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Herstellung von CdTe-Dünnschichtsolarzellen bei reduzierten Abscheidetemperaturen

Schaffner, Judith :
Herstellung von CdTe-Dünnschichtsolarzellen bei reduzierten Abscheidetemperaturen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Herstellung von CdTe-Dünnschichtsolarzellen bei reduzierten Abscheidetemperaturen
Language: German
Abstract:

CdTe ist ein sehr aussichtsreiches Absorbermaterial für Dünnschichtsolarzellen. Mit CdTe-Solarzellen wurden bereits Wirkungsgrade bis zu 17,3% erzielt. Die CdS und CdTe Schichten für diese Solarzellen können mit den verschiedensten Abscheidetechniken, wie Sputtern, Chemische Badabscheidung (CVD), Druckverfahren, Hochvakuumverdampfen (HVE) und Close Space Sublimation (CSS) hergestellt werden. Hohe Durchsätze machen CSS zu einer attraktiven Methode für die industrielle Großproduktion. Um mit CdTe-Dünnschichtsolarzellen hohe Wirkungsgrade erzielen zu können, müssen kleine Löcher in den Halbleiterschichten, sogenannte „Pinholes“ , wie auch Rekombinationsverluste an den Grenzflächen vermieden werden. Die Grenzfläche von CdTe und dem transparenten Frontkontaktmaterial (TCO) weist eine sehr hohe Dichte an Grenzflächendefekten auf. Um diese Grenzfläche zu vermeiden, wird eine geschlossene CdS-Schicht zwischen dem Fronkontakt und der CdTe-Schicht benötigt. Da CdS jedoch Licht mit Wellenlängen unter 500 nm absorbiert, muss die CdS-Schicht möglichst dünn sein, um Absorptionsverluste zu minimieren. Das Wachstum der mit CSS abgeschiedenen CdS-Schichten wurde daher systematisch, im Hinblick auf den Einfluss der Prozessparameter untersucht. Dafür wurden die Abscheiderate und Substrattemperatur variiert und die CdS-Schichten mit Photoelektronenspektroskopie (XPS/UPS), Röntgenbeugung (XRD), Rasterelektronenspektroskopie (REM), Rasterkraftmikroskopie(AFM) und Optischer Transmission charakterisiert. Die REM, AFM und XRD-Untersuchungen zeigen, dass die Morphologie der Schichten hauptsächlich durch die Abscheiderate beeinflusst wird. Erste Experimente weisen zudem darauf hin, dass sich die Verwendung einer hohen Abscheiderate bei der Herstellung der CdS-Schicht positiv auf die Leerlaufspannung der Solarzelle auswirkt. Neben fluordotiertem Zinnoxid (FTO) wurde auch aluminiumdotiertes Zinkoxid (AZO) als Substratmaterial für die CdS-Abscheidung verwendet. Die Vorzugsorientierung der CdS-Kristalle, Korngröße sowie die Oberflächenrauigkeit der CdS-Schichten wird dabei stark von der Wahl des Substrat-Materials beeinflusst.

