Spectral photoluminescence for the characterization of excitation states in semiconductors and fluorescence solar collectors with manipulation of the in and out coupling of radiation [Elektronische Ressource] = Spektrale Photolumineszenz zur Charakterisierung von Anregungszuständen in Halbleitern und Fluoreszenzsolarkollektoren mit Manipulation der Strahlungsein- und auskopplung / Sebastian Knabe. Betreuer: Gottfried Heinrich Bauer

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: carl_von_ossietzky_universitat_oldenburg
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 6
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

Spectral photoluminescence for the characterization of excitation
states in semiconductors and fluorescence solar collectors with
manipulation of the in and out coupling of radiation
Spektrale Photolumineszenz zur Charakterisierung von Anregungszuständen in Halbleitern und
Fluoreszenzsolarkollektoren mit Manipulation der Strahlungsein- und auskopplung
Von der Fakultät für Mathematik und Naturwissenschaften
der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
zur Erlangung des Grades und Titels eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
angenommene Dissertation
von
Sebastian Knabe
geboren am 06.06.1983 in Oldenburg (Oldenburg)Gutachter: Prof. Dr. G.H. Bauer
Zweitgutachter: Prof. Dr. T. Markvart
Tag der Disputation: 20.05.2011Contents
1. Motivation and Introduction 1
1.1. Efficiency limits of solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2. Light trapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3. Fluorescence solar collector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2. Theoretical background 7
2.1. The source of radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1. Information from PL spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.1.1. Temperature T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.1.2. Splitting of quasi-Fermi levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1.3. Absorption A(E ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Ph
2.2. Propagation of electro-magnetic radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1. Propagation through a sample. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1.1. Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1.2. Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1.3. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2. From inside a sample to the top or bottom surface . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2.1. Comparison with propagation through a sample . . . . . . . . . 16
2.2.2.2. Angular dependent emission from top . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.3. From inside a sample to the edge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.3.1. Fluco with dye on top . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.3.2. Fluco with homogeneous dye concentration . . . . . . . . . . . . 25
2.3. Excess carrier density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.1. Analytical solution of the continuity equation . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1.1. Results of the PL for the analytical solution . . . . . . . . . . . . 28
2.3.2. Numerical solution of the continuity equation for τ(x) . . . . . . . . . . . 29
2.3.2.1. Results of the PL with τ(x) in the excess carrier concentration . 31
2.3.3. Numerical solution of the continuity equation with τ(x) and α(x,E ) . . 32Ph
2.3.3.1. Results of the PL for τ(x) and α(x,E). . . . . . . . . . . . . . . 34
3. Experimental setups and samples 39
3.1. Angular dependent PL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.1. Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2. Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
IContents
3.3. Fluco edge emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4. Additional Setups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4.1. Reflection and Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4.2. AFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4.3. Laterally resolved PL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4.3.1. Makro-PL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4.3.2. Micro-PL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4.3.3. SNOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.5. Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5.1. Crystalline silicon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5.2. Fluorescence solar collector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5.3. Photonic structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5.3.1. Bragg-mirror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.5.3.2. Opal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.6. Refractive Index matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4. Experimental results and their interpretation 55
4.1. Characterization of the opal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.1. Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.2. Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.1.3. Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.1.4. Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.4.1. Simulation of Mie scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.1.5. Homogeneity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.1.5.1. On a μm-scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.1.5.2. On a mm-scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2. Characterization of crystalline silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2.1. Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2.2. Angular dependent excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2.3. Angular dependent emission from top . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2.3.1. Calibrated PL from the top of the absorber . . . . . . . . . . . . 71
4.2.4. Homogeneity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.5. Edge emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3. Characterization of the fluco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3.1. Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3.2. Emission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.3. Angular dependent edge emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3.4. Angular dependent emission from top . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3.5. Angular dependent excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3.6. Homogeneity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
IIContents
4.4. Light trapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.1. In c-Si . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.4.1.1. Absorption enhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.4.1.2. Effect of an opal on emission from the top . . . . . . . . . . . . . 88
4.4.1.3. Effect on the excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.4.2. In a fluco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4.2.1. Effect on emission from the top . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4.2.2. Effect on the edge emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.4.2.3. Effect on excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5. Summary, conclusion and outlook 95
6. Zusammenfassung 99
7. References 100
A. Symbols 111
B. Calibration of the experimental setups 113
C. Estimation of the excess carrier concentration from the PL yield 115
C.1. Idea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
C.2. Uniqueness of the different parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
C.3. Application to simulated spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
C.4. Application to measured spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
C.4.1. Different cost functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
C.4.2. Possible problems of the estimation of n from the PL yield . . . . . . . . . 123
C.5. Summary and conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
D. A detailed presentation of the edge emission of a fluco 129
E. Filter and fluco edge emission - angular dependences 133
F. Effect of a photonic structure on the edge emission of a fluco 137
G. Acknowledgements 143
H. Curriculum vitae 145
I. Erklärung 147
IIIList of Figures
1.1. AM1 solar radiation for normal incidence from [7] with illustration of the photon
energies below the band-gap of a c-Si absorber and photon energies, for which the
photons are absorbed by the glass or near the surface of the absorber as well as
an illustration of frequency up and down conversion of photons. . . . . . . . . . . 3
1.2. Reduction of the reemission with a photonic structure on top of the absorber and
a back reflector below. The emitted light with an angle of incidence above the
critical angle of the photonic structure is trapped inside the absorber.. . . . . . . 4
1.3. Transm