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Entwicklung einer Hybridsolarzelle mit CuInSe2 und den kleinen organischen Molekülen ZnPc und C60
Morzé, Natascha von
Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine Machbarkeitsstudie einer Hybridsolarzelle mit dem anorganischen Absorber CuInSe2 und den kleinen organischen Molekülen ZnPc und C60. Ähnlich wie bei einer Tandemsolarzelle soll bei diesem Konzept der Absorber CuInSe2 die Sonnenenergie im Infrarotbereich in Strom umwandeln und das Farbstoffmolekül ZnPc im sichtbaren Bereich. Das Fulleren C60 dient als elektronenleitender Halbleiter. Die Wirkung herkömmlicher Behandlungsmethoden von CuInSe2 auf die Hybridsolarzelle, wie das KCN-Ätzen und eine Natrium Eindiffusion, wurde mittels einer Kreuzstudie untersucht. Zu Anfang wurden die chemischen und elektronischen Eigenschaften der unterschiedlich behandelten CuInSe2-Oberflächen mittels Photoelektronenspektroskopie untersucht, wobei eine kupferarme Randschicht mit der Stöchiometrie CuIn3Se5 festgestellt wurde. Auf die CuInSe2-Proben wurden ZnPc- und C60-Schichten aufgetragen und der Ladungstransfer an den hybriden Grenzflächen mittels spektraler und transienter Oberflächenphotospannung untersucht. Hierbei wurde ein erhöhter Elektronentransfer von der CuInSe2-Schicht in die C60-Schicht beobachtet, was auf eine Bandverbiegung an der CuInSe2-Oberfläche zurückgeführt wird. An der CuInSe2/ZnPc- Grenzfläche konnte eine Exzitonentrennung sowie ein verminderter Elektronentransfer in die ZnPc-Schicht festgestellt werden. Die CuIn3Se5-Randschicht zeigte zudem einen starken Einfluss auf den Ladungstransfer an der hybriden Grenzfläche. Die CuInSe2-Proben, in welche Natrium eindiffundiert ist und die keine KCN-Behandlung erhielten, zeigten die vielversprechendsten Eigenschaften. Erste Hybridsolarzellen wurden realisiert, indem nanometerdicke Ag3Mg-Schichten auf Proben der Schichtfolge Glas/Mo/CuInSe2/Organik auf die Organik aufgedampft wurden, um als semi-transparenter Frontkontakt zu fungieren. Als organische Schicht wurde jeweils C60 und ein C60:ZnPc-Blend verwendet. Die Hybridsolarzellen zeigten im Vergleich zu organischen Referenzzellen eine Erhöhung des Kurzschlussstromes um das 15-fache, was auf die Absorption in der CuInSe2-Schicht zurückgeführt werden kann. Die maximale Effizienz betrug 3.0 %. Durch eine Optimierung des Frontkontaktes und der Zellgeometrie sowie der richtigen Auswahl des Akzeptormaterials sind erhebliche Verbesserungen zu erwarten.
The present work is a feasibility study of a hybrid solar cell using the inorganic absorber CuInSe2 and the small organic molecules ZnPc and C60. Similar to a tandem solar cell, the absorber CuInSe2 is intended to convert the solar energy in the infrared range into current and the dye molecule ZnPc is used to convert the energy in the visible range. The fullerene C60 serves as an electron-conducting semiconductor. The effect of conventional treatment methods of CuInSe2 on the hybrid solar cell, such as KCN etching and sodium diffusion, was investigated by a cross-study. To begin with, the chemical and electronic properties of the differently treated CuInSe2 surfaces were examined by means of photoelectron spectroscopy, whereas a copper-poor boundary layer with the stoichiometry CuIn3Se5 was determined. ZnPc and C60 layers were deposited onto the CuInSe2 samples and the charge transfer at the hybrid interfaces was investigated by means of spectral and transient surface photovoltage. An increased electron transfer from the CuInSe2 layer into the C60 layer was observed, which is attributed to a band bending on the CuInSe2 surface. An exciton separation and a reduced electron transfer into the ZnPc layer was observed at the CuInSe2/ZnPc interface. The CuIn3Se5 boundary layer also revealed a strong influence on charge transfer at the hybrid interface. The CuInSe2 samples with sodium which were not treated with KCN revealed the most promising properties. First hybrid solar cells were realized by evaporating nanometer-thick Ag3Mg layers onto samples of the layer sequence of glass/Mo/CuInSe2/organics to form a semitransparent front contact. C60 and a blend of C60 and ZnPc were used for the organic layer, respectively. The hybrid solar cells showed a 15-fold increase in the short-circuit current compared to organic reference cells, which can be attributed to the absorption in the CuInSe2 layer. The maximum efficiency was 3.0 %. Optimization of the front contact and the cell geometry as well as the correct selection of the acceptor material is expected to result in a significantly increased efficiency.
References
