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Präparation und Charakterisierung von Dünnschichtmaterialsystemen für die Rückkontaktbildung bei polykristallinen CdTe-Dünnschichtsolarzellen

Kraft, Daniel :
Präparation und Charakterisierung von Dünnschichtmaterialsystemen für die Rückkontaktbildung bei polykristallinen CdTe-Dünnschichtsolarzellen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2004)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Präparation und Charakterisierung von Dünnschichtmaterialsystemen für die Rückkontaktbildung bei polykristallinen CdTe-Dünnschichtsolarzellen
Language: German
Abstract:

Die polykristalline CdTe-Dünnschichtsolarzelle ist infolge des enormen Kostenreduktionspotenzials auf dem Sprung zur ökonomischen Konkurrenzfähigkeit. Die dazu notwendige Weiterentwicklung mit dem Ziel erhöhter Energiewirkungsgrade einerseits und robusterer, billigerer Zellentechnologie andererseits setzt ein besseres wissenschaftliches Verständnis für die bisher weitgehend empirisch-phänomenologisch entwickelten Präparationsverfahren voraus. Auf diesen Erkenntnissen aufbauend kann dann im Folgeschritt eine zielgerichtete Modifizierung der Solarzelle erfolgen. Für die Funktionsweise der CdTe-Solarzelle ist die Herstellung stabiler Rückkontakte, die den verlustfreien Stromtransport gewährleisten, von essenzieller Bedeutung. Grundvoraussetzung dafür ist die Realisierung Ohm'scher Kontakte, was im Fall des CdTe nicht unproblematisch ist, da sich hier in der Regel sperrende Strom-Spannungs-Charakteristiken ergeben. Bisher ist die Herstellung guter Rückkontakte lediglich ansatzweise unter Verwendung eines nasschemischen Ätzprozesses vor der eigentlichen Metallabscheidung gelungen. Jedoch waren die Auswirkungen dieses Produktionsschrittes auf die Grenzflächeneigenschaften nur teilweise aufgeklärt. Daher wurden in dieser Arbeit zunächst die elektronischen Eigenschaften, die chemische Zusammensetzung, die Morphologie und die Struktur solcher nasschemisch behandelter CdTe-Absorberschichten beschrieben und in ihrer Bedeutung für die Rückkontaktbildung beurteilt. Insbesondere durch die Kombination verschiedenster Methoden, wie beispielsweise der Photoelektronenspektroskopie (PES) oder dem Rasterkraftmikroskop (AFM) zur Oberflächencharakterisierung einerseits sowie der Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) und der Elektronenstrahlmikrosonde (ESMA) zur ortsaufgelösten Analytik andererseits, konnte dabei eine systematische Untersuchung auf mikroskopischer Ebene erfolgen. Neben dem nasschemischen Ätzprozess wird zudem ein umfassender Überblick über die Eigenschaften aller technologisch relevanten Grenzflächen am Rückkontakt, welche sich auf der Basis der etablierten Produktionsfolge der Firma ANTEC ergeben, erarbeitet. In diesem Zusammenhang wurde insbesondere die Eignung einer zwischen CdTe-Absorber und Rückkontaktmetall als Diffusionsbarriere eingebrachten Sb2Te3-Zwischenschicht untersucht. Zur Erfassung der elektronischen Eigenschaften erfolgte die Bestimmung der verschiedenen Bandanpassungen in Verbindung mit den resultierenden Barrierenhöhen und Kontaktpotenzialen. Aufgrund der Abhängigkeit dieser Eigenschaften von der Grenzflächenchemie werden darüber hinaus auftretende chemische Reaktionen und Interdiffusionsprozesse berücksichtigt, zumal diese Vorgänge auch maßgeblichen Einfluss auf die Alterungsbeständigkeit der Solarzelle haben können. Außer der sequenziellen Analyse von Rückkontakten, deren Herstellung nach dem derzeitigen technologischen Stand erfolgte, wurden zum Vergleich sowie zur Definition von Referenzen ergänzende Modellexperimente mit in-situ präparierten CdTe-Schichten oder einkristallinen Proben durchgeführt. Des Weiteren konnten aus der systematischen Untersuchung unterschiedlicher CdTe/Metall-Grenzflächen fundamentale Abhängigkeiten bei der Rückkontaktbildung abgeleitet werden. Langfristig erscheint es aus technologischen Aspekten wünschenswert, den nasschemischen Ätzprozess, der eine Unterbrechung der kontinuierlichen Vakuumlinie erfordert, durch alternative Rückkontakte zu ersetzen. Ziel ist dabei die Herstellung verlustarmer und stabiler Kontakte durch möglichst einfache, kostengünstige Prozesse, welche mit der etablierten Fertigungstechnologie kompatibel sind. Die diesbezüglich denkbaren unterschiedlichen Strategien werden im Rahmen erster Vorexperimente vorgestellt und diskutiert. Diese Arbeit ist in ihrer Ausrichtung zwischen wissenschaftlicher Grundlagenforschung und technologischer Anwendung angesiedelt. Die resultierenden Erkenntnisse