Laser patterning of chalcopyrite and perovskite based solar cells: investigation of the laser-material interaction and laser-induced damages

dc.contributor.advisorSzyska, Bernd
dc.contributor.advisorStegemann, Bert
dc.contributor.authorSchultz, Christof
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeSzyszka, Bernd
dc.contributor.refereeStegemann, Bert
dc.contributor.refereeLips, Klaus
dc.date.accepted2020-12-16
dc.date.accessioned2021-02-18T17:24:31Z
dc.date.available2021-02-18T17:24:31Z
dc.date.issued2021
dc.description.abstractIn this thesis the laser-material interaction processes for the creation of a monolithic interconnection for CIGSe and perovskite solar cells were investigated. By revealing these processes and their influence on the electrical, compositional, and structural properties of the solar cell materials in the vicinity of the laser scribed lines, material-specific ablation models were derived. Thereby, the achieved comprehension of the laser-material interaction processes promotes closing the efficiency gap by adaption of the currently available patterning processes for advancing from single cells to module level. In order the investigate the laser-material interaction processes fine lines with systematically varied fluence were patterned by a nanosecond laser and picosecond laser with a wavelength of 532 nm. By means of optical microscopy, current-sensing atomic force microscopy, scanning electron microscopy (including energy-dispersive x-ray spectroscopy), photoluminescence spectroscopy and j-V measurements, alterations of the material properties at the laser scribed lines and in its vicinity were revealed. In the case of CIGSe solar cells, the utilization of ps laser pulses exhibit typically steep edges and a smooth bottom whereas the profiles of the scribe lines, patterned by ns pulses, is different; it changes from slightly bulged edges to rather flat edges with increasing laser fluence. It is concluded that the laser-material interaction processes for patterning of CIGSe solar cells is dominated by thermal processes causing constituent-selective evaporation of the CIGSe, and in the case of ps laser pulses, additional laser-induced stress related damages of the microstructure. Moreover, irrespective of the utilized pulse duration a region in the range of the laser beam diameter aside the visible scribe line becomes altered by the laser, creating Cu related defect states which promote enhanced recombination resulting in a reduced charge carrier lifetime. Thus, the minimal interconnection width is limited by the width of the laser-affected zones aside the scribed lines. In the case of perovskite solar cells, the experiments showed that patterning with laser fluences below the ablation threshold of the perovskite results in a notably amounts of PbI2 debris at the laser scribed line. It was shown that by means of ps laser pulses improved electrical performance based on lower contact resistances and higher fill factors compared the ns laser scribed lines can be achieved. Moreover, while the morphologies of the scribed lines patterned by ns laser pulses exhibit a strong thermal impact of the laser pulses on the scribe line edges and the underlying front contact layer, the application of ps laser pulses for patterning leads to well-defined sharp and steep scribe line edges with constant width without any sign of thermal treatment. Thus, it is concluded that the utilization of ns laser pulses results in thermally dominated ablation processes whereas the usage of ps laser pulses facilitates mechanically stress-assisted material ablation. In contrast to the CIGSe, in case of perovskite solar cells the analysis of the vicinity of the scribe lines does not indicate laser-affected zones aside, neither for ns laser pulses nor for ps laser pulses. Based on the derived ablation model for perovskite solar cells, the applicability of this model is demonstrated and a well agreement of the experimental results and the model is achieved. In accordance with the revealed laser-material interaction processes and the derived ablation model optimized P2 and P3 patterning resulted in mini-modules efficiencies of about 19.4%.en
dc.description.abstractIn dieser Arbeit wurden die Laser-Material-Wechselwirkungsprozesse zur Herstellung einer monolithischen Verschaltung für CIGSe- und Perowskit-Solarzellen untersucht. Anhand der untersuchten Laser-Material Wechselwirkungsprozesse und ihres Einflusses auf die elektrischen, kompositionellen und strukturellen Eigenschaften der verwendeten olarzellenmaterialien im Umfeld der Laser-strukturierten Linien wurden materialspezifische Ablationsmodelle abgeleitet. Durch das dadurch erreichte Verständnis der Laser-Material-Wechselwirkungsprozesse können die derzeitigen Laser-basierten Strukturierungsprozesse gezielt verbessert werden. Zur Untersuchung dieser Wechselwirkungsprozesse wurden feine Linien mit systematisch variierter Fluenz mit einem Nanosekundenlaser und einem Pikosekundenlaser