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Identifikation von Defekten und Metastabilitäten in Cu(In,Ga)Se_2-Dünnschichtsolarzellen

Eisenbarth, Tobias - Freie Universität Berlin (2010)

Das übergeordnete Ziel, nämlich die Entwicklung eines physikalischen Verständnis des Rekombinationsverhaltens und der Funktionsweise von Cu(In,Ga)Se₂-Dünnschichtsolarzellen (CIGS), gab den Anlass zur Untersuchung folgender zentraler Themengebiete:

1. Die Interpretation bisher kontrovers diskutierter defektspektroskopischer Charakterisierungsmethoden in CIGS-Dünnschichtsolarzellen;
2. Die Interpretation von Metastabilitätsphänomenen in CIGS-Solarzellen.

Kapitel 6 befasst sich mit der Interpretation eines von vielen Gruppen beobachteten Admittanzbeitrages (N1-Admittanzstufe), der bisher fast ausschließlich als Defektbeitrag am oder nahe dem p/n-Heteroübergang interpretiert wurde. Zur systematischen Untersuchung dieses Admittanzbeitrages wurden modifizierte Heteroübergänge mit einer Variation der Grenzfläche bzw. der n-Seite des Übergangs hergestellt. Admittanzuntersuchungen an diesen Heterostrukturen zeigen Eigenschaften des N1-Admittanzbeitrags, die im Widerspruch zur bisherigen N1-Interpretation stehen. Des Weiteren zeigen temperaturabhängige Strom-Spannungsmessungen (IVT) bei den für die N1-Stufe relevanten Temperaturen eine dielektrische Relaxationszeit des CdS-Puffers, die eine Defektumladung an der Heterogrenzfläche ausschließt. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde ein Modell eingeführt, bei dem die extrahierte Aktivierungsenergie des N1-Admittanzbeitrages einer Barriere am CIGS-Rückkontakt entspricht. Das Modell einer Rückkontaktbarriere, die in gegensätzlicher Polarität zur Diode des eigentlichen p/n-Übergangs arbeitet, wird durch das Auftreten des Roll-overs in Strom-Spannungskennlinien bei tiefen Temperaturen unterstützt. Das eingeführte Modell erlaubt eine einheitliche Erklärung für die N1-Admittanzcharakteristik, der bisher unverstandenen Verläufe von Defektprofilen in spannungsabhängigen Kapazitätsmessungen und des Roll-overs in IVT-Messungen. Diese experimentellen Befunde werden durch numerische Modellierung ohne stringente Anforderungen an die Simulationsparameter mit guter Übereinstimmung zum Experiment bestätigt.

In Kapitel 7 sind Untersuchungen zum Themenkomplex Metastabilität dargestellt. Unter Berücksichtigung der Reversibilität der induzierten metastabilen Zustände zeigt sich, dass die N1-Admittanzstufe metastabilen Charakter besitzt. Die Wirkung der metastabilen Konditionierungen auf den N1-Admittanzbeitrag erlaubt folgende Klassifizierung der metastabilen Phänomene: (1) Störungen, die sich in ihrer lokalen Wirkung auf die Heterogrenzfläche beschränken und die N1-Charakteristik unverändert lassen; (2) Störungen, die eine Elektroneninjektion am CIGS-Rückkontakt bewirken und eine deutliche Veränderung des N1-Verhaltens in Admittanz aufweisen. Eine Analyse der Strom-Spannungkennlinien für verschiedene metastabile Zustände zeigt, dass der Effekt des Roll-overs direkt vom metastabilen Zustand des N1 bzw. von der Barrierenhöhe am CIGS/Mo-Rückkontakt abhängt. Diese Beobachtungen unterstützen die Neuinterpretation des N1-Beitrags. Des Weiteren ist der beobachtete Anstieg der Raumladung nach Rotlichtbeleuchtung mit einer simultanen Verminderung der Aktivierungsenergie des N1-Admittanzbeitrages verbunden, was widersprüchlich zur bisherigen N1-Interpretation aber konsistent mit der Neuinterpretation des N1-Beitrages ist. Aufgrund der beobachteten unterschiedlichen Relaxationsdynamik des Rotlicht- und Reverse-Bias-Effekts lassen sich diese nicht in einem verallgemeinerten Modell erklären, in dem verschiedene metastabile Zustände eines Defektkomplexes der physikalische Ursprung beider Metastabilitätsphänomene sind. Die N1-Neuinterpretation und die daraus resultierende Freigabe des Ferminiveaus an der Heterogrenzfläche erlaubt die Zuordnung des Blaulichteffekts als CdS-Puffereigenschaft.

Diese Arbeit liefert die Grundlage für ein besseres Verständnis der wichtigen defektspektroskopischen Analysemethoden und liefert eine entscheidende Neubewertung der Bandstruktur der CIGS-Dünnschichtsolarzelle.

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