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Microscopic investigations of inhomogeneities and metastable effects in Cu(In,Ga)Se2 solar cells

Nikolaeva, Aleksandra

Although Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) thin- film solar cells exhibit power conversion effciencies of more than 23%, there are still open questions concerning factors limiting the photovoltaic performance of the record devices. Band-gap and electrostatic potential fuctuations can be considered as possible reasons of deteriorated photovoltaic performance of CIGS solar cells via enhanced recombination. In the present work, these fuctuations were investigated in various devices with different buffer layer materials as well as deposition methods of a buffer, with low and high Ga concentration (resulting on a narrow and wide band-gap CIGS), with/without Na and with different durations of RbF post-deposition treatment (PDT). By applying cathodoluminescence (CL) and electron-beam induced current (EBIC) measurements in scanning electron microscopy on cross-sectional specimens, the scale of inhomogeneities in the local band-gap energy and potential distributions was estimated. By evaluating CL peak-energy distribution maps, it was revealed that band-gap energy fuctuations are more pronounced in solar cells with [Ga]/[Ga]+[In] = 0.66 as well as with RbF PDT as compared with the devices with [Ga]/[Ga]+[In] = 0.3 and without PDT. However, the estimated open-circuit voltage (Voc) losses resulting from these variations are rather small, with respect to the actual Voc de cit. In contrast, electrostatic potential fuctuations can be identi ed as a substantial loss mechanism for CIGS solar cells with certain buffer layer material/deposition method combinations and with RbF PDT. By means of EBIC measurements, it was shown that the dominant effect of potential fuctuations can be attributed to the local variations in the space-charge region width, wSCR, caused by fuctuations in the doping density ND and/or in the interface state density NIF. Finally, solar cells with CBD-Zn(O,S) buffer layer, exhibiting substantial fuctuations in the wSCR, were exposed to light-soaking, dark heating and reverse bias treatments. It was revealed that fuctuations in the wSCR are signi cantly decreased after light-soaking. Based on these results, a model involving changes of charge states of defects and following redistribution of free charge carriers was proposed.
Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)-Dünnschichtsolarzellen weisen Effizienzen von mehr als 23% auf. Es gibt noch immer offene Fragen bezüglich der limitierenden Faktoren für die Wirkungsgrade der Rekordzellen. Bandlücken- und elektrostatische Potentialfluktuationen können als mögliche Gründe für eine verschlechterte photovoltaische Leistung von CIGS-Solarzellen durch erhöhte Rekombination angesehen werden. In der vorliegenden Arbeit wurden die mikroskopischen Ursachen dieser Fluktuationen untersucht. Es wurden Solarzellen mit verschiedenen Pufferschichten, mit niedriger und hoher Ga-Konzentration im CIGS-Absorber, mit/ohne Na und mit/ohne RbF-Nachbehandlung (PDT) charakterisiert. Hierfür kamen Kathodolumineszenz- (CL) und elektronenstrahlinduzierte Strommessungen (EBIC) an Querschnittsproben zum Einsatz. Die Auswertung der CL-Intensitätsverteilungen ergab, dass die lateralen Fluktuationen der Bandlückenenergie sowohl bei Solarzellen mit [Ga]/[Ga]+[In] = 0.66 als auch bei der mit RbF PDT stärker ausgeprägt sind. Die Fluktuationen in den Geräten mit [Ga]/[Ga]+[In] = 0.3 und ohne PDT sind vernachlässigbar klein. Allerdings sind die geschätzten Verluste in der Leerlaufspannung (Voc), die sich aus den Bandlückenfluktuationen ergeben, im Vergleich zum tatsächlichen Voc-Defizit eher gering. Im Gegensatz dazu können elektrostatische Potentialschwankungen bei CIGS-Solarzellen mit bestimmten Kombinationen von Pufferschichtmaterial/ Herstellungsmethode und mit RbF PDT als substantieller Voc-Verlustmechanismus identifiziert werden. Mit Hilfe von EBIC-Messungen konnte gezeigt werden, dass der dominante Effekt von Potentialfluktuationen auf die lokalen Variationen in der Breite der Raumladungszone, wSCR, zurückzuführen ist, die durch Fluktuationen in der Dotierungsdichte ND und/oder in der Grenzflächenzustandsdichte NIF verursacht werden. Schließlich wurden Solarzellen mit CBD-Zn(O,S)-Pufferschicht, die erhebliche Fluktuationen in der wSCR aufweisen, längerer Zeit einer Lichtbestrahlung ausgesetzt und im Dunkeln geheizt. Außerdem wurde eine Spannung in Sperrrichtung angelegt und eine Weile gehalten. Es zeigte sich, dass die Fluktuationen in der wSCR nach der Lichtbestrahlung signifikant verringert sind. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurde das Modell mit Änderung des Ladungszustands von Defekten und anschließender Umverteilung freier Ladungsträger vorgeschlagen, um zu erklären, warum sich die Leerlaufspannung der Solarzelle nach der Lichtbehandlung deutlich verbessert.