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Microscopic structure-property relationships in semiconductor devices
Correlative microscopy at the example of Cu(In,Ga)Se 2 thin-film solar cells
Abou-Ras, Daniel
In der vorliegenden Arbeit wird am Beispiel der Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen gezeigt, dass ausgedehnte, strukturelle Defekte die elektrischen und optoelektronischen Eigenschaften von funktionellen Dünnschichten auf mikroskopischer Skala beeinflussen, welche eine substantielle Auswirkung auf die Leistung der entsprechenden Bauelemente haben können. Es ist essentiell, die Eigenschaften dieser Defekte auf unterschiedlichen räumlichen Ausdehnungen von mehreren Hundert Mikrometern bis hinunter zum Subnanometerbereich zu analysieren. Es wird auch dargestellt, wie diese Analysen mittels korrelativer Mikroskopie durchgeführt werden kann, indem man verschiedene Elektronen- und Sondenmikroskopiemethoden auf den identischen Probenpositionen anwendet, um den Informationsgehalt der Messungen zu maximieren. In Hinblick auf die zum Teil kleinen, mittleren Korngrössen in polykristallinen, aktiven Schichten, die oftmals unter einem Mikrometer betragen, müssen bereits vorliegende Charakterisierungstechniken angepasst werden, um hohe räumliche Auflösungen zu erreichen.
Das komplexe Materialsystem der Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen zeigt, dass selbst um mikrostrukturelle und kompositionelle Eigenschaften mit elektrischen und optoelektronischen Eigenschaften von ausgedehnten strukturellen Defekten nur auf der Mikro- bis Nanoskala zu korrelieren, sind umfangreiche Untersuchungen mittels verschiedenen Analysemethoden nötig, wenn möglich auf den identischen Probenpositionen. Ausserdem ist es immer notwendig, eine ausreichend grosse Anzahl ausgedehnter struktureller Defekte zu untersuchen, um eine gute Statistik der Resultate zu gewährleisten.
In the scope of the present work, it was shown at the example of Cu(In,Ga)Se2 solar cells that extended structural defects influence the microscopic electrical and optoelectronic properties of functional thin films, which may impact substantially the performance of corresponding semiconductor devices. It is essential to analyze the properties of these defects on various spatial extensions ranging from several hundreds of micrometers down to subnanometer scales. It was also shown how this analysis can be performed by correlative microscopy, employing various electron microscopy and scanning probe techniques all on the identical region of interest of a specimen, in order to maximize the information output. In view of small average grain sizes in polycrystalline, active layers, which are often at the submicrometer level, available characterization techniques need to be adapted to reach appropriately high spatial resolutions.
The complex material system of Cu(In,Ga)Se2 solar cells demonstrates that even in order to correlate the microstructural and compositional with electrical and optoelectronic properties of extended structural defects on the micro- or nanoscale, extensive studies applying various techniques are mandatory, if possible on the same identical specimen positions. Moreover, it is always required that a sufficient number of extended structural defects are analyzed, in order to provide good statistics of the result.
