Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3236
Main Title: Charge carrier transport in Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar-cells studied by electron beam induced current and temperature and illumination dependent current voltage analyses
Translated Title: Untersuchung von Ladungstransport in Cu(In,Ga)Se2 Dünnschichtsolarzellen mittels Messungen elektronenstrahlinduzierter Ströme und temperatur- und beleuchtungsabhängiger Strom-Spannungs-Analyse
Author(s): Nichterwitz, Melanie
Advisor(s): Rech, Bernd
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zu einem besseren Verständnis generationsabhängigen Ladungstransports in Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe)/ CdS/ ZnO Dünnschichtsolarzellen. Ein konsistentes Modell für das elektronische Banddiagramm im Bereich der Heteroübergänge wird entwickelt. Hierfür werden Messungen elektronenstrahlinduzierter Ströme in der Querschnittsanordnung und temperatur- und beleuchtungsabhängige IV Messungen an Solarzellen mit Absorberschichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung und einer variierenden CdS Pufferschichtdicke durchgeführt. Für ein besseres Verständnis der Möglichkeiten und Grenzen von EBIC Messungen an CIGSe Solarzellen werden detaillierte numerische Simulationen von EBIC Profilen unter der Annahme variierender Elektronenstrahl- und Solarzellenparameter durchgeführt. Diese werden mit Profilen, die aus einer analytischen Beschreibung hervorgehen, verglichen. Im Speziellen werden Hochinjektionseffekte untersucht. Obwohl die Sammlungsfunktion der Solarzelle nicht unabhängig von der Generationsfunktion des Elektronenstrahls ist, ist eine Extraktion der lokalen Diffusionslänge der Elektronen in CIGSe möglich. Diese ist kornspezifisch und wird zu Werten von (480 +/- 70) nm bis (2.3 +/- 0.2) µm in CuInSe2 und zu (2.8 +/- 0.3) µm in einer CIGSe Schicht mit einem Ga-Gehalt von 0.3 bestimmt. In der Literatur werden verschiedene Modelle zur Erklärung der generationsabhängigen Ladungsträgersammlung diskutiert, die alle auf der Annahme einer hohen Dichte an akzeptorartigen Defektzuständen entweder in der CIGSe Schicht im Bereich der CIGSe/CdS Grenzfläche (p+ Schicht), in der CdS Schicht oder an der CdS/ZnO Grenzfläche basieren. In allen Modellen verändert sich die Ladungsträgersammlung in Abhängigkeit von der generationsabhängigen Besetzung der Defektzustände und dem resultierenden Potentialverlauf in der Solarzelle. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden numerische Simulationen unter der Annahme von Parametern durchgeführt, die den in der Literatur diskutierten Modellen entsprechen. Die beste Übereinstimmung mit den experimentellen Daten wird erreicht wird für ein Modell einer p+ Schicht an der CIGSe/CdS Grenzfläche und Akzeptorenzustände an der CdS/ZnO Grenzfläche. Die p+ Schicht verursacht die generationsabhängigen Transporteigenschaften in EBIC bei Raumtemperatur, wohingegen die Defektzustände an der CdS/ZnO eine Verringerung des Photostroms der Solarzelle im Fall von Rotlichtbeleuchtung bei tiefen Temperaturen bedingen. Elektronenbestrahlung der Heterogrenzflächenregion verändert EBIC Profile temporär, und Relaxation dieses Effekts findet verstärkt in Anwesenheit von Sauerstoff statt. Das Auftreten generationsabhängiger Ladungsträgersammlung korreliert mit der Anwesenheit einer geordneten Defektverbindung (ordered defect compound, ODC) in der Absorberschicht. Die p+ Schicht kommt also in Verbindung mit einer ODC Phase vor, welche ein abgesenktes Valenzband im Verhältnis zu der CIGSe Schicht und eine hohe netto p-Dotierung aufweist, die durch die Passivierung donatorartiger Defektzustände im grenzflächennahen Bereich der Absorberschicht durch den Einbau von Sauerstoff zustande kommen könnte. Des Weiteren erklärt ein flacher Donator an der p+ Schicht/CdS Grenzfläche einiger Körner der Absorberschicht, welcher möglicherweise durch Cd auf Cu Defekte verursacht wird,die Beobachtung, dass Ladungsträgertransport in EBIC kornspezifisch und damit inhomogen ist.
This work contributes to the understanding of generation dependent charge-carrier transport properties in Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe)/ CdS/ ZnO solar cells and a consistent model for the electronic band diagram of the heterojunction region of the device is developed. Cross section electron-beam induced current (EBIC) and temperature and illumination dependent current voltage (IV) measurements are performed on CIGSe solar cells with varying absorber layer compositions and CdS thickness. For a better understanding of possibilities and limitations of EBIC measurements applied on CIGSe solar cells, detailed numerical simulations of cross section EBIC profiles for varying electron beam and solar cell parameters are performed and compared to profiles obtained from an analytical description. Especially the effects of high injection conditions are considered. Even though the collection function of the solar cell is not independent of the generation function of the electron beam, the local electron diffusion length in CIGSe can still be extracted. Grain specific values ranging from (480 +/- 70) nm to (2.3 +/- 0.2) µm are determined for a CuInSe2 absorber layer and a value of (2.8 +/- 0.3) µm for CIGSe with a Ga-content of 0.3. There are several models discussed in literature to explain generation dependent charge carrier transport, all assuming a high acceptor density either located in the CIGSe layer close to the CIGSe/CdS interface (p+ layer), within the CdS layer or at the CdS/ZnO interface. In all models, a change in charge carrier collection properties is caused by a generation dependent occupation probability of the acceptor type defect state and the resulting potential distribution throughout the device. Numerical simulations of EBIC and IV data are performed with parameters according to these models. The model that explains the experimental data best is that of a p+ layer at the CIGSe/CdS interface and acceptor type defect states at the CdS/ZnO interface. The p+ layer leads to generation dependent transport in EBIC at room temperature, while defect states at the CdS/ZnO interface cause a significant reduction of the photocurrent in the red light illuminated IV characteristics at low temperatures. Electron beam irradiation of the heterojunction region alters EBIC profiles temporarily, and there is enhanced relaxation of this effect in air. In addition, the occurrence of generation dependent charge-carrier transport is found to correlate with the presence of an ordered defect compound (ODC) in the absorber layer. Thus, the p+ layer occurs in connection to an ordered defect compound (ODC) layer with a lowered valence band maximum as compared to that of the CIGSe layer with a high net p-type doping density (1017 cm-3), possibly due to the passivation of donor type defect states by oxygen incorporation. Furthermore, shallow donor type defect states at the p+ layer/CdS interface of some grains of the absorber layer possibly caused by Cd on Cu site defects explain the fact that charge-carrier transport is grain specific, i.e. inhomogeneous, in EBIC experiments.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-35184
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3533
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3236
Exam Date: 10-Jan-2012
Issue Date: 8-Jun-2012
Date Available: 8-Jun-2012
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Chalkopyrit-Solarzelle
Dünnschichtsolarzelle
Elektronenmikroskopie
Photovoltaik
Chalcopyrite Solar Cell
Electron Microscopy
Photovoltaics
Thin-Film Solar Cell
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/
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