In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen an Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Cu(In,Ga)(S,Se)2, der heute vielversprechendsten Dünnschichttechnologie, durchgeführt. Für eine weitere Optimierung der Zellen ist ein detailliertes Verständnis ihrer chemischen, elektronischen und strukturellen Eigenschaften notwendig. Insbesondere die in dieser Arbeit untersuchten Eigenschaften an den Grenzflächen der Zelle sind aufgrund ihrer zentralen Rolle für den Ladungsträgertransport von besonderem Interesse. Bei den vorliegenden Untersuchungen kamen verschiedene Spektroskopien zum Einsatz. Mit einer Kombination von Photoelektronenspektroskopie und Inverser Photoelektronenspektroskopie war es möglich, sowohl eine direkte Bestimmung der Valenz- und Leitungsbandanpassungen an den untersuchten Grenzflächen durchzuführen als auch Oberflächenbandlücken zu bestimmen. Die Messungen wurden durch die volumenempfindliche Röntgenemissionsspektroskopie ideal ergänzt, die - wie diese Arbeit zeigt - zusammen mit der Photoelektronenspektroskopie besonders nützlich bei der Analyse des Durchmischungsverhaltens an Grenzflächen oder auch des Einflusses chemischer Behandlungen auf die chemischen und elektronischen Eigenschaften von Oberflächen ist. Im ersten Teil der Arbeit wurden vier Grenzflächen in Proben auf der Basis des Cu(In,Ga)(S,Se)2-Absorbers von Shell Solar (München) untersucht. Es konnte dabei zunächst das Durchmischungsverhalten an der CdS/CuIn(S,Se)2-Grenzfläche in Abhängigkeit des S-Gehaltes an der Absorberoberfläche untersucht werden. Bei Messungen an der i-ZnO/CdS-Grenzfläche wurde ein flacher Leitungsbandverlauf gefunden, zudem konnte eine Durchmischung an dieser Grenzfläche ausgeschlossen werden. Eine besondere Herausforderung stellten die Messungen an der Grenzfläche des Absorbers zum Molybdänrückkontakt dar, da diese Grenzfläche nach ihrem Entstehen unweigerlich unter der etwa 1-2 um dicken Absorberschicht begraben liegt. Durch geeignetes Abspalten des Absorbers vom Rückkontakt gelang es, diese Grenzfläche freizulegen und zu spektroskopieren. Die Untersuchungen zur Vorbehandlung des Shell-Absorbers mit einer ammoniakalischen Cd-Lösung dienten dem Verständnis der positiven Einflüsse dieser Behandlung auf den Zellwirkungsgrad. Dabei wurde neben verschiedenen Reinigungswirkungen auf den Absorber als wichtigster Befund die Bildung einer sehr dünnen CdS-Schicht und, für hohe Cd-Konzentrationen, einer zusätzlichen Cd(OH)2-Schicht auf der Absorberoberfläche nachgewiesen. Die gewonnenen Erkenntnisse über die Cd-Behandlung haben eine besondere Bedeutung für die Untersuchung der Grenzfläche des Absorbers und einer mit ILGAR ("Ion Layer Gas Reaction") hergestellten Zn(O,OH)-Pufferschicht. An dieser Grenzfläche wurde die Bandanpassung mit und ohne vorherige Cd-Behandlung des Absorbers vermessen. Wird die Bandanpassung ohne Vorbehandlung noch durch Adsorbate auf dem Absorber dominiert, wobei man ein "Cliff" im Leitungsband findet, so ist der Leitungsbandverlauf für die Grenzfläche mit Cd-behandeltem Absorber flach, was im Einklang mit den sehr guten Wirkungsgraden steht, die mit solchen Zellen erreicht werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Messungen an Dünnschichtsolarzellen mit selenfreiem Cu(In,Ga)S2 Absorber diskutiert. Ein Problem des Cu(In,Ga)S2-Systems besteht heute noch darin, daß die offene Klemmenspannung geringer ausfällt, als dies aufgrund der im Vergleich zu CuInSe2 größeren Bandlücke zu erwarten wäre. Modelle, die dies auf eine ungünstige Bandanpassung an der CdS/Cu(In,Ga)S2-Grenzfläche zurückführen, konnten in dieser Arbeit durch die Messung der Leitungsbandanpassung, die ein deutlich "Cliff"-artiges Verhalte aufweist, bestätigt werden. Untersuchungen des Einflusses unterschiedlicher Oberflächenzusammensetzungen auf die chemischen und elektronischen Eigenschaften der Cu(In,Ga)Se2-Absorberoberfläche ergaben, wie sich die Bandlücke des Absorbers mit wachsender Kupferverarmung vergrößert und gleichzeitig die Bandverbiegung zunimmt. Im letzten, rein grundlagenorientierten Teil dieser Arbeit wurden Röntgenabsorptions- und resonante Röntgenemissionsmessungen an CdS und ZnS im Vergleich zu von A. Fleszar berechneten theoretischen Spektren, die unter Berücksichtigung der Übergangsmatrixelemente aus einer LDA-Bandstruktur berechnet wurden, diskutiert. Es konnten dabei sowohl Anregungen in exzitonische Zustände als auch kohärente Emission mit Informationen über die Bandstruktur gefunden werden. Auch war es möglich, die Lebensdauern verschiedener Valenzlochzustände zu bestimmen. Es zeigt sich, daß so die Bestimmung einer unteren Grenze für die Bandlücke möglich ist, für eine genaue Bestimmung bei den untersuchten Verbindungen jedoch ein Vergleich mit theoretischen Berechnungen notwendig ist. / In this thesis, thin film solar cells based on Cu(In,Ga)(S,Se)2 - today's most promising thin film solar cell technology - were spectroscopically