Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5097
Main Title: CIGSe superstrate solar cells
Subtitle: growth and characterization of CIGSe thin films on transparent conductive oxides
Translated Title: CIGSe Superstrat Solarzellen
Translated Subtitle: Wachstum und Charakterisierung von CIGSe Schichten auf transparent leitfähigen Oxiden
Author(s): Heinemann, Marc Daniel
Advisor(s): Rech, Bernd
Referee(s): Powalla, Michael
Rech, Bernd
Schorr, Susan
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The prospects and the limitations of Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) solar cells in superstrate configuration were studied in this work. The, compared to the standard substrate configuration, inverted device structure, sets new requirements for the materials used in the device. CdS cannot be used as the buffer layer between the CIGSe absorber and the ZnO window layer due to its low thermal stability. The direct deposition of CIGSe onto ZnO is known to induce the formation of a GaOx layer at the CIGSe/ZnO interface, but its influence on the device was yet unclear. The correlation between the interface and device properties of CIGSe/ZnO devices is the core part of this work. Interface analysis show that the GaOx layer exhibits large impurities of Cu, which are known to induce acceptor states in oxides. Also In was found as an impurity and is shown to reduce the interface band gap, increasing the interface recombination. The amount of Cu and In within the GaOx layer depend critically on the CIGSe deposition process and best efficiencies were achieved for a process type leading to the lowest Cu and In concentrations. A device model, based on numerical methods, was set up and can explain several aspects of the superstrate device’s behaviour. The performance limiting effect was found to be indeed deep acceptor states within the GaOx and not a conduction band spike as was speculated earlier. Analysis of the amorphous GaOx show that the electron affinity is similar to CIGSe due to oxygen deficiency. This understanding leads to new concepts to overcome the efficiency limitations. In this work the use of doped amorphous oxide diffusion barriers is tested. Ga2O3 deposited at low temperatures and without intentional doping is shown to perform best. Nevertheless the devices still suffer from acceptor states, in this case at the CIGSe/GaOx interface. The efficiency of the CIGSe/ZnO devices could be substantially increased to above 10 % by doping the CIGSe layer with Na. This was shown to be a sensitive process step, as Na, tends to accumulate within the GaOx layer, and, similar to Cu, induces acceptor states within it. The device degradation and the previously reported effect of forward-biasing is assumed to originate from electro-migration of Na within the p/n-junction. A low-rate post-deposition of NaF could reduce the Na concentration at the interface and leads to a stable device efficiency of up to 11 %. Zn diffusion from the ZnO into the CIGSe absorber is shown to lower the p-type doping and the electron lifetime within the CIGSe. Device simulations however indicate, that this does not limit the device efficiency substantially and that Na reduces the negative effect of the Zn contamination. Further it is shown, that the Au back contact can be substituted by MoOx/Ag without sacrificing the device efficiency. Simulations suggest that the high reflectivity and high scattering of this type of back contact leads to a possible reduction of the CIGSe layer thickness down to 600 nm, while maintaining the same efficiency as a substrate device with a 1000 nm thick CIGSe layer. Another advantage of the superstrate configuration was shown to be the defect annealing within the ZnO during the CIGSe deposition. This increases the electron mobility and the overall sub-band gap transparency. Band gap engineering by Ga and S is shown to be well implementable, making the superstrate configuration very attractive provided that a Cu tolerant buffer layer can be found in the future.
