Zusammenfassung
Gegenstand dieser Arbeit ist die Verbesserung von CuInS2-Dünnschichtsolarzellen durch den Einbau von Gallium (partielle, isovalente Substitution des Indiums).
Dazu wurden mittels Röntgenbeugung (XRD) sowie tiefenaufgelöster Raman-
und Massenspektroskopie (SNMS) die strukturellen Eigenschaften der
Cu(In,Ga)S2 (CIGS) Schichten und das Schichtwachstum bei sequentieller Herstellung
(Reaktives Anlassen von Metall-Vorläuferschichten) untersucht.
Die elektronischen Eigenschaften wurden durch Messungen der
Spannungs-Strom-Kennlinien und der spektralen Quantenausbeute
an Heteroübergängen CIGS/CdS/ZnO untersucht.
Es wird dargestellt, daß das Schichtwachstum in drei Stufen verläuft:
1.) Durchmischung der sequentiell abgeschiedenen Metallfilme und Bildung binärer Cu-In und Cu-Ga Phasen,
2.) Einbau des Schwefels aus der Gasphase (Schwefeldampf Sx oder H2S/Ar),
3.) Rekristallisation unter dem Einfluß sekundärer Cu-S Binärphasen.
Für Vorläuferschichten ohne Gallium ist eine direkte Umsetzung
der metallischen Filme zum ternären Chalcopyriten CuInS2 charakteristisch.
Der Einfluß des Gallium ist in allen drei Stufen zu beobachten.
Wie aus Gleichgewichtsbetrachtungen zu erwarten,
bildet sich zuerst eine CuGaS2 Phase aus,
die im weiteren Verlauf von CuInS2 bedeckt wird.
Anschließend findet durch thermisch aktivierte Diffusion eine unvollständige Durchmischung dieser Phasen statt,
und es bildet sich Cu(In,Ga)S2 mit in der Tiefe variierendem Ga/In-Verhältnis.
Die Ergebnisse werden zu einem Modell des Schichtwachstums zusammengefasst.
Die in der Arbeit vorgenommene Kombination eines 2 dimensionalen Diffusionsmodells unter Einbeziehung von Korngrenzen und der numerischen Berechnung der Röntgenbeugung in Dünnschichten mit in der Tiefe variabler Gitterkonstante ermöglichen eine Quantifizierung der Diffusionskonstanten.
Der Einbau von Gallium auch im oberflächennahen Bereich bewirkt eine in den
Spektralmessungen quantifizierbare Aufweitung der Bandlücke. Die Leerlaufspannung der Heterostrukturen wird reproduzierbar und signifikant erhöht. Dies gelingt in dieser Arbeit, ohne daß dadurch eine starke Spannungsabhängigkeit des Photostroms verursacht wird.
Dadurch können erstmals hohe Leerlaufspannungen bei gleichzeitig hohem Füllfaktor erreicht werden. Der Zusammenhang zwischen Bandlückenaufweitung und Gewinn an Leerlaufspannung wird anhand von Modellen zur dominierenden Rekombination diskutiert.
Aufbauend auf dem bereits erwähnten Diffusionsmodell wird eine lokal stärker ausgeprägte Bandlückenaufweitung an der Heterogrenzfläche postuliert,
die eine überproportionalen Anstieg der Leerlaufspannung verursacht.
Die mit dieser Arbeit bereitgestellten Modelle, Werkzeuge und quantitativen Daten bilden eine gute Ausgangsbasis für die weitere Verbesserung der CuInS2-Solarzelle durch optimierte Bandverläufe (band gap engineering). |