mit einer Wellenlänge von 532 nm ablatiert. Mittels optischer Mikroskopie, Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie (einschließlich energiedispersiver Röntgenspektroskopie), Photolumineszenzspektroskopie und elektrischer Messungen wurden Änderungen der Materialeigenschaften im Umfeld der mittels Laser strukturierten Linien aufgedeckt. Im Fall von CIGSe-Solarzellen weisen die Lasergräben bei der Verwendung von ps-Laserpulsen typischerweise steile Kanten und einen glatten Boden auf, während die Profile der mit dem ns Laser strukturierten Linien leicht gewölbte bis flache Kanten aufweisen. Anhand der erzielten Ergebnisse wird gefolgert, dass die Laser-Material-Wechselwirkungsprozesse zur Strukturierung von CIGSe-Solarzellen von thermischen Prozessen dominiert werden, die eine Material-selektive Verdampfung der einzelnen Komponenten des CIGSe verursachen. Darüber hinaus wurden zusätzlich Veränderungen in der Mikrostruktur neben den sichtbaren Grabenkanten, in einem Bereich der dem Laserstrahlduchmesser entspricht, beobachtet die bei der Verwendung von ps-Laserpulsen ausgeprägter sind als bei der Verwendung von ns-Laserpulsen. Diese nicht-sichtbaren Schädigungen konnten Kupfer-bezogenen Defekten zugeordnet werden die widerum erhöhte Rekombination von Ladungsträgern und infolgedessen verringerte Ladungsträgerlebensdauern hervorrufen. Somit ist die minimale Verschaltungsbreite durch die Breite der durch den Laser beeinflussten Randbereiche begrenzt. Im Fall von Perowskit-Solarzellen zeigten die Experimente, dass die Strukturierung mit Laserfluenzen unterhalb der Ablationsschwelle des Perowskit Materials zu einer beträchtlichen Menge von PbI2-Resten im Lasergraben führt. Es wurde gezeigt, dass diese Materialreste mittels ps-Laserpulsen reduziert werden können was eine verbesserte elektrische Verschaltung aufgrund niedrigerer Kontaktwiderstände und damit höhere Füllfaktoren ermöglicht als im Verglich mit ns-Laserpulsen. Die Morphologien der mittels ns-Laserpulse strukturierten Linien und deren Ränder sowie die darunter liegende Kontaktschicht deuten auf einen starken thermischen Einfluss hin. Im Gegensatz dazu weisen die mittels ps Laser struturierten Gräben definierte scharfe und steilen Kanten mit konstanter Breite auf. Anzeichen eines thermischen Einflusses konnten nicht beobachtet werden. Daher wird geschlussfolgert, dass die Verwendung von ns-Laserpulsen zu thermisch dominierten Ablationsprozessen führt, während die Verwendung von ps-Laserpulsen mechanische Spannungen hervorruft, welche die Materialablation unterstütz. Im Gegensatz zur CIGSe zeigt die Analyse der Umgebung der Lasergräben bei Perowskit-Solarzellen keine durch den Laser beeinflussten Zonen, weder für ns-Laserpulse noch für ps-Laserpulse. Anhand der Strukturierung des P3 Schnittes an Perowskit-Solarzellen wird die Anwendbarkeit des zuvor aus den experimentellen Ergebnissen abgeleiteten Ablationsmodell demonstriert wobei eine gute Übereinstimmung des Ablationsmodells mit den beobachteten Ergebnissen erreicht wurde. Basierend auf den Erkenntnissen aus den experimentellen Untersuchungen zu den Laser-Material-Wechselwirkungsprozessen wurden durch optimierte P2- und P3-Strukturierung kürzlich Minimodulwirkungsgrade von mehr als 19.4% erreicht.de
dc.identifier.urihttps://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12528
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11347
dc.language.isoenen
dc.rights.urihttp://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/en
dc.subject.ddc537 Elektrizität, Elektronikde
dc.subject.ddc539 Moderne Physikde
dc.subject.otherlaseren
dc.subject.othersolar cellsen
dc.subject.otherperovskiteen
dc.subject.otherCIGSen
dc.subject.otherpatterningen
dc.subject.otherLaserde
dc.subject.otherSolarzellende
dc.subject.otherPerowskitde
dc.subject.otherStrukturierungde
dc.titleLaser patterning of chalcopyrite and perovskite based solar cells: investigation of the laser-material interaction and laser-induced damagesen
dc.title.translatedLaser-Strukturierung von Chalkopyrit und Perowskit basierten Solarzellen: Untersuchung der Laser-Material Wechselwirkungen und Laser-induzierten Schädenen
dc.typeDoctoral Thesisen
dc.type.versionacceptedVersionen
tub.accessrights.dnbdomainen
tub.affiliationFak. 4 Elektrotechnik und Informatik::Inst. Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien::FG Halbleiterbauelementede
tub.affiliation.facultyFak. 4 Elektrotechnik und Informatikde
tub.affiliation.groupFG Halbleiterbauelementede
tub.affiliation.instituteInst. Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologiende
tub.publisher.universityorinstitutionTechnische Universität Berlinen

Files

Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
Loading…
Thumbnail Image
Name:
schultz_christof.pdf
Size:
58.13 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
License bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
license.txt
Size:
5.75 KB
Format:
Item-specific license agreed upon to submission
Description:

Collections