| dc.contributor.advisor | Jooß, Christian Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Ifland, Benedikt | |
| dc.date.accessioned | 2018-08-21T08:12:09Z | |
| dc.date.available | 2018-08-21T08:12:09Z | |
| dc.date.issued | 2018-08-21 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-002E-E485-8 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7021 | |
| dc.language.iso | eng | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 530 | de |
| dc.title | Structure and photovoltaic properties of strongly correlated manganite/titanite heterojunctions | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.contributor.referee | Jooß, Christian Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2018-05-17 | |
| dc.subject.gok | Physik (PPN621336750) | de |
| dc.description.abstractger | In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss von Korrelationseffekten auf den photovoltaischen Effekt in einer Manganat/Titanat-Heterostruktur untersucht. Als Modelsystem einer korrelierten Solarzelle wurden Pr$_{1-x}$Ca$_{x}$MnO$_{3}$ (PCMO) Dünnschichten auf einkristallinen SrTi$_{0,998}$Nb$_{0,002}$O$_{3}$ (STNO) Substraten deponiert. Insbesondere zeichnet sich PCMO mit einer Dotierung von x=0,35 neben einer hohen Absorption im solaren Spektralbereich auch durch das Auftreten langlebiger, „heißer“ polaronischer Zustände nach der Primäranregung aus. Des Weiteren ist es möglich, durch Variation der Ca-Dotierung verschiedene elektronische und magnetische Grundzustände zu realisieren und deren Einfluss auf den photovoltaischen Effekt zu untersuchen.
Um den Ladungstransport über die korrelierte Grenzfläche zwischen PCMO und STNO zu untersuchen, werden gut definierte und qualitativ hochwertige Grenzflächen benötigt, welche durch die Präparation von heteroepitaktischen Dünnschichten realisiert werden. Als Präparationsmethode wurde die Ionenstrahl Sputterdeposition verwendet. Neben den Unterschieden in den Gitterkonstanten und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von PCMO und STNO tragen ebenfalls präparationsbedingte Defekte zum resultierenden Spannungs-/Dehnungszustand in den dünnen PCMO Filmen bei.
Dieser kann die Phasenbildung beeinflussen. Im Vergleich zu gesinterten PCMO Bulkproben zeigen PCMO Dünschichtproben eine starke Reduktion der Mn-Löslichkeit, so dass sich bei einem nominellen Mn-Überschuss eine nahezu stöchiometrische Zusammensetzung der PCMO Phase ausbildet. Der Mn-Überschuss führt zur Bildung von Manganoxid-Ausscheidungen und diese Ausscheidungsbildung kann ebenfalls ein möglicher Relaxationskanal zum Spannungsabbau sein. Durch eine Optimierung der Prozessparameter wird es möglich, atomar glatte Dünnschichten zu präparieren.
Mit Hilfe solcher gut definierten Grenzflächen ist es möglich, den Transport über korrelierte Grenzflächen zwischen PCMO und STNO zu untersuchen, wobei als zentrale Untersuchungsmethode Strom-Spannung Kennlinien vermessen wurden. Dabei wurden sowohl Kennlinien im Dunkeln als auch Kennlinien unter breitbandiger Xe- und unter monochromatischer Beleuchtung analysiert. Die Messdaten wurden mit Hilfe des Shockley Modells für „klassische Halbleiter“ ausgewertet und die Anwendbarkeit auf das PCMO/STNO System geprüft. Zur Auswertung von Dunkel-Kennlinien wurde ein Eindioden-Ersatzschaltbild verwendet, mit den charakteristischen Größen Idealitätsfaktor n, Sättigungsstromdichte J$_S$, Serienwiderstand R$_S$ und Parallelwiderstand R$_P$. Die polaronische Natur der Ladungsträger spiegelt sich in der Temperaturabhängigkeit der Diodenparameter wieder. So zeigt sich in R$_S$(T) das typische Verhalten des Transportes kleiner Polaronen. Darüber hinaus kann man für den Parallelwiederstand ein CER (Colossal Electro-Resistance)- artiges Verhalten von R$_P$(T) beobachten.