analyzed in some detail. Until now, good results could be obtained mainly by empirically optimizing the process parameters, but a further optimization calls for a fundamental understanding of the Cu(In,Ga)(S,Se)2 solar cell. Since this device is a multilayer system, a detailed knowledge of the chemical, structural, and electronic properties of its interfaces is required. Partly due to the cost effective production process of the Cu(In,Ga)(S,Se)2 thin film solar cells, their properties are very different from ideal reference systems like single crystals, which makes them a particularly interesting research field. However, this requires the consideration of two aspects: the investigated samples should originate as close as possible from the industrial production process and, when investigating interfaces, their properties have to be measured directly without relying on previously published bulk properties. Both aspects have been achieved in this work. Samples were directly taken from the production process of different collaboration partners, and a direct determination of the conduction and valence band alignments, which are crucial for the carrier transport through the cell device, were conducted by a combination of photoelectron spectroscopy and inverse photoemission. These techniques were ideally complemented by x-ray emission spectroscopy, which can be particular helpful when investigating intermixing processes or the influence of chemical treatments on the chemical and electronic properties of surfaces. In the first part of this thesis, four different interfaces in samples based on the Cu(In,Ga)(S,Se)2 absorber of Shell Solar were investigated. It could be shown, that the intermixing of sulfur and selenium at the CdS/Cu(In,Ga)(S,Se)2 interface found in earlier measurements is dependent on the sulfur content at the absorber surface. Next, the interface between the CdS buffer layer and the i-ZnO part of the window layer was investigated. For this interface, an intermixing can be excluded and a flat conduction band offset is found. By suitably removing the absorber from the back contact, it was possible to investigate the interface between the absorber and the Mo back contact with spectroscopic techniques giving insight into the chemical properties of this interface. The chemical treatment of the absorber by an ammonia-based Cd-solution was investigated for a better understanding of its beneficial impact on the cell performance. Apart from a cleaning of the absorber, the main finding was the formation of a very thin CdS/CdSe layer and, for high Cd-concentrations, of an additional Cd(OH)2 layer on the absorber surface. The investigated Cd-treatment significantly improves the performance of cells with a Zn(O,OH) buffer layer deposited with ILGAR ("Ion Layer Gas Reaction"). The band alignment at the interface between ILGAR Zn(O,OH) and the absorber was investigated with Cd-treated and untreated absorbers. In the second part of this thesis, measurements of thin film solar cells with selenium-free Cu(In,Ga)S2 absorbers are discussed. These absorbers have a larger band gap than CuInSe2, which gives them the potential of higher efficiencies. However, the gain in the open circuit voltage is smaller than expected raising one of the most important questions in the CIGSSe community. In this thesis, this question is answered by a model, that ascribes this behavior to an unfavorable band alignment at the CdS/Cu(In,Ga)S2 interface. The model is supported by the measurement of the band alignment showing a pronounced "cliff" in the conduction band. The investigation of the influence of different absorber surface compositions on the chemical and electronic properties of the Cu(In,Ga)Se2 surface shows, that the surface band gap is increased by increasing copper depletion. These measurements are an important contribution to the understanding of the different recombination behaviors and efficiencies of cells with copper-rich and copper-poor absorbers. In the last part of this thesis, x-ray absorption and resonant x-ray emission spectra of CdS and ZnS (i.e. the currently preferred buffer material (CdS) as well as one of its most promising alternatives (ZnS) for Cu(In,Ga)(S,Se)2 solar cells) were discussed and compared to calculations of A. Fleszar. In these calculations theoretical spectra were obtained ad hoc using an LDA band structure taking the transition matrix elements into account. Thereby valuable information about the band structure could be extracted from the coherent emission in the resonant spectra. Moreover lifetimes of different valence hole states were determined with the surprising observation of an 1.5 eV lifetime broadening of the S 3s deep valence hole.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:1389 |
| Date | January 2005 |
| Creators | Weinhardt, Lothar |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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