FU Berlin Digitale Dissertation
Hans-Jürgen Muffler : Umsetzung und Funktionsprinzip eines alternativen Material- und Abscheidekonzepts für Pufferschichten von Solarzellen Realization and functional principle of an alternative concept of material and deposition for buffers of solar cells
|Zusammenfassung| |Inhaltsverzeichnis| |Ergänzende Angaben|

Zusammenfassung In dieser Arbeit wird ein neues Abscheidekonzept für sulfidische Puffer von Cu(In,Ga)(S,Se)2-"CIGSSe"-Solarzellen erarbeitet, das eine Alternative zur chemischen Badabscheidung (Chemical Bath Deposition, CBD) darstellt. Es beruht auf dem jüngst am Hahn-Meitner-Institut entwickelten Ion-Layer-Gas-Reaction-(ILGAR)-Verfahren. Zudem wird das für Chalkopyrit-Dünnschichtsolarzellen zumeist verwendete schwermetallhaltige CdS durch eine umweltverträglichere Zink-Schwefel-Verbindung ersetzt. Neben der systematischen Wirkungsgradsteigerung beim Verwenden des alternativen Puffers in Solarzellen werden die sich ergebenden elektronischen Bauelement-Eigenschaften sowie die physikalischen Materialeigenschaften der Pufferschicht erarbeitet. Im ersten Teil der Arbeit wird neben der Vorstellung des ILGAR-Verfahrens gezeigt, daß ILGAR-Sulfid-Schichten, die auf glattem Substrat und bei Temperaturen unter 100°C prozessiert werden, nanokristallin sind und daher den Größenquantisierungseffekt aufweisen. Diese Eigenschaft wird ausgenutzt, um auf unkomplizierte und rasche Weise das Wachstumsverhalten der ILGAR-Schichten zu untersuchen. Ein speziell hierfür entwickeltes Programm zur Simulation des Verlaufs der optischen Absorptionskante wird eingeführt, welches u.a. eine Kristallitgrößenverteilung und den Größenquantisierungseffekt berücksichtigt. Anhand der optischen Schichteigenschaften wird es möglich, für den zyklischen ILGAR-Prozeß den komplexen Wachstumsvorgang von Sulfidschichten zu beschreiben. Es stellt sich heraus, daß das Kristallisationsverhalten des Ausgangssalzes einen wesentlichen Einfluß auf das Wachstum hat. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung des neuen Abscheidekonzeptes und des zum CdS alternativen Puffers. Es wird gezeigt, daß wegen des Verwendens von Ammoniak-freien Metallsalzlösungen im ILGAR-Verfahren eine chemische Behandlung des CIGSSe-Absorbers vor der Pufferabscheidung notwendig wird. Wie XPS-Analysen von Ammoniak- bzw. KCN-behandelten Absorbern ergeben, entfernen beide wäßrige Lösungen Natriumcarbonat und Selendioxid von der Absorberoberfläche. Außerdem sind die Ergebnisse Indiz dafür, daß zusätzlich der an den Absorber gebundene Sauerstoff durch die Behandlungen verringert wird. Erstmalig werden mit XPS-Untersuchungen und mit optischer Spektroskopie viele Hinweise geliefert, daß sich bei der Vorbehandlung des Absorbers in Cadmium- bzw. Zinksalzlösung die entsprechenden Metallhydroxide auf der Oberfläche bilden. Die Ergebnisse speziell geführter Zinksalz-Dimethylsulfoxid-Behandlungen des Absorbers stützen die jüngsten Annahmen einer Diffusion von Metallionen in die Absorberoberfläche. Trotz Integration der chemischen Vorbehandlung in das neue Abscheidekonzept erhält man nur dann einen gut funktionierenden Puffer, wenn gezielt Oxid und Hydroxid in das entsprechende Sulfid eingebaut werden. Eine CIGSSe-Solarzelle mit einem ILGAR-Zn(OH,O)S-Puffer erreicht dabei einen Wirkungsgrad von eta=14.2 %. Die entsprechende Solarzelle mit CBD-CdS-Puffer besitzt einen Wirkungsgrad von eta=14.1 %. Durch die Entwicklung des effizienten ILGAR-Zn(OH,O)S-Puffers ist somit nachgewiesen worden, daß ein zum CBD-CdS-Puffer alternatives, Cadmium-freies Puffermaterial zu CIGSSe-Solarzellen mit vergleichbarer Zellenqualität führt.

