Element redistribution and defect formation at the CdS/CIGS interface

Koprek, Anna; Raabe, Dierk (Thesis advisor); Wieck, Andreas (Thesis advisor); Schneider, Jochen Michael (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Solarzellen auf Basis von Cu(In1−x,Gax)Se2 (CIGS) sind eine der vielversprechendsten Dünnschicht-Technologien für grossflächige Photovoltaik-Anwendungen. Ungeachtet ihrer hohen Energie-Konversionseffizienz von 22.6% ist die theoretisch vorhergesagte Grenze von 30% außer Reichweite, was viel Raum für die weitere technische Entwicklung lässt. Eine der Herausforderungen ist die Fähigkeit, die Zusammensetzung der CdS/CIGS-Grenzfläche und damit ihr elektrisches Verhalten zu kontrollieren. Leider können die üblicherweise eingesetzte Charakterisierungstechniken wie z.B. Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) oder Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) nur eine mittlere Zusammensetzung liefern, nicht aber die wahre Komplexität der Grenzfläche und ihre Rolle für den Ladungsträgertransport. In dieser Doktorarbeit wurde die Atomsonde (APT) verwendet, um die Konzentrationsprofile der CdS/CIGS-Grenzfläche erstmalig mit einer räumlichen Auflösung von weniger als 1 nm zu bestimmen. Für das APT-Massenspektrum wurde dabei eine spezielle Analysemethode entwickelt, um überlappende Signale von unterschiedlichen Elementen zu entflechten, wodurch hochgenaue Konzentrationsprofile über die CdS/CIGS-Grenzfläche hinweg sowie innerhalb der CdS-Phasen und CIGS-Phasen bestimmt werden können. Die Grenzflächenzusammensetzung wird dann mit den elektrischen Eigenschaften derSolarzelle korreliert, welche aus Messungen der externen Quanteneffizienz (EQE) und der temperaturabhängigen Strom-Spannungs-Kurven (JV (T)) erhalten wurden. Die Messungen wurden an einem Satz von Solarzellen aus einer systematischen Temper-Reihe durchgeführt, um die aufeinanderfolgenden Schritte der Element-Umverteilung und ihren Einfluss auf die Zellcharakteristik zu untersuchen. Alle Zellen wurden im gleichen Produktionsprozess abgeschieden und danach 30 min lang bei jeweils unterschiedlicher Temperatur getempert, nämlich bei 150 °C, 200 °C, 250 °C und 300 °C. Die elektrische Charakterisierung enthüllte einen Wechsel des dominanten Rekombinationsmechanismus zwischen 200 °C und 300 °C, von einer Raumladungszonen-Rekombination bei niedrigen Temper-Temperaturen hin zu einer Grenzflächen-Rekombination bei hohen. Zudem fiel die Energiekonversionseffizienz sowie der Füllfaktor systematisch mit steigender Temper-Temperatur. APT-Messungen enthüllten, dass die CdS/CIGS-Grenzfläche atomar rau ist - zusätzlich zu der aus der Transmissionselektronenmikroskopie wohlbekannten geometrischen Rauigkeit. Die chemische Zusammensetzung ändert sich in einem Grenzflächenband graduell von CdS zu CIGS. Die Atomsondentomographie zeigte, dass - unabhängig von der Temperaturbehandlung - die lokale Zusammensetzung fluktuiert, und zwar sowohl im CdS/CIGS-Grenzflächenband als auch innerhalb der Volumenmaterialien. Über die lokalen Fluktuationen hinaus zeigen die Konzentrationen einen allgemeinen Trend zu Kupfer- und Galliumverarmung auf der CIGS-Seite der Grenzflächenzone sowie eine erhöhte Kadmiumkonzentration auf der CIGS-Seite des Grenzflächenbands bei niedrigem Ga/(Ga+In) Verhältnis. Diese Beobachtung zeigt einen tiefgreifenden Effekt der Gallium-Fehlstelleauf den Diffusionsprozess von Kadmium innerhalb der CIGS-Phase an. Die langreichweitigen Konzentrationsprofile andererseits zeigen eine mit steigender Temper-Temperatur zunehmende Kadmium-Konzentration innerhalb des CIGS-Volumenmaterials. Die Kadmium-Diffusionsprofile besitzen eine ungewöhnliche Zwischenschulter, was als Wechsel des Gitterplatzes für Kadmium interpretiert wird. Darüber hinaus wurde bei höheren Temper-Temperaturen eine erhöhte Kupfer-Konzentration nahe der Grenzflächenregion gefunden, die mit dem kupfer-fehlstellenvermittelten tiefen Eindringen von Kadmium in p-CIGS assoziiert ist. Die erhöhte Kupfer-Konzentration sollte einen Einfluss auf die Bandanpassung an der Grenzfläche haben. Durch die Kuperanreicherung wird nämlich das CIGS-Valenzband nach oben verschoben, wodurch wiederum die Rekombinationswahrscheinlichkeit in diesem Bereich steigt. Dieses Modell passt gut zu den Rekombinationsmechanismen, die in den JV (T)-Messungen beobachtet wurden.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehrstuhl für Werkstoffphysik und Institut für Metallkunde und Materialphysik [523110]