Zusammenfassung
Die Abscheidung von CuGaSe2-Schichten mit chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) unter Verwendung von Halogenen und die Untersuchung der
Schichteigenschaften in Vorbereitung der Entwicklung von CuGaSe2-Solarzellen war das Ziel dieser Arbeit. Erstmals wurde das CVD-Verfahren in einem offenen System
zur Herstellung dieser Schichten verwendet und eine systematische Charakterisierung durchgeführt. Bei Verwendung von zwei pulverförmigen binären Cu2Se- und
Ga2Se3-Quellen und einem I2/H2 und HCl/H2 Transport-/Trägergasgemisch können CuGaSe2-Schichten mit reproduzierbaren Abscheideraten und Zusammensetzungen
hergestellt werden. Hierbei werden bei Substrattemperaturen von Tsub = 500 °C Abscheideraten im Bereich von 1 µm/h erreicht. Damit konnte die Eignung von chemischer
Gasphasenabscheidung unter Verwendung von Halogenen und zwei binären Quellen demonstriert werden. Durch Variation des [Cu(g)]/[Ga(g)]-Verhältnisses der Gasphase
konnte die [Cu]/[Ga]-Zusammensetzung der Schichten eingestellt werden. Dabei war die Präparation von Cu- und Ga-reichen CuGaSe2-Schichten möglich. Die Cu- und
Ga-reichen Schichten zeigten keine Volumenverunreinigung durch Cu2Se und Ga2Se2-Fremdphasen, obwohl eine Abscheidung dieser Phasen in der
CuGaSe2-Abscheidung vergleichbarer Größenordnung durch thermodynamische Gleichgewichtsrechnungen vorausgesagt worden war. Dies konnte durch die kinetische
Hemmung der Cu2Se- und Ga2Se3-Abscheidereaktion erklärt werden. Es konnte gezeigt werden, daß Cu- und Ga-reiche Schichten einen unterschiedlichen Kristallhabitus
aufweisen. Dieser wurde durch die Anisotropie der <221>-Richtung des CuGaSe2-Gitters erklärt, die für das Wachstum Ga-reicher CuGaSe2-Schichten zu
unterschiedlichen Wachstumsgeschwindigkeiten entlang dieser Normalenrichtung führt. Ga-reiche Schichten zeigten deutlich ausgeprägte tetragonale (112)-Flächen,
während bei Cu-reichen Schichten zusätzlich (001)-Flächen auftreten. Dies konnte durch den für CuGaSe2 hergeleiteten stabilen Wachstumspolyeder erklärt werden. Es
wurde gezeigt, daß Cu-reiche CuGaSe2-Schichten an der Oberfläche der Kristallite eine kubische Cu2-xxSe-Fremdphase aufweisen, die aber naßchemisch entfernt werden
konnte. Es konnte gezeigt werden, daß sich zusätzliche Defektphasen bei hohem Ga-Gehalt ([Cu]/[Ga] = 1/1,35) Ga-reicher CuGaSe2-Schichten nicht ausbilden. Für
steigenden Ga-Gehalt Ga-reicher CuGaSe2-Schichten konnte eine Zunahme der Dichte unbesetzter Cu-Punktlagen (Vcu) nachgewiesen werden. Die auf Glassubstraten
und Mo-beschichteten Glassubstraten abgeschiedenen CuGaSe2-Schichten wiesen eine vertikal inhomogene Verteilung von über die gesamte Schichtdicke ausgedehnten
Kristalliten und von auf kleineren Kristalliten aufgewachsenen CuGaSe2-Kristalliten auf. Dadurch variierte die Kristallitgröße entlang von Bruchkanten der Schichten
zwischen 0,2 µm und 1,0 µm. Als Ursache für das Wachstum von größeren auf kleineren Kristalliten wurde die geringe Texturierung der bei Wachstumsbeginn
abgeschiedenen CuGaSe2-Schicht identifiziert. Aus den Experimenten wurde deutlich, daß die inhomogene Größenverteilung der Kristallite auf inhomogene Keimbildung
bei Wachstumsbeginn oder eine zu hohe Übersättigung der Gasphase zurückführbar ist. Bei Cu-reichen CuGaSe2-Schichten konnte exzitonische Lumineszenz
nachgewiesen werden. Ga-reiche Schichten zeigten strahlende Rekombination zwischen Donatoren und Akzeptoren, die unter der Annahme eines hohen
Kompensationsgrad des Materials interpretiert werden konnte. Es wurde demonstriert, daß sich Ga-reiche CuGaSe2-Schichten als Absorber in
Mo/CuGaSe2/CdS/ZnO-Heterostrukturen eignen. Die bisher besten Effizienzen wurden für eine CuGaSe2-Schichtdicke von 1,5 µm erzielt. Die erreichten Werte der offenen
Klemmenspannung liegen mit Voc = 825 mV bereits in der Größenordnung der bisher besten Solarzellen auf der Basis von polykristallinem CuGaSe2. |
