FU Berlin Digitale Dissertation
Hans-Jürgen Muffler : Realization and functional principle of an alternative concept of material and deposition for buffers of solar cells Umsetzung und Funktionsprinzip eines alternativen Material- und Abscheidekonzepts für Pufferschichten von Solarzellen
|Abstract| |Table of Contents| |More Information|

Abstract In this thesis, a novel concept of depositing sulfidic buffers of Cu(In,Ga)(S,Se)2 "CIGSSe" solar cells is developed. This alternative to the chemical bath deposition process is based on the Ion-Layer-Gas-Reaction (ILGAR) method, which recently was developed at the Hahn-Meitner-Institute. Moreover, the heavy metal containing CdS usually used in such chalcopyrite solar cells is replaced by an alternative, more ecological zinc-sulfur compound. Beside the systematic increase in solar cell efficiency the electronic properties of such an alternative device and the physical properties of the buffer material are investigated. After the presentation of the ILGAR-method the first part of this work illustrates that ILGAR-sulfide layers, deposited on smooth substrates and at temperatures below 100°C, show a significant blue shift in their optical absorption due to the quantum size effect. This effect is used to investigate the growth behavior of ILGAR-films in a quick and uncomplicated way. A specially developed computer program simulating the optical absorption edge and taking into account the distribution of crystallite size, the quantum size effect and the phonon-photon-coupling is presented. It facilitates the understanding of the complex growth process of the ILGAR-sulfide layer. The main result of this growth study is that the crystallization behavior of the precursor salt has a significant influence on growth characteristic. The second part of this work concerns the development of the novel deposition concept and the alternative buffer with respect to CdS. It is shown that the use of ammonia free metal salt solutions at room temperature in the ILGAR process makes a chemical pretreatment of the CIGSSe absorber necessary. XPS-analysis shows that ammonia and KCN dissolved in water remove sodium carbonate and selenium dioxide from the absorber surface. Moreover, the results are an indication of a reduction of oxygen bound to the absorber. For the first time XPS analysis and optical spectroscopy have been used to prove that there is a deposition of cadmium hydroxide and zinc hydroxide on the absorber surface by the corresponding treatments. In the case of buffer free solar cells an increase in open circuit voltage is observed with increasing temperature of a zinc-dimethylsulphoxide treatment, confirming the assumption of a diffusion of metal ions into the absorber surface. The chemical pretreatment is one substantial part of the novel deposition concept. Moreover, the composition of the sulfidic buffer is important in this concept. It is shown that for a well working device this layer must be a mixture of sulfide, hydroxide and oxide. An ILGAR-Zn(OH,O)S buffered CIGSSe-solar cell than reaches an efficiency of eta=14.2 %; the CBD-CdS buffered reference cell leads to eta=14.1 %. By the development of an efficiently working Zn(OH,O)S buffer a cadmium free alternative to the CBD-CdS buffer for chalcopyrite solar cells with comparable device performance is demonstrated.

Table of Contents Download the whole PhDthesis as a zip-tar file or as zip-File For download in PDF format click the chapter title      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

More Information:
Online available:	http://www.diss.fu-berlin.de/2001/156/indexe.html
Language of PhDThesis:	german
Keywords:	deposition method, II-VI semiconductors, buffer, solar cell, quantum dots
DNB-Sachgruppe:	29 Physik, Astronomie
Classification 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
Date of disputation:	22-May-2001
PhDThesis from:	Fachbereich Physik, Freie Universität Berlin
First Referee:	Prof. Dr. Martha Ch. Lux-Steiner
Second Referee:	Prof. Dr. Dieter Bräunig
Contact (Author):	hans-juergen_muffler@web.de
Contact (Advisor):	lux-steiner@hmi.de
Date created:	09-Aug-2001
Date available:	31-Aug-2001

|| DARWIN|| Digitale Dissertationen || Dissertation|| German Version|| FU Berlin|| Seitenanfang ||

	Fragen und Kommentare an: darwin@inf.fu-berlin.de
© Freie Universität Berlin 1999