sollen Perspektiven für die Weiterentwicklung der CdTe-Solarzelle aufzeigen und somit langfristig die Herstellung ökonomisch konkurrenzfähiger Module ermöglichen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Thin film solar cells based on CdTe absorber layers are on the threshold of commercialization with an expected high potential of cost reduction. Up to now most of the technological preparation steps have been developed empirically. For a further improvement of the solar cell with the aim of higher conversion efficiencies and a less expensive fabrication technology fundamental research is necessary. Based on this results in the next step a systematic modification of the device can be aspired. For the function of a solar cell the preparation of `ohmic´ and stable back contacts is essential. However, up to now the back contact is one of the main limiting factors for the conversion energy of CdTe solar cells. In general, for most materials deposited onto CdTe a barrier for the hole transport is induced leading to a non-ideal electrical characteristic. Recently, the best and technologically feasible back contacts are obtained by chemical etching of the CdTe substrates before metallization. But the consequences of this preparation step for the interface properties have not been understood. Therefore, first of all in this work the electronic properties, the chemical composition, the morphology and the structure of wet chemically etched CdTe absorber layers have been examined and judged concerning their importance for the back contact formation. For the investigations surface sensitive methods like photoelectron spectroscopy (PES) or atomic force microscopy (AFM) have been used as well as secondary ion mass spectrometry and electron probe micro analysis (EPMA) as methods with high spatial resolution. This allows a systematic study of the samples on a microscopic scale. Besides the wet chemical etching procedure all interfaces at the back contact - based on the current ANTEC technology - have been characterized. In this context especially the influence of a Sb2Te3 buffer layer between the etched CdTe absorber and the metallic contact has been investigated. The electronic properties of the different interfaces are described by presenting the corresponding band alignments with the contact barriers and interface potentials. Because of their dependence on the interface chemistry furthermore, chemical reactions and interdiffusion processes at the interface have been considered, the more so as these processes can also affect the long term stability of the solar cell. For the reason of comparison as well as for the definition of standards model experiments have been performend using single crystals and freshly UHV prepared polycrystalline CdTe substrates. The systematic examination of different CdTe/metal interfaces enables a better understanding of fundamental correlations during back contact formation. Regarding technological aspects in a long term it apperars desirable to eliminate the wet chemical etching process because it requires an interruption of the continuous vacuum production line. The search for alternative materials is principally guided by the requirement of ohmic and stable back contacts on the one hand and low-cost processes on the other hand which have to be compatible to the established technology. Referring to this different strategies are discussed within the framework of first experimental results. This work is oriented between scientific basic research and technological development. The obtained results are supposed to allow a further improvement of the CdTe thin film solar cell with the general aim of a widespread terrestrial application of large ara modules.English
Uncontrolled Keywords: CdTe, XPS, PES, SIMS, ESMA, REM, AFM, GIXRD, TMDC, SbTe, VO, LiCoO
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
CdTe, XPS, PES, SIMS, ESMA, REM, AFM, GIXRD, TMDC, SbTe, VO, LiCoOGerman
semiconductor, interface, surface, thin film solar cell, photoelectron spectroscopy, atomic force microscopy, schottky-barrier, back contactEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:50
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000455
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-4559
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram and Seggern, Prof. Dr. Heinz von
Advisors: Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram
Refereed: 14 May 2004
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/455
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