Herstellung und Charakterisierung von SnS-Dünnschichtsolarzellen

In der vorliegenden Arbeit wurde das Potential des Halbleiters Zinnsulfid (SnS) für den Einsatz als Absorbermaterial in Dünnschichtsolarzellen analysiert. Hierzu wurde zunächst die Abscheidung des SnS durch thermisches Verdampfen hinsichtlich der Schichteigenschaften wie Phasenreinheit und Morphologie aber auch hinsichtlich der elektrischen Solarzellenkenndaten optimiert. Im zweiten Schritt wurden dann unterschiedliche Bauelementstrukturen für SnS-Solarzellen in Substrat- und Superstratkonfiguration näher betrachtet. Dabei wurden verschiedene Frontkontakte (ITO, AZO), Pufferschichten (CdS, CdOxSy, In2S3, SnS2) und Rückkontakte (Au, Mo, CuxS/Au) eingesetzt. Die Bandanpassung zwischen SnS und diesen Materialien wurde mittels Photoelektronenspektroskopiemessungen bestimmt. Zusätzlich wurden die SnS-Schichten hinsichtlich Korngröße und Kristallorientierung auf den verschiedenen Substraten mit dem Rasterelektronenmikroskop und Röntgendiffraktometer charakterisiert. Durch die Verknüpfung von Bandanpassung und Morphologie mit den Kenndaten der Solarzellen konnten die Vor- und Nachteile des thermischen Verdampfens und auch die derzeitige Limitierung der SnS-Solarzellen aufgezeigt werden. Während gute Kurzschlussstromdichten von bis zu 19 mA/cm² erzielt werden konnten, wurden maximal Leerlaufspannungen von 200 mV erreicht. Auf der Grundlage der bestimmten Bandanpassungen konnte geschlussfolgert werden, dass diese geringe Leerlaufspannung durch Fermi-Level-Pinning im SnS bedingt wird. Dieses gilt es zu überwinden, um hocheffiziente SnS-Dünnschichtsolarzellen herstellen zu können.

In this study the potential of the semiconductor tin sulfid (SnS) in thin film solar cells was investigated. In the first part of the work the deposition of the SnS thin films using thermal evaporation technique was optimized with respect to the phase purity and the film morphology as well as to characteristic values of the solar cell. In the second part various SnS solar cell device structures in superstrate and substrate configuration were studied and the influence of different front contacts (ITO, AZO), buffer layers (CdS, CdOxSy, In2S3, SnS2) and back contacts (Au, Mo, CuxS/Au) was examined. Especially the band alignment between SnS and these materials is crucial for the solar cell performance and was therefore investigated in detail using X-ray photoelectron spectroscopy. Additionally, the morphology of the SnS film on the different substrates plays in important role and was characterized with scanning electron microscopy and X-ray diffraction. The correlation of the band alignments and morphology with the characteristic solar cell parameters showed the potentials and limitations of thermally evaporated SnS as well as of SnS solar cells. While promising short circuit currents of up to 19 mA/cm² were achieved, an insufficient open circuit voltage of maximum 200 mV was obtained. The measured band alignment revealed that Fermi-Level pinning causes the low open circuit voltage which needs to be overcome to realize SnS thin-film solar cells with high efficiency.