Inhaltsverzeichnis Die gesamte Dissertation können Sie als gezippten tar-File oder als zip-File laden. Durch Anklicken der Kapitelüberschriften können Sie das Kapitel in PDF-Format laden:      Inhaltsverzeichnis Titelblatt 1 Einleitung 1           2 ION LAYER GAS REACTION ILGAR, ein alternatives Depositionsverfahren für dünne Beschichtungen 5 2.1 Depositionsmethoden für Verbindungen in der Dünnschichttechnologie 5 2.2 ILGAR-Verfahren 6   2.2.1 Funktionsprinzip 6   2.2.2 Chemische Reaktionsprozesse für II?VI-Halbleiterschichten 8   2.2.3 Die Deposition von Sulfidverbindungen 8   2.2.4 Die Deposition von Oxidverbindungen 9   2.2.5 Die Deposition von Hydroxid-Oxid-Sulfidgemischen 10 2.3 Zusammenfassung des Kapitels 11             3 Informationen über das Schichtwachstum beim ILGAR-Sulfid-Prozeß aus strukturellen und optischen Eigenschaften 13 3.1 Standard-ILGAR-Präparationsbedingungen für nanokristalline Sulfidschichten 13 3.2 Komposition, Kristallstruktur und Morphologie von ILGAR-Metallsulfid-Schichten 14   3.2.1 Komposition und Kristallstruktur 15   3.2.2 Morphologie der ILGAR-Sulfidschichten 17 3.3 Vereinfachtes Wachstumsmodell von ILGAR-CdS-Nanokristalliten 18   3.3.1 Abschätzung der Weite der optischen Bandlücke 18   3.3.2 Größenquantisierungseffekt und Kristallitgrößenbestimmung bei den ILGAR-CdS- Schichten 20   3.3.2.1 "Größenquantisierungseffekt" (Q-Size-Effect) 21   3.3.2.2 Einfluß der Schichtdicke auf die Kristallitgröße 24   3.3.2.3 Einfluß der CdCl2-Konzentration auf die Kristallitgröße 24   3.3.2.4 Mechanismus der ILGAR-CdS-Abscheidung 25 3.4 Beschreibung der Absorptionskante einer nanokristallinen Schicht 27   3.4.1 Lichtabsorption und Interbandübergänge bei nanokristallinen Schichten 28   3.4.2 Berücksichtigung der Kristallitgrößenverteilung einer nanokristallinen Schicht 29 3.5 Anwendung des optischen Modells auf nanokristalline ILGAR-ZnS-Schichten 31   3.5.1 Vorgehensweise bei der Simulation 31   3.5.2 Optisches Absorptionsverhalten von ILGAR-ZnS-Schichten 32 3.6 Zusammenfassung des Kapitels 37             4 Modifikationen des ILGAR-Sulfid-Verfahrens für verschiedene Anwendungs- bereiche 39 4.1 Einfluß der Prozeßführung auf die stöchiometrischen und optischen Eigenschaften der ILGAR-Sulfid-Schichten 39   4.1.1 Reduzieren und Entfernen von Ausgangsmaterial 39   4.1.2 Modell des Reaktionsablaufs beim ILGAR-Sulfid-Prozeß 42 4.2 Anwendungsbeispiele 44 4.3 Zusammenfassung des Kapitels 45             5 Sulfidische ILGAR-Halbleiterschichten in Chalkopyrit-Dünnschichtsolarzellen 47 5.1 Aufbau der Cu(In,Ga)(S,Se)2-Chalkopyrit-Dünnschichtsolarzelle und Aufgabe der Pufferschicht 47   5.1.1 Funktion der bisher verwendeten CBD-CdS-Pufferschicht und Rolle des Abscheideverfahrens 48   5.1.2 Anforderungen an alternative Pufferschichten und Abscheideverfahren 50 5.2 Diagnostik für die Entwicklung der Dünnschichtsolarzelle 51   5.2.1 Wirkungsweise der Solarzelle und Zellenparameter 51   5.2.2 Photoelektronen-Spektroskopie ? eine Methode zur Grenzflächenanalyse 53 5.3 Einfluß der Oberflächen-Modifikation des Absorbers auf die Bauelement-Eigenschaften 55   5.3.1 Verfahren der Oberflächenmodifikation des Absorbers 55   5.3.2 Ergebnisse aus der Oberflächenmodifikation von CIGSSe 67 5.4 Solarzellen mit ILGAR-Pufferschichten; Einfluß der chemischen Zusammensetzung des Puffers 69   5.4.1 ILGAR-Sulfid-Puffer 69   5.4.2 ILGAR-Hydroxid-Oxid-Sulfid-Puffer für hocheffiziente CIGSSe-Solarzellen 72 5.5 Zusammenfassung des Kapitels 80             6 Zusammenfassung 81             Anhang       AI) Bestimmung des Volumenanteils von ZnS im ILGAR-ZnS-Dünnfilm 85 AII) Funktionsprinzip des Spektrophotometers und Auswertung der Transmissions- und Reflexionsspektren 86 AIII) Standardbedingungen der Pufferschichtabscheidung 90 AIV) Photoelektronen-Spektroskopie ? Übersichtsspektren von Cu(In,Ga)(S,Se)2,  Mess- und Literaturdaten 92 AV) Materialeigenschaften der betrachteten Sulfid-Verbindungen 96 AVI) Formelzeichen und Abkürzungen 98             Literaturverzeichnis 100 Patent, Veröffentlichungen, Konferenz- und Messebeiträge 105 Lebenslauf / Danksagung

Ergänzende Angaben:
Online-Adresse:	http://www.diss.fu-berlin.de/2001/156/index.html
Sprache:	Deutsch
Keywords:	deposition method, II-VI semiconductors, buffer, solar cell, quantum dots
DNB-Sachgruppe:	29 Physik, Astronomie
Klassifikation PACS:	81.05.Dz, 81.07.Ta, 78.40.Fy, 78.67.Hc, 78.20.Bh, 84.60.Jt, 85.30.De, 81.65.Cf, 81.70.Jb
Datum der Disputation:	22-May-2001
Entstanden am:	Fachbereich Physik, Freie Universität Berlin
Erster Gutachter:	Prof. Dr. Martha Ch. Lux-Steiner
Zweiter Gutachter:	Prof. Dr. Dieter Bräunig
Kontakt (Verfasser):	hans-juergen_muffler@web.de
Kontakt (Betreuer):	lux-steiner@hmi.de
Abgabedatum:	09-Aug-2001
Freigabedatum:	31-Aug-2001

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