Auch für die Herstellung der CdTe-Schicht, ist CSS eine attraktive Methode. Um damit Wirkungsgrade über 10% zu erzielen, wurden bisher Substrattemperaturen über 450 °C benötigt. Durch eine Verringerung der Substrattemperatur können jedoch die Produktionskosten reduziert und die Verwendung von weniger temperaturstabilen Frontkontaktmaterialien wie AZO ermöglicht werden. In dieser Arbeit wird ein Tieftemperatur-CSS-Prozess zur Abscheidung der CdTe-Schicht eingeführt mit dem hoch effiziente Solarzellen realisiert werden können. Die CdTe-Schicht wurde dabei mit einer Substrattemperatur von ≤ 340°C abgeschieden, was deutlich unter der üblicherweise verwendeten Temperatur (> 500°C) liegt. Die CdTe-Schichten wurden mit einem CdCl2-Aktivierungsschritt nachbehandelt. Dabei wurden unterschiedliche optimale Aktivierungstemperaturen und Zeiten für Hochtemperaturzellen (Tsub = 520°C) und Tieftemperaturzellen (Tsub ≤ 340°C) ermittelt. Die Auswirkungen des Aktivierungsschritts auf die Morphologie der Schichten wurden mittels XRD, AFM, REM-Aufsichten und REM-Querschnitten untersucht. Dabei wird Kornwachstum, eine starke Rekristallisation sowie eine Verringerung der Konzentration an planaren Defekten und der Porosität an den Korngrenzen insbesondere für Tieftemperatur-CdTe-Schichten beobachtet. Die Oberfläche der Tieftemperatur-CdTe-Schichten ist dabei auch nach der Aktivierung noch deutlich glatter als die der Hochtemperatur-Schichten. Es sollte also mit dem Tieftemperatur-Prozess möglich sein, dünnere CdTe-Schichten zu verwenden ohne Pinholes und Kurzschlüsse zu riskieren. Mit dem eingeführten Tieftemperatur-CdTe-Prozess konnten Wirkungsgrade bis zu 10,9 % mit kupferfreiem Rückkontakt und 12,0 % mit kupferhaltigem Rückkontakt erzielt werden. Dieser Prozess ist somit konkurrenzfähig zu anderen Prozessen, die eine höhere Temperatur oder geringeren Durchsatz erfordern. Zusätzlich werden erste Ergebnisse mit Tieftemperatur-Solarzellen auf AZO-Frontkontakten gezeigt. Die geringe chemische Stabilität von AZO verursacht während des Aktivierungs- und Ätzschrittes leider einige Schwierigkeiten, welche das Erzielen hoher Wirkungsgrade verhindert. Hier wird noch eine weitergehende Entwicklung im Hinblick auf die Rückkontaktbildung und die Verwendung von schützenden Pufferschichten für diese Frontkontakte benötigt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
CdTe is one of the most promising absorber materials for thin film solar cells. Efficiencies as high as 17.3 % have been reached. The polycrystalline CdS and CdTe films can be prepared by a variety of different techniques like sputtering, chemical bath deposition (CBD), printing, high vacuum evaporation (HVE) and close space sublimation (CSS). CSS is a very attractive method for large scale manufacturing due to its high throughput. For highly efficient CdTe thin film solar cells it is necessary to reduce pinholes and losses due to recombination at interfaces. To avoid the interface between the CdTe absorber material and the transparent conductive oxide (TCO) front contact with its high defect concentration, smooth and dense CdS films are required. However, the CdS layer should be as thin as possible to minimize light absorption for λ < 500 nm. Therefore, the growth of CdS thin films by CSS has been systematically studied using an ultra-high vacuum system known as DAISY-SOL in order to understand the basic growth mechanisms and their impact on the film properties. Substrate temperature and deposition rate were varied, and the properties of the CdS layer were determined by photoelectron spectroscopy (XPS/UPS), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM) and optical transmission. The SEM, AFM and XRD studies show a correlation between the deposition rate and the film morphology. First experiments indicate that the use of CdS films prepared with high deposition rates in CdTe/CdS thin film solar cells has a positive effect on the open circuit voltage. CdS films prepared with low deposition rates cause an increase in short circuit current density. Fluorine-doped tin oxide (FTO) as well as aluminium-doped zinc oxide (AZO) is used as substrates for the CdS film deposition. Preferential orientation, grain growth and surface roughness of the CdS films are strongly affected by the choice of TCO substrate. Using CSS for the CdTe deposition efficiencies of more than 10 % could only be realized with CdTe deposition temperatures above 450 °C so far. The use of lower substrate temperatures during CdTe deposition can reduce the production costs and enable the use of front contact materials with lower thermal stability like aluminum doped zinc oxide (AZO). In this thesis highly efficient CdS/CdTe thin film solar cells prepared by low temperature close space sublimation (CSS) are reported. For this, the CdTe deposition was carried out at a substrate temperature (Tsub) of ≤ 340 °C, which is much lower than used in conventional processes (> 500 °C). The CdTe films were treated with the usual CdCl2 activation process. Different optimal annealing times and temperatures were found for low temperature cells (Tsub ≤ 340 °C) compared to high temperature cells (Tsub = 520 °C). The influence of the activation step on the morphology of high temperature and low temperature CdTe is determined by XRD, AFM, SEM top views and SEM cross-sections. Grain growth, strong recrystallization and a reduction of planar defects and porosity at grain boundaries during the activation step are observed especially for low temperature CdTe. The surface of the low temperature CdTe after activation is still smoother than the surface of high temperature CdTe. This may enable the use of thinner CdTe films in low temperature solar cells without risking pinholes and short circuits. Efficiencies about 10.9 % with a copper free back contact and 12.0 % with a copper containing back contact were achieved using the low temperature CdTe process. In addition, first results with AZO used as alternative front contact for low temperature CdTe solar cells are shown. Unfortunately, low chemical stability of AZO causes problems by preparing highly efficient CdTe solar cells. Therefore, further investigations on back contact forming and the use of transparent buffer films for solar cells with AZO front contact are needed.English
Uncontrolled Keywords: CdTe, Solarzelle, CSS, CdS, Dünnschicht
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
CdTe, solar cell, CSS, CdS, thin filmEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaften > Oberflächenforschung / Surface Science
Date Deposited: 22 Oct 2012 10:01
Last Modified: 10 Dec 2012 09:48
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-31247
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Jaegermann, Prof. Dr. W. and Ensinger, Prof. Dr. W.
Refereed: 17 September 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3124
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