Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2623
Main Title: The Role of Cd and Ga in the Cu(In,Ga)S2/CdS Heterojunction Studied with X-Ray Spectroscopic Methods
Translated Title: Untersuchung der Rolle von Cd und Ga in dem Cu(In,Ga)S2/CdS Heteroübergang mit Röntgen-Spektroskopischen Methoden
Author(s): Johnson, Benjamin
Advisor(s): Esser, Norbert
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Photovoltaische Zellen mit dem Aufbau Glas/Mo/Cu(In,Ga)S2/CdS/i-ZnO/n+-ZnO gehören zur Zeit zu den erfolgreichsten Dünnschicht Solarzellen. Dabei dient das Cu(In,Ga)S2 (CIS) als Absorber, das CdS als Pulverschicht und das ZnO als Fensterschicht Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Cu(In,Ga)S2/CdS Halbleiter-Heteroüberganges sowohl als Komponente dieser Solarzelle wie auch als isoliertes Materialsystem. Die Eigenschaften dieses Überganges wurden während des Herstellungsprozesses mittels chemischer Badabscheidung und nach Fertigstellung untersucht. Dem Cu(In,Ga)S2/CdS Übergang werden innerhalb der Solarzelle verschiedene Effekte zugeschrieben: Gitter- oder Bandanpassung zwischen Absorber und Fensterschicht, chemische Oberflächenpassivierung des Absorbers durch die Abscheidung von CdS auf CIS, wobei die Oberflächendefektdichte reduziert wird. Das Cd könnte auch das Fermi Niveau an der CIS Oberfläche fixieren oder zu einer Typinversion an der Oberfläche von p-Typ nach n-Typ führen. Um dies zu untersuchen, wurden neben herkömmlichen Methoden wie Röntgen- und Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie und inverser Photoelektronenspektroskopie, auch neue Methoden zum ersten Mal auf das System angewandt. Diese waren near-UV constant final state yield spectroscopy für die Valenzbanddiskontinuität an der Grenzfläche zwischen CIS und CdS und Near Edge X-ray Absorption Fine Structure, um die Entwicklung der Lage der CIGS Leitungsbandkante mit zunehmendem Ga-Gehalt zu verfolgen. Dazu wurden die Vor- und Nachteile der etablierten und neuen Methoden gegenübergestellt und diskutiert. Es wurde festgestellt, dass die Deposition von CdS weder das Fermi Niveau an einer Position der CIS Oberfläche fixiert, die wichtig ist für die Solarzelle, noch die Oberfläche dotiert obwohl eine Cd-haltige CIS Schicht (CIS:Cd) durch die Abscheidung gebildet wird. Da sie in HCl unlöslich ist, kann es sich nicht um CdS handeln. Weil vermutet wird, dass sich Cd im CIS auf Kationenplätzen befindet, höchstwahrscheinlich auf Cu-Leerstellen, sollten die Cd-S Bindungen im CIS anders als im CdS sein, weil sich CdS in HCl leicht lösen lässt. Weitere Experimente konnten nicht ausschließen, dass Cd in das CIS hineindifundiert, konnten aber wohl zeigen, dass Cu vom CIS in das CdS hineindiundiert, die Oberfläche einer normalen ~35nm CdS Pufferschicht aber nicht erreicht. Die Valenzbanddiskontinutität zwischen CIGS und CdS war unabhängig von Ga-Gehalt und betrug 1.35 eV±0.20 eV. Die Lage des Leitungsbandes wies wiederum eine Ga-Abhängigkeit auf und verschob sich zu niedrigeren Bindungsenergien hin mit zunehmendem Ga-Gehalt. ~8% Ga an der CIGS Oberfläche weitete die Oberflächenbandlücke des Materials um ~150meV auf, bezogen auf reines CIS. Diese Bandaufweitung verschlechtert die Leitungsbandanpassung zwischen CIGS und CdS, obwohl die Beimischung von Ga die Leerlaufspannung der Solarzelle um ~100mV erhöht.
Photovoltaic cells with the structure Glass/Mo/Cu(In,Ga)S2/CdS/i-ZnO/n+-ZnO are currently among the most successful and promising thin-layer solar cells. In this system, the Cu(In,Ga)S2 (CIS) acts as the absorber, the CdS as the buffer layer and the ZnO as the window layer. The goal of this work is the investigation of the Cu(In,Ga)S2/CdS semiconductor heterojunction both as a component of the solar cell and as a separate material system. The characteristics of this junction were investigated both during junction formation through chemical bath deposition (CBD) and after the junction was completed. It is currently thought that the Cu(In,Ga)S2/CdS junction is responsible for several different properties of the solar cell: lattice matching and band offset optimization between the absorber and window layer and chemical passivation of the absorber surface by the CBD-CdS process on CIS which acts to reduce the surface defect density. The Cd may also pin the Fermi Level on the CIS surface or cause a type inversion of the absorber surface from p-type to n-type. In order to investigate the junction several new methods were used along side the conventional methods of X-ray, Ultraviolet and Inverse Photoelectron Spectroscopy. These were Near-UV Constant Final State Yield Spectroscopy for the measurement of the valence band offset at the interface between CIS and CdS and Near Edge X-ray Absorption Fine Structure to follow the development of the Cu(In,Ga)S2 conduction band edge with increasing Ga concentration. Additionally, the advantages and disadvantages of the established and new methods were compared and discussed. It was discovered that the deposition of CdS neither pins the Fermi Level on the CIS surface at a position important for the solar cell, nor does it dope the absorber surface, although the deposition does lead to the formation of a Cd-containing CIS surface layer (CIS:Cd). Because this surface layer is not soluble in HCl it cannot be CdS as this is readily dissolved by HCl. Also, because it is thought that Cd will replace the cations in the CIS lattice, most likely Cu, the resulting Cd-S bonds in CIS:Cd will be different from those in CdS. Further experiments could not exclude the possibility that Cd diffuses into the CIS. However, it was shown that Cu from the absorber diffuses into the buffer layer during junction formation, although the Cu does not reach the surface of a full ~35nm thick CdS layer. The valence band offset between Cu(In,Ga)S2 and CdS was independent of Ga concentration and had a value 1.35eV±0.20eV. However, the position of the conduction band did show a dependence on Ga and moved to lower binding energies with increasing Ga concentration. ~8% Ga on the absorber surface opened the Cu(In,Ga)S2 band gap by ~150meV when compared to CuInS2. Although the opening of the band gap exacerbates the conduction band offset in the CIS/CdS junction, the inclusion of Ga increases the open circuit voltage of the solar cell by ~100mV.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-28318
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2920
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2623
Exam Date: 30-Aug-2010
Issue Date: 3-Nov-2010
Date Available: 3-Nov-2010
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): CdS
Cu(In,Ga)S2
Heteroübergang
Röntgen-Spektroskopie
Solarzelle
CdS
Cu(In,Ga)S2
Heterojunction
Solar cell
X-Ray Spectroscopy
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Fakultät 2 Mathematik und Naturwissenschaften » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_37.pdf27.89 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.