages ved, for både QD-materialene og for de lett nitriderte materialene. Vi har funnet framstillingsparametere som gir god kvalitet for GaAs, GaNAs og har brukt samme parametere på Al0.25Ga0.75NAs. For alle materialene vi har laget er det blitt dannet ekstra elektrontilstander, som forventet. Vi har laget solceller av en del av materialene, som er blitt prosessert og testet ved laboratoriet i Madrid. Resultatene er lovende for solcellene med tilsatt både aluminium og nitrogen, men det trengs ytterligere studier for optimalisering av framstillings-parameterne når vi gror AlGaNAs.

Prosjektet har resultert i at vi har fått økt kunnskap om framstilling av materialer til bruk i såkalte mellombånd-solceller og i hvordan disse kan studeres ved hjelp av elektronmikroskopi. Kunnskapen kan føre til at materialer med ønskede egenskaper for mellombåndsolceller kan bli framstilt, slik at man kan ende opp med relativt enkle solceller med høy effektivitet.

The proposed project aims to fabricate high efficiency quantum dot (QD) based intermediate band solar cells (IBSCs). IBSCs have a theoretical efficiency limit of 63%, 50% higher than the limit for standard solar cells. QD-IBSCs have been attempted realiz ed for a decade, but still high efficiencies have not been achieved. In this project we address issues that we believe will lead to improved QD-IBSC performance. QDs can also be used for many other solar cell applications, and the project will establish a knowledge base for the growth and utilization of QDs in solar cells. The project will build on and extend a recently completed project funded by the Research Council of Norway ("Nanomaterials for 3rd generation solar cells", 181886/S10) that ended in D ecember 2011. The InAs/GaAs QD material system has been studied and used in optoelectronic applications since the late 1980's, but still the growth of the QDs is not completely understood. The proposed project aims at increasing the fundamental understand ing of the growth and optimization of InAs/AlGaAs and InAs/AlGaNAs QD-based intermediate band solar cells (QD-IBSCs). In the proposed project, we will use molecular beam epitaxy to grow the QD materials. Advanced transmission electron microscopy (TEM) te chniques will be used to image the QD materials with atomic resolution to provide accurate information about QD size, density and chemical compositions, as well as detailed chemical and electronic information about defect structures. Results from the TEM studies will give feedback to the growth optimization. The optical and electronic properties will be studied by advanced photoluminescence experiments, as well as deep level transient spectroscopy. The solar cell design will be optimized by modelling, and the most promising QD materials will be processed into solar cells that will be tested. The solar cell modelling and testing will be performed in collaboration with the world leading group on IBSCs.