Mit der Entwicklung von Verfahren zur Beschreibung der optischen Vorgänge in Strukturen aus III-V Verbindungshalbleitern wurde die Grundlage für die exakte Modellierung von III-V Solarzellen gelegt.
Zwei charakteristische Eigenschaften von III-V Solarzellen sind verantwortlich für den Entwicklungsbedarf der Simulationswerkzeuge, die aufgrund der Silicium dominierten Modellierung bisher vernachlässigt wurden: Zum einen kommt es durch den nur wenige Mikrometer dünnen, elektrisch aktiven Bereich der III-V Solarzelle zu optischen Interferenzen in den Schichten. Zum anderen ist der Ladungsträgertransport in und zwischen den Schichten durch den rein optischen Prozess der Emission und Absorption von Photonen (Photon-Recycling) zu berücksichtigen. Für beide Phänomene wurden Verfahren entwickelt, die für beliebige planparallele Schichten anwendbar sind.
Zur Beschreibung der Reflexion und Transmission von dünnen planparallelen Schichtsystemen unter Berücksichtigung von Interferenzen wie Antireflexbeschichtungen oder dielektrische Spiegel, ist die Matrixmethode hervorragend geeignet. Die Anwendbarkeit dieser Methode auf III-V Solarzellen wurde mittels Reflexionsmessungen verifiziert. Mit der Erweiterung der Matrixmethode zur Bestimmung des lokalen elektrischen Feldes in den Schichten, wurde die Voraussetzung geschaffen, die ortsaufgelöste optische Generation unter Beachtung von Interferenzeffekten zu berechnen. Als weiterer wichtiger Effekt konnte die Diffusion der Ladungsträger während der Thermalisierung identifiziert werden. Damit kann eine für die elektrischen Simulation zentrale Eingangsgröße, nämlich die Verteilung der optisch generierten Ladungsträger, für III-V Solarzellen exakt beschrieben werden.
Die Umverteilung der Ladungsträger durch Emission und Absorption von Photonen wurde bisher nur für einzelne Schichten beschrieben. Mit Hilfe des hier entwickelten Verfahrens kann die Umverteilung für beliebige planparallele Schichtsysteme mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen erfolgen. Um die umfangreichen Berechnungen zu beschleunigen, wurde die Methode der optischen Kopplungsmatrix eingeführt. Damit kann, nach einmaliger Berechnung der für eine Struktur charakteristischen Matrix, die Umverteilung durch eine einfache Matrixmultiplikation bestimmt werden. Erst dieser Geschwindigkeitsgewinn ermöglicht es, das Verfahren in die elektrische Simulation zu integrieren.
Ein Anwendungsgebiet der entwickelten Verfahren war die Modellierung von zeitaufgelösten Photolumineszenz Messungen von Doppelheterostrukturen. Durch die orts- und zeitaufgelöste Simulation konnte der Einfluss der optischen Kopplung auf das Minoritätsladungsträgerprofil und den Signalverlauf detailliert untersucht werden.
Durch die Integration der entwickelten Verfahren zusammen mit dem kommerziellen Halbleitersimulationspaket IseTcadTools in die Simulationsumgebung PVObjects, konnte ein Werkzeug zur umfassenden Modellierung von III-V Solarzellen etabliert werden. Als erste Teststruktur zur Überprüfung der Simulationswerkzeuge wurde eine GaAs Solarzelle verwendet. Sowohl Reflexion als auch die Hellkennlinienparameter und die Externe Quanteneffizienz konnten mit zufriedenstellender Genauigkeit modelliert werden. Durch die Anpassung der Modellparameter war es möglich, die Einflüsse der Hauptverlustmechanismen und den potenziellen Wirkungsgradgewinn durch ihre Beseitigung für die untersuchte Struktur quantitativ zu bestimmen.
Da alle entwickelten Verfahren für beliebige planparallele Schichtsysteme konzipiert sind, ist eine Anwendung auf III-V Tandemsolarzellen problemlos möglich. Zusätzliche elektrische Phänomene, die zum Beispiel zur Beschreibung der Tunneldiode benötigt werden, sind durch das kommerzielle Halbleitersimulationsprogramm DESSIS bereits abgedeckt. Um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, ist in einem nächsten Schritt eine Intensivierung der Materialcharakterisierung nötig. Eine verbesserte Materialdatenbasis zusammen mit den in dieser Arbeit entwickelten Modellen bilden die Basis für die exakte Modellierung von III-V Solarzellen, Tandemsolarzellen eingeschlossen.

In this work new procedures have been developed to characterise the optical behaviour of III-V semiconductor structures. Thus, a basis has been established for accurate modelling of III-V solar cells.
Two characteristic properties of III-V solar cells are responsible for the need of developing new simulation tools, which has been disregarded so long due to the dominance of silicon in modelling: first of all the electrical active area, which is only a few microns thin, leads to optical interference. Secondly carrier transport in and between different layers in an optical way due to emission and reabsorption (Photon-Recycling) must be taken into account. Procedures have been developed for both phenomena, which can be applied to arbitrary planar multi-layer systems.
The already existing matrix method is most suitable for describing reflection and transmission of thin planar multi-layer systems including interference like antireflection coatings or dielectric mirrors. The applicability of the method for III-V solar cells has been verified by reflection measurements. By extending the matrix method for calculation of the local electric field, the precondition could be achieved to determine the space resolved optical generation function with interference effects. Diffusion during thermalisation of the generated carrier has been identified as another important effect. All this procedures together enable the accurate determination of a very important quantity for the electrical modelling of III-V solar cells, namely the space resolved distribution of photo-generated carriers.
So long the redistribution of carriers due to emission and absorption of photons has been described only for one single layer. With the procedure developed in this work the redistribution in and between arbitrary planar multi-layer systems with different emission spectra can be calculated. To speed up the extensive computation the method of optical coupling matrix has been introduced. Therewith the redistribution can be determined by a simple matrix multiplication, once the characteristic matrix of the structure has been computed. Its only due to this enhanced speed, that the procedure can be integrated into electrical simulation tools.
An investigated application of the developed procedures has been the modelling of time-resolved photoluminescence measurements of double-hetero structures. Modelling the space- and time-resolved minority carrier profile, the influence of optical coupling on the signal could be investigated.
Integrating the developed tools together with the commercially available semiconductor engineering tool IseTcadTools into one simulation environment named PVObjects, a comprehensive tool for III-V solar cell modelling has been established. A GaAs single junction has been used as the first test structure to calibrate the model parameters. Both reflection, illuminated IV-curves and external quantum efficiency have been modelled with satisfying accuracy. Variation of the model parameters enabled a quantitative determination of the mean loss mechanisms and the potential of efficiency gain. Thus, identifying most promising optimisation strategies.
All of the developed procedures are suitable for arbitrary planar multi-layer systems, thus, the application on III-V multi-junction solar cells is straight forward. Models for the description of additional electrical effects, which could be necessary for describing e.g. tunnel diodes, are already implemented in the used commercial tool DESSIS. To achieve reasonable results, in a next step the collection of material parameters must be intensified. An improved material parameter collection together with the models developed in this work are the base for the accurate modelling of arbitrary III-V solar cells, multi-junctions included.