Bei der Abscheidung von Cu(In,Ga)Se2 auf transparenten oxidischen Leitern (TCOs) wie ZnO kommt es zu störender Interdiffusion und Fremdphasenbildung an der Grenzfläche. Als Modellsysteme wurden CuInSe2/i-ZnO- und CuInSe2/ZnO:Al- Grenzflächen untersucht, wie sie in chalkopyritbasierten Superstrat- und Tandemsolarzellen Verwendung finden. Die Untersuchung der CuInSe2/ZnO-Stapel erfolgte von der ZnO-Seite aus. Um dies zu ermöglichen, müssen die Proben nach der Deposition umgedreht werden. Dies wurde durch eine spezielle Präparation auf wasserlöslichen NaCl- und KBr-Einkristallsubstraten realisiert. Das ZnO wurde dann schrittweise mit 10%iger Essigsäure abgeätzt, was eine tiefenabhängige Betrachtung der Diffusion von Kupfer, Indium und Gallium ins ZnO erlaubte. Hierzu wurden oberflächensensitive Methoden wie Röntgenelektronenspektroskopie (XPS) und Röntgennahkantenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) genutzt. Bei üblichen CuInSe2-Depositionstemperaturen (TS=480°C-530°C) kommt es zur Bildung einer In2O3-Trennschicht zwischen ZnO und CuInSe2. Im Fall von n-dotiertem ZnO:Al bildet sich außerdem Al2O3 und ZnAl2O4 im ZnO:Al. Diese Fremdphasen wurden mit ``ChemSage’’ simuliert und mit XPS- und NEXAFS-Messungen experimentell nachgewiesen. Der Nachweis der in geringen Mengen auftretenden Aluminiumphasen wurde durch das Ätzverfahren ermöglicht. Da Al2O3 und ZnAl2O4 mit 10%iger Essigsäure nicht ätzbar sind, erhöht sich ihr Anteil an der Probenoberfläche beim Ätzen. Während In2O3 als TCO auch in Solarzellen eingesetzt wird, sind Al2O3 und ZnAl2O4 aufgrund fehlender Leitfähigkeit zu vermeiden. Es konnte gezeigt werden, dass das Auftreten dieser nicht leitfähigen Phasen durch niedrigere ZnO:Al-Depositionstemperaturen sowie das Austauschen des im Substratmaterial vorkommenden Natriums durch Kalium verringert werden kann. An der CuInSe2/i-ZnO-Grenzfläche wurde eine Abhängigkeit der Kupferdiffusion ins i-ZnO von der CuInSe2-Depositionstemperatur entdeckt. Mit einer Temperaturerhöhung von 480°C auf 520°C steigt der Kupfergehalt im i-ZnO um das etwa 10-fache. Dies kann mit dem Entstehen von ZnkIn2O(k+3)-Phasen mit k=5 oder k=7 an der In2O3/i-ZnO-Grenzfläche erklärt werden. An der CuInSe2/ZnO:Al- Grenzfläche war kein Anstieg der Kupferdiffusion bei TS=520°C zu beobachten. Naheliegend ist, dass die ZnkIn2O(k+3)-Bildung dort durch die Al2O3-Phase verhindert wird, die sich an der In2O3/ZnO:Al-Grenzfläche verstärkt ausbildet.
When depositing Cu(In,Ga)Se2 on transparent conducting oxides (TCOs), as needed in superstrat and tandem solar cell concepts, inter diffusion and impurity phases occur at the interface. To investigate those, the CuInSe2/i-ZnO and CuInSe2/ZnO:Al interfaces where chosen as model systems. The CuInSe2/ZnO stacks had to be investigated from the ZnO side. To permit this a preparation method was developed with water soluble NaCl and KBr crystals as substrates to reverse the sample stack after deposition. By etching the ZnO with acetic acid of a 10% concentration, analyses were made possible at different depths of the ZnO layer. Using this method diffusion of copper, indium and selenium was traceable through the ZnO. The CuInSe2 deposition happens at high temperatures (TS=480°C-530°C) which leads to the formation of a separating In2O3 layer between ZnO and CuInSe2. In case of aluminum doped ZnO:Al, additional impurity phases as Al2O3 and ZnAl2O4 appear in the ZnO:Al. Those phases where predicted with ``ChemSage’’ calculations as well as demonstrated by XPS and NEXAFS measurements. Al2O3 and ZnAl2O4 appear in low quantities due to the addition of aluminium as a dopant. Their confirmation was made possible by the special etching process. Al2O3 and ZnAl2O4 do not dissolve in 10% acetic acid, therefore their concentration on the ZnO:Al surface rises during the etch. While In2O3 is a TCO and is already used in solar cells, Al2O3 and ZnAl2O4 need to be avoided in cell structures due to their lack of conductivity. Their appearance was shown to be reduced by lowering the ZnO:Al deposition temperature and substitution of sodium with potassium in the substrate. At the CuInSe2/i-ZnO interface a CuInSe2 deposition temperature (TS) dependency of copper diffusion into the i-ZnO was shown. Raising TS from 480°C to 520°C increases the amount of copper in the i-ZnO about 10 times. This can be explained with the formation of ZnkIn2O(k+3) phases with k=5 or k=7. On CuInSe2/ZnO:Al interfaces no comparable dependency of copper diffusion to TS was seen. The formation of ZnkIn2O(k+3) is restricted by the Al2O3 phases which appear especially at the In2O3/ZnO:Al interface and work as a reaction barrier.
