Analysis of current transport and recombination mechanisms in chalcopyrite-based thin-film solar cells with RbF treatment

dc.contributor.advisorKlenk, Reiner
dc.contributor.authorVillanueva Tovar, Alejandra
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeRech, Bernd
dc.contributor.refereeSchlatmann, Rutger
dc.contributor.refereeScheer, Roland
dc.date.accepted2021-06-22
dc.date.accessioned2021-12-07T12:37:57Z
dc.date.available2021-12-07T12:37:57Z
dc.date.issued2021
dc.description.abstractIn recent years, post deposition treatment (PDT) of the absorber with RbF has led to a significant improvement in the efficiency of Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) thin-film solar cells. In this work, the influence of RbF by PDT on the recombination and current transport mechanisms was studied. Temperature-dependent current-voltage (JVT) measurements were performed with a set of CIGSe samples prepared under various preparation conditions at Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and in other laboratories. Based on JVT measurements, CIGSe cells with RbF-PDT present non-ideal current- voltage (J−V) characteristics especially at low temperatures such as a roll-over of the diode current, a cross-over between the dark and illuminated curves, a saturation of the open-circuit voltage (Voc) and, examined in detail here for the first time, a discrepancy between dark and light J−Vs. These negative and positive (typically an increased Voc) effects of PDT may derive from different physical mechanisms since these non-idealities are not necessary linked to the high efficiency presented in some measured solar cells. The open-circuit voltage (Voc) can be influenced by the phototransistor effect visible at low or in some cases even at higher temperatures, reducing its value and extrapolating to lower activation energies than expected without any Voc clamping. Analysis of recombination mechanisms showed that typical CIGSe solar cells without or with RbF-PDT present dominant recombination within the bulk therefore contradicting those studies that assume a transition from interface to recombination in the bulk due to changes especially observed at or near the absorber surface after PTD. The behavior of the deduced diode quality factors as a function of the temperature suggested a recombination in the space charge region with an exponential defect distribution, and a transition towards recombination in the quasi neutral region in samples with RbF-PDT. The influence of electronic material parameters on the blocking of the forward diode current across the heterojunction and at the back contact of the device was studied by numerical simulations. These models are focused on barriers at the heterointerfaces of the solar cell device in order to consider some of the effects of RbF reported in previous studies such as the alkali diffusion from the absorber into the buffer or window layer and their interfaces. It was found that a low-doped ZnO window layer, the presence of acceptor defects at the buffer/window interface or a high band offset at that interface all lead to a similar diode current limitation as a result of a low carrier concentration in the buffer layer. The reduction of the Na content especially at the back contact of the absorber with long Rb deposition times revealed in previous studies is consistent with the introduction of a back barrier in numerical simulations, exhibiting the aforementioned non-idealities and describing those cells which present a strong Voc saturation at low temperatures. This work provides a better understanding of the electronic parameters that may have an influence on the blocking mechanisms when alkalis are deposited on CIGSe absorbers.en
dc.description.abstractDie Nachbehandlung des Absorbers mit RbF hat in den letzten Jahren zu einer signifikanten Verbesserung der Wirkungsgrade von Cu(In,Ga)Se2 Dünnschicht-Solarzellen geführt. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Nachbehandlung auf die Rekombinations- und Stromtransportmechanismen untersucht. Mit einem Satz von am Helmholtz-Zentrum Berlin und in anderen Laboren mit unterschiedlichen Parametern präparierten Proben wurden Messungen der temperaturabhängigen Strom-Spannungskennlinien durchgeführt. Nachbehandelte Proben zeigen insbesondere bei niedriger Temperatur nicht ideale Kennlinien, d.h. ein Abknicken der Kennlinie, Überschneidung von Dunkel- und Hellkennlinien, eine Sättigung der Leerlaufspannung und die hier zum ersten Mal im Detail untersuchte Diskrepanz zwischen Dunkel- und Hellkennlinien. Diese negativen und die positiven (typisch Erhöhung der Leerlaufspannung) Auswirkungen der Nachbehandlung sind nicht notwendigerweise mit denselben physikalischen Mechanismen verknüpft. Die Leerlaufspannung kann, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, durch einen Phototransistor-Effekt beeinflusst werden, der die Leerlaufspannung reduziert und in ihrer Extrapolation zu kleineren Aktivierungsenergien führt als ohne diese Sättigung zu erwarten wäre. Die Analyse der Rekombinationsmechanismen zeigt, dass, unabhängig davon, ob eine Nachbehandlung erfolgte, die dominierende Rekombination im Absorber stattfindet. Dies widerlegt andere Untersuchungen, die mit der Nachbehandlung einen Übergang von dominierender Rekombination an der Heterogrenzfläche zur Rekombination im Absorber postulieren. Die als Funktion der Temperatur bestimmten Diodenfaktoren sprechen für eine Rekombination in der Raumladungszone über exponentielle Defektverteilung, die sich in nachbehandelten Proben in das Bahngebiet verschiebt. Der Einfluss elektronischer Parameter auf das Sperren des Durchlassstromes am Heteroübergang oder am Rückkontakt des Bauelementes wurde mit numerischen Rechnungen bestimmt. Die Modelle berücksichtigen Barrieren an den Grenzflächen, um die in vorherigen Studien festgestellte Diffusion von Alkalimetallen aus dem Absorber in die Puffer- und Fensterschichten und deren Grenzflächen einzubeziehen. Man findet, dass eine geringe Dotierung der ZnO-Fensterschicht, Akzeptor-Defekte an der Grenzfläche zwischen Puffer und Fenster oder eine signifikante Diskontinuität der Leitungsbänder an dieser Grenzfläche in Folge einer geringen Dichte freier Ladungsträger in der Pufferschicht alle zu einer ähnlichen Beschränkung des Durchlassstromes führen können. Die Verringerung des Natriumgehaltes, vor allem am Rückkontakt, der in vorherigen Studien mit langer Nachbehandlung in Verbindung gebracht wurde, kann in seinen Auswirkungen (nicht ideale Kennlinien, starke Sättigung der Leerlaufspannung bei niedrigen Temperaturen) durch die Einführung einer Barriere am Rückkontakt in den numerischen Modellen beschrieben werden. Diese Arbeit eröffnet ein besseres Verständnis der durch die Nachbehandlung beeinflussten elektronischen Parameter, die zu einer teilweisen Sperrung des Durchlassstromes führen.de
dc.identifier.urihttps://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/13457
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.14279/depositonce-12243
dc.language.isoenen
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/en
dc.subject.ddc537 Elektrizität, Elektronikde
dc.subject.otherCIGSeen
dc.subject.otherIVTen
dc.subject.otherRbF-PDTen
dc.subject.otherSCAPSen
dc.subject.otherbarrieren
dc.subject.otherBarrierede
dc.titleAnalysis of current transport and recombination mechanisms in chalcopyrite-based thin-film solar cells with RbF treatmenten
dc.title.translatedAnalyse der Stromtransport- und Rekombinationsmechanismen in Dünnschichtsolarzellen auf Chalkopyrit-Basis mit RbF-Behandlungde
dc.typeDoctoral Thesisen
dc.type.versionacceptedVersionen
tub.accessrights.dnbfreeen
tub.affiliationFak. 4 Elektrotechnik und Informatik::Inst. Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologiende
tub.affiliation.facultyFak. 4 Elektrotechnik und Informatikde
tub.affiliation.instituteInst. Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologiende
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