Nano-Charakterisierung von Grenzflächendefekten in Chalkopyrit-Dünnschichtsolarzellen

Grunddaten zu diesem Projekt

Beschreibung

Für Chalkopyrit-Dünnschichtsolarzellen auf Basis von polykritallinem Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) konnten seit 2013 beachtliche Effizienzsetigerungen erreicht werden. Mit einem aktuellen Wirkungsgradrekord von 22.6% werden damit sogar entsprechende Solarzellen auf Basis von polykristallinem Silizium übertroffen. Dennoch sind CIGS Solarzellen bei Weitem nicht so gut verstanden wie letztere. Viele offene Fragen hängen dabei eng mit der komplexen Defektphysik des Chalkopyrit-Absobermaterials zusammen. Dabei sind die Grenzflächeneigenschaften zwischen dem p-leitenden Absorber und der n-leitenden Fensterschicht von besonderer Bedeutung da es dort durch eine erhöhte Defektdichte verstärkt zu Rekombinationverlusten kommt. So wurden die jüngsten Wirkungsgradrekorde durch das Einbringen von Alkalimetallen an dieser Grenzfläche erreicht, wobei die Ursachen für die Effizienzsteigerungen weitgehend unklar sind. Daher ist für eine wissensbasierte Optimierung dieser Solarzellen eine Charakterisierung elektronischer Defektniveaus an dieser Grenzfläche dringend erforderlich. Die Untersuchung elektronischer Defektniveaus in Halbleitern erfolgt jedoch meist durch integrale spektroskopische Methoden über die es sich schwierig gestaltet bestimmte spektrale Signaturen dem Volumen oder einer Grenzfläche zuzuordnen. Zusätzlich zeigt das polykristalline Chalkopyrit Material ausgeprägte laterale Inhomogenitäten, die eine solche Analayse erschweren. Wie durch Vorarbeiten gezeigt wurde, bieten Experimente durch Rastertunnelspektroskopie hier einen alternativen Zugang. Hierdurch konnten umfassende Erkenntnisse zur spektralen Defektverteilung und lateralen Bandverbiegungen an intrinsischen Chalkopyritoberflächen mit einer Ortsauflösung im Nanometerbereich gewonnen werden. Auf Basis dieser Vorarbeiten richtet sich der Fokus des Projekts nun auf eine systematische Charaktersisierung der Absorber/Fenster Grenzfläche, wobei der methodische Ansatz durch rasterkraftspektroskopische Kontaktpotential- und Photospannungsmessung ergänzt wird. Diese methodische Erweiterung erlaubt somit eine direkte Korrelation der lokalen Defektdichte mit den lokalen photovoltaischen Eigenschaften. Komplementär dazu sollen durch Photoelektronenspektroskopie die Oberflächenzusammensetzung und globalen elektronischen Eigenschaften an den Oberflächen analysiert werden. Dabei ist ein wesentliches Ziel zunächst den Einfluß der Alkalibehandlungen im Detail zu verstehen. Im weiteren Verlauf werden dann Effekte durch das Aufbringen der Fensterschicht, die durch eine dünne CdS Schicht von 30-50 nm mediiert wird, untersucht. Die Ergebnisse des Forschungsprojektes werden wichtige Einblicke in die lokal aufgelösten Grenzflächeneigenschaften von CIGS Dünnschichtsolarzellen geben und damit wichtige Erkenntnisse zur Optimierung technologisch relevanter Herstellungsverfahren beitragen.