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FU Berlin
Digitale Dissertation

Katja Ernst :
Die eta-Solarzelle: Ein neues Solarzellenkonzept mit extrem dünnem Absorber auf der Basis einer strukturierten TiO2/CdTe-Grenzfläche
The eta-solar cell: a new solar cell concept with extremely thin absorber based on a structured TiO2/CdTe-junction

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|Zusammenfassung| |Inhaltsverzeichnis| |Ergänzende Angaben|

Zusammenfassung

Das Konzept einer Solarzelle mit extrem dünnem Absorber (engl.: extremely thin absorber = eta) beruht auf der Reduktion der Transportwege in einer Solarzelle, um auch Materialien von geringer elektronischer Qualität, d.h. mit geringen Diffusionslängen, verwenden zu können. Diese Arbeit zeigt zum ersten Mal, daß das eta-Solarzellenkonzept in Form eines strukturierten pn-Heteroüberganges mit einem n-leitenden Fenster und einem p-leitenden Absorber realisiert werden kann. Dabei beträgt die lokale Absorberdicke, die die maximale Transportdistanz innerhalb der Solarzelle bestimmt, etwa 150nm. Es wird gezeigt, wie aus unterschiedlichen Materialien wie TiO2, ZnO und ZnTe mit verschiedenen Morphologien aufgrund der Streueigenschaften, der Oberflächenvergrößerung, der Struktur und des Absorptionsverhaltens eine Auswahl getroffen wird. Für die Solarzelle wird mikroporöses TiO2 als Substratmaterial und CdTe als Absorbermaterial verwendet. Die konformale Bedeckung des mikrostrukturierten TiO2-Substrates, das per Sprühpyrolyse hergestellt wird, wird durch Elektrodeposition von CdTe erreicht. Bei der thermischen Nachbehandlung der abgeschiedenen CdTe-Schichten in CdCl2-Umgebung erfolgt eine Rekristallisation des Materials, so daß das TiO2 von einzelnen, nebeneinanderliegenden CdTe-Kristalliten mit einer Ausdehnung von etwa der lokalen Absorberdicke bedeckt ist. D.h. für die photogenerierten Minoritätsladungsträger, daß sie innerhalb des CdTe für die Sammlung keine Korngrenzen passieren müssen. Die Solarzelle zeigt eine offene Klemmenspannung von Uoc=680mV und und einen Kurzschlußstrom von jsc=8.9mA/cm2. Der Vergleich zwischen einer eta-Solarzelle und einer planaren Solarzelle mit gleichen Materialien ergibt insbesondere eine drastische Steigerung des Photostromes. Die Steigerung ist in erster Linie auf die geringe Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger im elektrodeponierten CdTe zurückzuführen: In der eta-Konfiguration erstreckt sich die Raumladungszone über einen größeren Teil des Absorbermaterials, so daß trotz der geringen Diffusionslänge effiziente Sammlung der photogenerierten Ladungsträger erzielt werden kann. Aus dem optischen Vergleich erhält man mittels Simulation von Transmission- und Reflexionsdaten eine mögliche Erhöhung der Absorption im CdTe von bis zu einem Faktor 6 insbesondere für sehr dünne CdTe-Schichten. Eine detaillierte Untersuchung der TiO2/CdTe-Grenzfläche per XPS und UPS ergibt eine Valenzbanddiskontinuität von 2.5eV, so daß man eine Leitungsbanddiskontinuität von 0.6eV erhält. Diese Leitungsbanddiskontinuität führt zu einem verringerten elektrischen Feld im CdTe und, in Kombination mit der geringen Diffusionslänge, zu einem stark spannungsabhängigen Photostrom. Es zeigt sich, daß der resultierende geringe Füllfaktor momentan der begrenzende Faktor für die Effizienz dieser neuen Solarzelle darstellt.

Inhaltsverzeichnis

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Titelblatt
1 Einleitung 1
2 Konzept der eta-Solarzelle und Kriterien zur Materialauswahl 4
2.1 Prinzip des eta-Konzeptes 4
2.2 Materialauswahl 5
3 Grundlagen 8
3.1 Strahlungseinkopplung in absorbierende Materialien 8
3.2 Parameter des elektronischen Transportes 12
3.3 Halbleiter-Heterokontaktbildung 14
4 Experimentelle Methoden 17
4.1 Charakterisierung 17
4.1.1 Struktur und Morphologie 17
4.1.2 Optische Eigenschaften 19
4.1.3 Elektrische Eigenschaften 21
4.1.4 Bauelement-Charakterisierung 24
4.2 Präparationsprozesse 30
4.2.1 Sprühpyrolyse von TiO2 30
4.2.2 Elektrodeposition von ZnO 33
4.2.3 Elektrochemisches Ätzen von ZnTe 34
4.2.4 Elektrodeposition von ZnTe 36
4.2.5 Elektrodeposition von CdTe 38
5 Bekannte Materialparameter der untersuchten Halbleiter 41
5.1 Substratmaterial: TiO2 41
5.2 Absorbermaterial: CdTe 43
6 Die eta-Solarzelle 45
6.1 Konkrete Substratauswahl aus verschiedenen Materialien und Strukturen 45
6.1.1 Morphologie 45
6.1.2 Streuvermögen 47
6.2 Charakterisierung der porösen TiO2-Schichten 50
6.3 Schichtwachstum des Absorbers 55
6.3.1 Aspekte der Elektrodeposition auf porösen TiO2-Substraten 45
6.3.2 Verbesserung des Absorbermaterials durch Nachbehandlung 58
6.4 TiO2/CdTe-Kontakt 64
6.4.1 Lichteinkopplung 64
6.4.2 Bandanpassung 67
6.5 Realisierung des eta-Solarzelle 73
6.5.1 Vergleich zwischen planarer und poröser TiO2/CdTe-Heterostruktur 74
6.5.2 Diskussion des Einflusses des Rückkontaktes 81
6.5.3 Untersuchung des spannungsabhängigen Photostromes in der eta-Solarzelle 86
7 Zusammenfassung 92
Anhang I
A Abkürzungen und Symbole I
B Prozeßabläufe VI
C Meßaufbau zur Bestimmung des Quantenausbeute VIII
D Präparative Arbeiten am Rückkontakt XI
Literaturverzeichnis XI
Veröffentlichungen und Konferenzbeiträge XIX
Lebenslauf XXI
Danksagung XXIII

Ergänzende Angaben:

Online-Adresse: http://www.diss.fu-berlin.de/2001/102/index.html
Sprache: Deutsch
Keywords: eta-solar cell, CdTe, porous TiO2, electrical transport
DNB-Sachgruppe: 29 Physik, Astronomie
Klassifikation PACS: 84.60Jt
Datum der Disputation: 09-May-2001
Entstanden am: Fachbereich Physik, Freie Universität Berlin
Erster Gutachter: Prof. Martha-Christina Lux-Steiner
Zweiter Gutachter: Prof. Hans-Joachim Lewerenz
Kontakt (Verfasser): ernst@hmi.de
Kontakt (Betreuer): koenenkamp@hmi.de
Abgabedatum:26-Jun-2001
Freigabedatum:28-Jun-2001

 

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