Photozellen mit niedriger Bandlücke, d.h. kleiner als jene von Si, können in Tandem-Solarzellen oder in der Thermophotovoltaik (TPV) angewandt werden. Niedrige Bandlücken können durch das Einbetten von Lagen mit SiGe-Nanostrukturen in Si erzielt werden. Befindet sich solch ein Stapel in der Raumladungszone einer pin Diode, erhöht sich dadurch die Infrarot-Sensibilität der Photozelle. Die Kompatibilität zur Si-Technologie wird durch die Verwendung von kristallinen Si-Scheiben als Substrat und durch Ultrahochvakuum-Epitaxie aus der Gasphase (UHV-CVD -- Ultra High Vacuum-Chemical Vapour Deposition) gewährleistet, das eine kosteneffizientere Massenfertigung im Vergleich zu anderen Materialien mit niedriger Bandlücke, wie z.B. GaSb, verspricht. Die Gitterfehlanpassung zwischen Si und Ge von ca. 4% führt zur Stauchung der SiGe Strukturen, welche die maximale Dicke, die epitaktisch abgeschieden werden kann, limitiert. Da Absorption des Lichtes eine Voraussetzung für die photovoltaische Umwandlung in Elektrizität ist, und die abscheidbare SiGe-Dicke klein im Vergleich zur Dicke einer Si Photozelle ist, wird für eine vergleichbare Quantenausbeute ein entsprechend höherer Absorptionskoeffizient der SiGe Nanostrukturen benötigt. Die örtliche Begrenztheit der Ladungsträger (Confinement) in den SiGe Nanostrukturen bewirken eine Verbreiterung ihrer Wellenfunktion im Impulsraum, die zu einer höheren Wahrscheinlichkeit eines direkten Übergangs der Ladungsträger vom Valenz- zum Leitungsband führt. Deshalb kann erwartet werden, dass diese Übergänge, die kein Phonon benötigen, die optische Absorption signifikant erhöhen. In dieser Arbeit wird die optische Absorption von SiGe Nanostrukturen zum ersten Mal in absoluten Einheiten untersucht und die Ergebnisse mit einer Photostrommessung verglichen. Darüberhinaus werden die Gestehungskosten von Elektrizität, die durch TPV erzeugt wird, abgeschätzt.

Die optische Absorption der SiGe Strukturen wurde mittels interner Vielfachreflexions-Spektroskopie gemessen, bei der das Licht den Stapel von SiGe Lagen mehr als 400 mal durchläuft. Die Totalreflexion des Lichtes bewirkt eine stehende elektromagnetische Welle. Der Absorptionskoeffizient wurde aus den experimentellen Daten unter Berücksichtigung der Geometrie und der Verteilung des elektrischen Feldes gewonnen. Das Messergebnis wurde mit einem theoretischen Modell verglichen, das die Bandstruktur des gestauchten SiGe, sowie Confinement-Effekte berücksichtigt. Der Vergleich von der Photostrom- mit der Absorptionsmessung weist darauf hin, dass einige Photonen mit einer Energie < 1 eV nicht in Photostrom umgewandelt werden. Ohne Lichteinfang wären 1000 Lagen mit SiGe Strukturen notwendig, um 1% des Lichtes mit einer Photonenenegie von 1 eV zu absorbieren. Lichteinfang und eine Verbesserung der Abscheide-Technologie ist erforderlich, um SiGe Nanostrukturen zu erhalten, die für den Einsatz in der Photozellen-Produktion geeignet sind.

Es wurde eine detaillierte Kostenabschätzung für TPV-Systeme angefertigt, die auf drei verschiedenen Photozell-Technologien basieren: Si Photozellen, GaSb Photozellen und Photozellen mit niedriger Bandlücke, zu einem Preis, wie er mit Si-kompatibler Technologie zu erwarten ist. Für die Berechnung der Kosten der Elektrizität wurde eine Lebensdauer von 20 Jahren, ein jährlicher Zinssatz von 4,25% und ein jährlicher Wartungsaufwand von 1% der Investitionskosten angesetzt. Für die Bestimmung der Produktionskosten eines TPV-Systems mit einer thermischen Leistung von 12-20 kW wurden die Kosten der TPV-Einzelkomponenten zuzüglich 100 EUR/kW_{el,peak} für die Fertigung und Kleinteile angenommen. Die Kosten des GaSb basierten Systems wurde von den Kosten der Photozellen und der Annahme, dass diese 35% der Gesamtkosten betragen, berechnet. Die Berechnung wurde für vier verschiedene TPV-Szenarien durchgeführt: Ein Prototyp-System, das auf existierender Si Solarzellen Technologie basiert (Systemwirkungsgrad eta_{sys} = 1,0%), ergibt Investitionskosten von 3.000 EUR/kW_{el,peak}, ein optimiertes Si Photozellen basiertes, mit verfügbarer Technologie fertigbares System (eta_{sys} = 1,5%) ergibt Investitionskosten von 900 EUR/kW_{el,peak}, ein weiter optimiertes System, das auf zukünftiger, kostengünstiger Technologie basiert (eta_{sys} = 5%) ergibt Investitionskosten von 340 EUR/kW_{el,peak} und ein auf GaSb Photozellen basiertes System (eta_{sys} = 12,3% mit Wärmetauscher) ergibt Investitionskosten von 1.900 EUR/kW_{el,peak}. Die daraus resultierenden Elektrizitätskosten betragen zwischen 6 und 25 EURcents/kWh_{el} (inklusive 3,5 EURcents/kWh für das Gas) und wurden mit jenen einer Brennstoffzelle (31 EURcents/kWh) und eines Gasmotors (23 EURcents/kWh) verglichen.

