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Kupfer-Chalkogenide für photovoltaische Anwendungen

Siol, Sebastian :
Kupfer-Chalkogenide für photovoltaische Anwendungen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Kupfer-Chalkogenide für photovoltaische Anwendungen
Language: German
Abstract:

Diese Dissertation befasst sich mit den Kupferchalkogeniden Cu2S sowie Cu2O und deren Verwendung als alternative Absorbermaterialien in der Dünnschichtphotovoltaik. Dabei wird zunächst die Abscheidung der Materialien mittels physikalischer Gasphasenabscheidung beschrieben, wobei die Optimierung der optoelektronischen und morphologischen Schichteigenschaften im Vordergrund steht. Insbesondere an den Cu2S-Schichten konnten dabei mit einer Quasi-Ferminiveau-Aufspaltung von µ = 710 meV sowie einer optischen Bandlücke von Eg = 1,25 eV vielversprechende Werte gemessen werden. Des Weiteren wurden die Bandanpassungen konventioneller sowie alternativer Bauelementstrukturen mit Hilfe von in-situ Grenzflächenexperimenten bestimmt und diskutiert. Für den Cu2S-Absorber stand bei der Entwicklung alternativer Bauelementstrukturen dabei eine Erhöhung der Zellstabilität durch Substitution der CdS-Fensterschicht durch eine Fensterschicht aus ZnO im Vordergrund. Zusätzlich konnte durch den Einsatz eines Rückkontakts aus Cu2O eine Barrierenausbildung nach dem PIN-Modell realisiert werden. Die Untersuchungen zu den Cu2O-basierten Solarzellenstrukturen befassen sich hingegen überwiegend mit der gezielten Manipulation der Bandanpassung am ZnO/Cu2O-Frontkontakt. Aufbauend auf den Erfahrungen aus der Deposition der Materialien sowie den ermittelten Banddiagrammen wurden schließlich entsprechende Dünnschichtsolarzellen hergestellt und charakterisiert. Hierbei wurden insbesondere die vorherrschenden Verlustmechnismen identifiziert sowie entsprechende Lösungsansätze entwickelt. Für die Mehrheit der untersuchten Zellen führt eine hohe Dichte morphologischer Defekte in der Absorberschicht zu einer Ausbildung von Rekombinationspfaden. Hier liegt die besondere Herausforderung, sowohl für Cu2S als auch für Cu2O, in der gleichzeitigen Realisierung guter optoelektronischer sowie morphologischer Eigenschaften.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This thesis deals with the copper chalcogenides Cu2S as well as Cu2O and their application as an alternative absorber material for thin film solar cells, respectively. The phyical vapor deposition of the aforementioned materials is described with a particular focus on the optimization of the optoelectronic and morphologic properties. Especially for Cu2S, with a quasi-Fermi level splitting of µ = 710 meV and an optical band gap Eg = 1.25 eV, very promising results could be achieved. In additional experiments the electronic structure of conventional as well as alternative device structures was investigated via in-situ interface measurements for Cu2S and Cu2O, respectively. In the case of Cu2S-based device structures the focus was on increasing the long term stability of the devices by using a ZnO window layer instead of the conventional CdS front contact. Through the inclusion of an additional Cu2O back contact a band lineup according to the favourable PIN-layout could be achieved. For Cu2O, most experiments were conducted towards the manipulation of the band lineup at the ZnO/Cu2O front contact to reduce the barrier height for charge carrier extraction. Based on the results from these investigations thin-film solar cells were fabricated and characterized. For most of the investigated cells an inferior performance could be attributed to morphological defects in the absorber layer. Here the biggest challenge lies in simultaneously achieving good optoelectronic properties while maintaining a suitable morphology.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Surface Science
Date Deposited: 16 Oct 2014 12:09
Last Modified: 16 Oct 2014 12:09
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-41782
Referees: Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram and Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 2 October 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4178
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