| Raman Spektroskopie zur Analyse dünner CuInS2 Schichten |
Schlüsselwörter:
CuInS2 Solarzellen Raman Spektroskopie
CuInS2 solar cells Raman spectroscopy
Sachgruppe der DNBAbstract
Thin CuInS2 films are used as absorber material for solar cells. In the framework of this thesis films were prepared by
reactive annealing of Cu-In precursors in H2S gas. A rapid thermal process was employed for it the first time. Raman
spectroscopy was used for the analysis of the CuInS2 films. The vibrational properties of CuInS2 films depend on the
[Cu]/[In] ratio offered for the chemical reaction. Apart from the known phonon modes of the chalcopyrite lattice,
additional phonon modes appeared for [Cu]/[In] < 1 at 305 cm-1 and 60 cm-1. This phonon modes can also be observed
for films prepared by reactive annealing of Cu-rich precursors in the temperature range 375 °C - 475 °C. The phonon
mode at 305 cm-1 is A1-symmetric as demonstrated by polarization depend Raman measurements. A polymorphous
structure of the chalcopyrite lattice, the so called CuAu order, is responsible for the additional phonon modes. This was
proven by group theoretical analysis and phonon frequency calculations. Reaction kinetics was investigated by means of
combined Raman and X-ray diffraction measurements. Chalcopyrite and CuAu ordered structures form in the early stage of
heating up from the precursor. CuAu order is preferred in this stage. The fraction of CuAu ordered domains decreases with
increasing temperature and is finally vanishing. The excess copper forms Cu9S5 and CuS on the surface. The Cu-S
binaries can be completely removed by chemical etching. CuInS2 solar cells based on the prepared CuInS2 films were
characterized in dependence on the preparation parameters. It was shown that loss in conversion efficiency is related to
the appearance of CuAu-ordered domains. Single phase CuInS2 films of high crystalline quality could be prepared by
reactive annealing of evaporated Cu-In films in H2S for 5 minutes at 525 °C. Solar cells with efficiencies up to 11 %
could be produced on basis of this films. The used Raman setup together with the data from this work can be utilized for
ex-situ quality control of CuInS2 absorber films. Moreover, the fundamentals for the development of a Raman setup for
in-situ growth control are provided.
Dünne CuInS2 Filme werden als Absorbermaterial für Solarzellen verwendet. Im
Rahmen dieser Arbeit wurden die Filme innerhalb weniger Minuten durch reaktives
Anlassen von Cu-In Metall-Vorläuferschichten in H2S-Gas hergestellt. Zum ersten Mal
wurde dafür ein schneller thermischer Prozess verwendet. Raman-Spektroskopie wurde
für die Analyse der CuInS2 Filme eingesetzt.
Die phononischen Eigenschaften der CuInS2 Filme sind abhängig vom [Cu]/[In]
Verhältnis, das für die Reaktion angeboten wird. Für [Cu]/[In] < 1 zeigen sich neben
den bekannten Phononen des Chalkopyrit-Gitters zusätzliche Moden bei 305 cm-1 und
60 cm-1. Diese Phononen werden auch für Filme beobachtet, die durch reaktives Anlassen
kupferreicher Vorläuferschichten ([Cu]/[In] > 1) in H2S im Temperaturbereich
375 °C - 475 °C entstehen. Durch polarisationsabhängige Raman Messungen konnte
gezeigt werden, dass die Mode bei 305 cm-1 von einer symmetrischen Schwingung (A1)
stammt. Für die zusätzlichen Moden ist eine polymorphe Struktur des Chalkopyritgitters,
die sogenannte CuAu-Ordnung, verantwortlich. Dies konnte anhand gruppentheoretischer
Betrachtungen und Berechnung der Phononenfrequenzen für das CuAu-Gitter
belegt werden.
Mittels kombinierter Raman- und Röntgenbeugungsanalysen konnte die Reaktionskinetik
untersucht werden. Chalkopyrit- und CuAu-geordnete Strukturen entstehen
aus der Vorläuferschicht bereits in der frühen Aufheizphase, wobei die CuAu-Ordnung
bevorzugt wird. Der Anteil an CuAu-Ordnung nimmt bei weiterer Temperaturerhöhung ab
und verschwindet schließlich. Das überschüssige Kupfer bildet Cu9S5
und CuS an der Oberfläche. Diese binären Cu-S Phasen können durch chemisches
Ätzen restlos entfernt werden.
Solarzellen auf Basis der hergestellten CuInS2 Schichten wurden anhand von Strom-Spannungs-
Kennlinien in Abhängigkeit der Herstellungsparameter charakterisiert. Es
konnte gezeigt werden, dass Konversionsverluste in den Solarzellen mit dem Auftreten
von CuAu-geordneten Domänen verbunden sind. Durch reaktives Anlassen von sequentiell
aufgedampften Cu-In Schichten in H2S bei 525 °C für 5 Minuten konnten
einphasige CuInS2-Chalkopyritfilme hoher kristalliner Qualität präpariert werden. Auf
Basis dieser Filme wurden Solarzellen mit bis zu 11 % Wirkungsgrad hergestellt. Der
verwendete Aufbau für die Raman-Messungen zusammen mit den Daten dieser Arbeit
kann für die ex-situ Qualitätskontrolle von CuInS2-Absorber Filme genutzt werden.
Darüber hinaus sind die Grundlagen für die Entwicklung eines Raman-Aufbaus für die
in-situ Kontrolle des CuInS2-Wachstums gelegt.
| Betreuer | Richter, Wolfgang; Prof. Dr. |
| Gutachter | Lux-Steiner, Martha Ch.; Prof. Dr. |
| Gutachter | Thomsen, Christian; Prof. Dr. |
| Upload: | 2002-07-30 |
| URL of Theses: | http://edocs.tu-berlin.de/diss/2002/riedle_thomas.pdf |