Photocells low band gap, i.e. smaller than that of Si, can be applied in multi-junction solar cells and in thermophotovoltaics (TPV). Such band gaps can be achieved by embedding layers of SiGe nanostructures between Si spacers. Such a stack placed into the space charge region of a Si pin diode enhances the infrared sensitivity of the photocell. Compatibility to the mainstream Si technology is assured by using crystalline Si wafers as a substrate and UHV-CVD (Ultra High Vacuum-Chemical Vapour Deposition) epitaxy for material growth, promising more cost efficient mass fabrication in comparison with other low band gap materials as e.g. GaSb. Due to the lattice mismatch between Si and Ge of about 4%, the SiGe structures will be strained, limiting the amount of SiGe that can be epitaxially deposited. As absorption of light is a necessary condition for photovoltaic conversion and the total thickness of SiGe is small in comparison to the thickness of a Si photocell, the absorption coefficient of the SiGe nanostructures should be much higher than that of Si to achieve comparable quantum efficiency. The spacial confinement of charge carriers in the SiGe nanostructures causes a spreading of the wave function in momentum space, leading to a higher probability of a direct transitions of charge carriers from the valence to the conduction band. Thus, it was expected that these transition without the need for a phonon increase optical absorption significantly. This work investigates for the first time the optical absorption of SiGe nanostructures on an absolute scale and compares it with a photocurrent measurement. Additionally, it estimates the cost of electricity produced by TPV, a potential application of low band gap photocells.

Optical absorption of SiGe structures was measured by internal reflection spectroscopy, where the light passes more than 400 times through the stack of SiGe layers. The total reflection of the light results in a standing electromagnetic wave. The absorption coefficient was obtained from the measurement data, taking the geometry and the electric field distribution into account. The experimental results are compared with a theoretical model, considering the band structure of strained SiGe and confinement effects. The comparison of the photocurrent- with the absorption measurement indicates that some of the absorbed photons with energies below 1 eV are not converted into photocurrent. Without light trapping, more than 1000 layers of SiGe structures are needed to absorb 1% of the light with a photon energy of 1 eV. Light trapping and further improvements in growth technology are necessary to obtain SiGe structures that are applicable for photocell production.

A detailed cost estimate is performed for a Si photocell based TPV system, a projected GaSb photocell based system and a future, highly efficient system with inexpensive photocells, expected to be achievable with low band gap photocells based on Si compatible technology. For the calculation of the price of electricity, a lifetime of 20 years, an interest rate of 4.25% per year and maintenance costs of 1% of the investment is presumed. To determine the production cost of TPV systems with a power of 12-20 kW, the costs of the TPV components and 100 EUR/kW_{el,peak} for assembly and miscellaneous were estimated. Alternatively, the system cost for the GaSb system was derived from cost of the photocells and from the assumption that they account for 35% of the total system cost. The calculation was done for four different TPV-scenarios which include a Si based prototype system with existing technology (system efficiency eta_{sys} = 1.0%), leading to 3,000 EUR/kW_{el,peak}, an optimised Si based system using conventional, available technology (eta_{sys} = 1.5%), leading to 900 EUR/kW_{el,peak}, a further improved system with future technology (eta_{sys} = 5%), leading to 340 EUR/kW_{el,peak} and a GaSb based system (eta_{sys} = 12.3% with recuperator), leading to 1,900 EUR/kW_{el,peak}. Thus, prices of the electricity from 6 to 25 EURcents/kWh_{el} (including gas of about 3.5 EURcents/kWh) were calculated and compared with that of fuel cells (31 EURcents/kWh) and gas engines (23 EURcents/kWh).