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Mechanismen der Grenzflächenausbildung des Cu(In,Ga)Se2-Systems

Schulmeyer, Thomas :
Mechanismen der Grenzflächenausbildung des Cu(In,Ga)Se2-Systems.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2005)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Mechanismen der Grenzflächenausbildung des Cu(In,Ga)Se2-Systems
Language: German
Abstract:

Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen weisen den höchsten Wirkungsgrad auf, wenn etwa 30% der Indiumgitterplätze im Absorbermaterial durch Gallium ersetzt werden. Dies kann durch den erhöhten Bandabstand des Cu(In,Ga)Se2-Halbleitersystems erklärt werden. Die Bandlücke dieses Systems beträgt etwa 1,2 eV, im Gegensatz zu einem Bandabstand von etwa 1,0 eV des CuInSe2-Systems. Ein Bandabstand von 1,2 eV stellt jedoch noch nicht die optimale Anpassung an das vorgegebene Sonnenspektrum dar. Eine Erhöhung des Bandabstands durch Zulegieren von Gallium führt jedoch zu einer Sättigung der Leerlaufspannung und somit zu einer Verringerung des Wirkungsgrades. Ziel dieser Arbeit ist, den Einfluss von Grenzflächeneigenschaften auf die beobachtete Sättigung der Leerlaufspannung von Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen zu untersuchen. Die verwendeten Cu(In,Ga)Se2-Absorberschichten wurden aus einer Produktionslinie für Solarzellen entnommen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Verfahren auf das Cu(In,Ga)Se2-System übertragen, das eine Untersuchung von solarzellenrelevanten Absorberoberflächen ermöglicht. Unterschiedlich präparierte Cu(In,Ga)Se2-Halbleiter wurden aus der Produktionslinie entnommen und mit einer Selen-Deckschicht versehen. Diese schützt die Halbleiteroberfläche nicht nur vor Kontaminationen während der Lagerung und des Transportes an Luft, vielmehr konserviert diese Schicht auch die Solarzelleneigenschaften des Absorbers. Durch eine reproduzierbare Cu(In,Ga)Se2-Präparation und einer gezielten Variation der Parameter dieses Halbleitersystems konnten die Ober- und Grenzflächeneigenschaften untereinander verglichen werden. Dies ermöglichte einen Einblick in die Mechanismen, denen alle Grenzflächenausbildungen dieses Systems zugrunde liegen. Die Untersuchung des Selbstkompensationsverhaltens des Chalkopyrit-Systems stellt einen Teil der vorliegenden Arbeit dar. Die Korrelation zwischen einer Reduktion der Kupferkonzentration an der Oberfläche und einem maximalen Abstand des Fermi-Niveaus zum Valenzbandmaximum in der Bandlücke des Absorbers, konnte im Rahmen dieser Arbeit mittels Photoelektronenspektroskopie experimentell nachgewiesen werden. Zeitabhängige Messungen der Kapazität an Solarzellen mit identisch präparierten Absorberschichten und die Simulation dieser Ergebnisse deuten ebenfalls auf einen Selbstkompensationsmechanismus in Verbindung mit einem Diffusionsprozess von Kupferatomen hin. Die Kombination von grundlagenorientierten Methoden im Ultrahochvakuum mit elektrischer Bauteilanalyse ermöglicht eine Korrelation von physikalischen Effekten von Halbleiter und Halbleitergrenzflächen mit elektrischen Eigenschaften von Solarzellen. Die Beobachtung einer sich änderten Kupferkonzentration während der Grenzflächenausbildung zu der CdS-Pufferschicht führte zu einer weiteren Studie einer kupferarmen Phase an der Ober- und Grenzfläche des Absorbers. Es konnte gezeigt werden, dass das Cu(In,Ga)Se2/CdS-System mit einem Galliumgehalt von 30% zu einer mittleren Kupferkonzentration an der Absorberoberfläche neigt, unabhängig ob die Absorberoberfläche kupferreich oder kupferarm präpariert wurde. Weiterhin neigen galliumreiche Chalkopyrit-Systeme zu einer kupferreichen Grenzfläche, unabhängig ob die Absorberoberflächen zuvor eine kupferreiche oder eine kupferarme Zusammensetzung aufwies. Die Ergebnisse dieser Arbeit führten zu einem Grenzflächenmechanismus, der in Zusammenhang mit der Sättigung der Leerlaufspannung diskutiert wird.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Polycrystalline thin film solar cell devices based on Cu(In,Ga)Se2 achieve better performance than any other thin film photovoltaic device. Efficiencies of more than 19% are remarkable, in consideration of the high complexity and the limited existing knowledge of this material system. The band gap energy of the absorbing layer can be increased if indium is substituted by gallium. The highest efficiencies are obtained with gallium contents between 25 and 30%. For larger band gaps the photovoltage saturates, leading to a decrease of conversion efficiency. This work focuses on the interaction between interface properties and the saturation of photovoltage. Freshly deposited Cu(In,Ga)Se2 absorber layers were taken from a solar cell production line and preserved by a selenium layer. The selenium capping layer can be removed with heat allowing a preparation of contamination free Cu(In,Ga)Se2 surfaces in ultra high vacuum. Only this successful surface protection offers systematic investigations of Cu(In,Ga)Se2 surfaces and interfaces of an industrial produced solar cell material. Fermi level induced defect formation (self-compensation) was investigated in terms of limiting the maximum achievable open circuit voltage. This work provides an experimentally proven correlation between a reduction of the copper concentration at the Cu(In,Ga)Se2 surface and the greatest distance between the Fermi level and the valence band maximum. Capacitance time measurements, and the simulation of those data, indicate a correlation between a self-compensation mechanism and a diffusion process of copper atoms as well. The experimental approach emphasizes the fruitful combination of fundamental research in ultra high vacuum, device physics, and simulation methods. The results induced further studies of interface formation between copper rich and copper poor prepared Cu(In,Ga)Se2 surfaces with different gallium contents and CdS. It is shown that surfaces with gallium concentration of 30% form interfaces with a medium copper content independent of the initial copper concentration. Furthermore, surfaces with high gallium contents tend to form copper rich surfaces, even when starting with a copper poor surface. Based on the experimental findings, a mechanism of the interface formation has been developed and has been discussed with respect to the saturation of the open circuit voltage.English
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 10 Dec 2012 10:05
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000617
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-6179
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Jaegermann, Prof.Dr. Wolfram and von Seggern, Prof.Dr. Heinz
Advisors: Klein, PD Dr. Andreas
Refereed: 14 July 2005
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/617
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