Die vorliegende Arbeit untersucht die Chancen und die Limitierungen von Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) Solarzellen in Superstratkonfiguration. Diese im Vergleich zur gewoehnlichen Substratkonfiguration invertierte Schichtstruktur, stellt neue Anforderungen an die Materialieneigenschaften ihrer Schichtkomponenten. Dies fuehrt unter anderem zur Untauglichkeit der generell verwendeten CdS-Pufferschicht, aufgrund deren geringen thermischen Stabilitaet. Bei der direkten Abscheidung von CIGSe auf ZnO ist bekannt, dass sich eine duenne GaOx-Schicht an der Grenzflaeche bildet. Der Einfluss dieser Schicht war bisher ungeklaert, weshalb die Grenzflaechenbildung und deren Einfluss auf die Solarzelleneigenschaften hier eingehend untersucht wurde. Ein numerisches Bauteilmodell wurde aufgestellt, welches die Solarzelleneigenschaften bei unterschiedlichen Grenzfleacheneigenschaften konsistent erklaeren kann. Mit der Hilfe dieses Modells wird gezeigt, dass der typischerweise niedrige Wirkungsgrad durch tiefe Akzeptorzustaende im GaOx verursacht wird und nicht, wie bislang angenommen, durch eine zu niedrige Elektrone- naffiniteat des GaOxs. Es konnte bestaetigt werden, dass amorphes Ga2O3 eine Elektronenaffinitaet aehnlich zu der von CIGSe besitzt. Direkt an der Grenzflaeche durchgefuehrte Photoelektronen- spektroskopiemessungen zeigen, dass die GaOx-Schicht sowohl mit Cu als auch mit In verunreinigt ist. Die Cu-Verunreinigung wird als Ursache fuer die Akzeptorzustaende vermutet, waehrend die In-Verunreinigung die Aktivierungsenergie der Rekombination an der CIGSe/GaOx Gren- zfleache vermindert. Aus Tiefenprofilen der Elemente geht hervor, dass die Konzentration von In und Cu in der GaOx-Schicht stark von dem verwendeten CIGSe-Abscheideprozess abhaengen. Die Schicht mit der geringsten In- und Cu-Verunreinigung fuehrt zu dem ho¨chsten Wirkungsgrad, welcher jedoch weiterhin durch die Cu induzierten Akzeptorzustaende im GaOx limitiert ist. Die Zn-Diffusion aus dem ZnO in den CIGSe-Absorber hat sich als schaedlich aber nicht limitierend herausgestellt. Diese Erkenntnisse fuehrten zu neuen Ansaetzen zur Effizienssteigerung. In dieser Arbeit wurden dotierte amorphe Oxidschichten geprueft, um die Cu-Diffusion zu reduzieren und die Akzeptorzustaende zu kompensieren. Amorphes Ga2O3 hat zu den besten Ergebnissen gefuehrt. Die Limitierung durch Akzeptorzustaende, in diesem Fall an der CIGSe/Ga2O3 Grenzflaeche, bleibt jedoch bestehen. Der Wirkungsgrad in den CIGSe/ZnO-Solarzellen konnte durch eine kontrollierte Na-Dotierung wesentlich erhoeht werden. Dabei hat sich herausgestellt, dass Na, aehnlich wie auch Cu, Akzeptorzustaende an der Grenzflaeche verursacht. Diese fuehren darueber hinaus zu einer Degradation der Solarzelle, angetrieben durch die Migration von Na im elektrischen Feld des p/n-Uebergangs. Eine NaF-Nachbehandlung mit geringer Diffusionsrate ermoeglichte eine Dotierung der CIGSe- Schicht ohne eine wesentliche Erhoehung der Na Konzentration an der Grenzflaeche zu verursachen. Auf diese Weise konnte ein zeitlich stabiler Wirkungsgrad von 11.0 % erreicht werden. Des Weiteren wird gezeigt, dass es moeglich ist, MoOx/Ag als Rueckkontaktmaterialien zu verwenden. Simulationen deuten darauf hin, dass die hohe Reflektivitaet des Rueckkontaktes eine Reduzierung der CIGSe Schichtdicke von 1000 nm auf 600 nm erlaubt. Die CIGSe-Abscheidung fuehrt zudem zu einem Ausheizen von Defekten im ZnO. Dies erhoeht die Elektronenbeweglichkeit im ZnO und dessen Transparenz unterhalb der Bandluecke. Eine Aufweitung der Bandluecke an den Grenzfl¨achen durch Ga und S Gradienten wurde als praktisch anwendbar aufgezeigt, was die Anwendung der Superstratkonfiguration als Ganzes attraktiv macht, vorausgesetzt eine Cu tolerante Pufferschicht wird verfuegbar.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5422
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5097
Exam Date: 13-Oct-2015
Issue Date: 2016
Date Available: 13-Apr-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
Subject(s): CIGS
device simulation
photovoltaic
Ga2O3
superstrate
Bauteilsimulationen
Photovoltaik
Superstrat
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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