Der Einfluss der Korrelationseffekte ist ebenfalls in den Daten für die PCMO/STNO Heterostrukturen unter Beleuchtung zu erkennen, u.a. in der Temperaturabhängigkeit der Leerlaufspannung. Nach der Shockley-Theorie ist ein lineares Verhalten der Leerlaufspannung mit der Temperatur zu erwarten, wenn die Diffusionslänge größer als die Breite der Raumladungszone ist. Unter monochromatischer Beleuchtung mit Photonenenergien, welche kleiner als die BandIücke des STNO sind, lassen sich die Beiträge vom PCMO und STNO zum PV Effekt getrennt untersuchen. In diesem Fall lässt sich die lineare Abhängigkeit so interpretieren, dass langlebige Excessladungsträger, welche im Volumen des PCMO durch Beleuchtung generiert werden, zum PV-Effekt beitragen können. Dieser Verlauf von V$_{OC}$(T) lässt sich unterhalb der Ladungsordnungstemperatur beobachten. Bei dieser Temperatur existiert ein Phasenübergang erster Ordnung von einer ungeordneten in eine ladungsgeordnete Phase. Ein ähnliches Verhalten ist auch in einer Heterostruktur bestehend aus PCMO mit x=0,95 und STNO zu beobachten. In diesem Fall ist ein lineares Verhalten von V$_{OC}$(T) unterhalb der Neel Temperatur zu beobachten, die mit einem Übergang in eine magnetisch geordnete Phase verbunden ist. Dies zeigt, dass die Ordnungseffekte, welche in den Manganaten stark ausgeprägt sind, einen starken Einfluss auf den photovoltaischen Effekt in den PCMO/STNO Heterostrukturen haben. | de |
| dc.description.abstracteng | In the present thesis the photovoltaic (PV) effect in strongly correlated manganite/titanite heterostructures is investigated. As a model system thin films of Pr$_{1-x}$Ca$_{x}$MnO$_{3}$ (PCMO) were deposited on single crystalline SrTi$_{0.998}$Nb$_{0.002}$O$_{3}$ (STNO) substrates. In particular, PCMO with a doping level of x=0.35 is a suitable material to investigate the PV effect in correlated solar cells, because PCMO reveals high absorbtance in nearly the entire solar spectrum. In addition the appearance of long living hot polaronic states after a primary excitation with light can be observed and different electric and magnetic ground states can be realized by varying the level of Ca substitution.
A necessary prerequisite for this type of study is the preparation of well defined, high quality charge separating interfaces. Therefore, high quality heteroepitaxial manganite thin films are required. The thin manganite films were prepared by using ion beam sputter deposition. The stress/strain results from a combination of thermal and lattice mismatch between PCMO and STNO as well as the influence of preparation-induced defects.
The influence of strain was investigated with respect to the phase formation of PCMO. Compared to bulk samples the Mn solubility is dramatically reduced in PCMO thin film samples with Mn excess. This is accompanied by strain induced MnO$_z$ precipitation observed for films deposited with a Mn excess. The precipitation seems to be a strain relaxation mechanism, if a critical stress threshold is overcome. Preparation of atomically flat surfaces was achieved performing an optimization of process parameters.
Using well-defined interfaces it was possible to study electrical transport processes across the PCMO/STNO interfaces. Therefore, current-voltage (I-V) characteristics were measured under different illumination conditions, i.e. dark, polychromatic (Xe arc lamp) and monochromatic illumination. All I-V curves were analyzed within the Shockley theory for semiconductor-based diodes. The applicability of the model was tested, which is chalanged because of the polaronic nature of the charge carrier in the correlated heterostructure. I-V curves measured in the dark were evaluated by using an one diode equivalent circuit. Here, the polaronic nature of the charge carrier is visible in the temperature dependence of the determined diode parameters, the ideality factor n, saturation current density J$_S$ and the parasitic resistances, the series resistance R$_S$ and the parallel resistance R$_P$. For example the temperature dependence of R$_S$ indicates the typical thermal activated hopping conductivity of small polarons. A further example is the CER (Colossal Electro-Resistance) like behavior visible in the temperature dependence of R$_P$.
The influence of correlation effects is also observable for illuminated heterostructures. According to the Shockley theory a linear dependence of the open-circuit voltage V$_{OC}$ is expected, if the diffusion length of the excess charge carrier is larger than the extension of the space charge region. For monochromatic illumination with photon energies smaller than the bandgap of STNO the linear behavior of V$_{OC}$(T) is observable below the charge ordering temperature, which can be interpreted, as a contribution of long living excess carrier generated in the bulk material of PCMO to the PV effect. PCMO undergoes a first-order transition from a disordered to a charge ordered phase. A similar trend is visible for heterostructures composed of PCMO with x=0.95 and STNO. Here a linear behavior of V$_{OC}$(T) is visible below the Neel temperature, accompanied with a transition to a magnetically ordered phase. Both indicate that the appearance of ordering effects in the manganites is essential for the photovoltaic effect in PCMO/STNO heterostructures. | de |
| dc.contributor.coReferee | Moshnyaga, Vasily Prof. Dr. | |
| dc.subject.eng | photovoltaic effect | de |
| dc.subject.eng | manganites | de |
| dc.subject.eng | perovskites | de |
| dc.subject.eng | polaron | de |
| dc.subject.eng | correlated interfaces | de |
| dc.subject.eng | electrical transport | de |
| dc.subject.eng | thin film deposition | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-002E-E485-8-5 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Physik | de |
| dc.identifier.ppn | 1030406332 | |