Charge Carrier Dynamics in Thin Film Solar Cells

Abstract

This work investigates the charge carrier dynamics in three different technological approaches within the class of thin film solar cells: radial heterojunctions, the dye solar cell, and microcrystalline CuInSe2, focusing on charge transport and separation at the electrode, and the relaxation of photogenerated charge carriers due to recombination and energy dissipation to the phonon system. This work relies mostly on optical-pump terahertz-probe (OPTP) spectroscopy, followed by transient absorption (TA) and two-photon photoemission (2PPE). The charge separation in ZnO-electrode/In2S3-absorber core/shell nanorods, which represent a model system of a radial heterojunction, is analyzed by OPTP. It is concluded, that the dynamics in the absorber are determined by multiple trapping, which leads to a dispersive charge transport to the electrode that lasts over hundreds of picoseconds. The high trap density on the order of 1019/cm3 is detrimental for the injection yield, which exhibits a decrease with increasing shell thickness. The heterogeneous electron transfer from a series of model dyes into ZnO proceeds on a time-scale of 200 fs. However, the photoconductivity builds up just on a 2-10 ps timescale, and 2PPE reveals that injected electrons are meanwhile localized spatially and energetically at the interface. It is concluded that the injection proceeds through adsorbate induced interface states. This is an important result because the back reaction from long lived interface states can be expected to be much faster than from bulk states. While the charge transport in stoichiometric CuInSe2 thin films is indicative of free charge carriers, CuInSe2 with a solar cell grade composition (Cu-poor) exhibits signs of carrier localization. This detrimental effect is attributed to a high density of charged defects and a high degree of compensation, which together create a spatially fluctuating potential that inhibits charge transport. On the other hand, the charge carrier lifetime in Cu-poor CIS is orders of magnitude higher as in stoichiometric CIS. This is explained by assuming that the CuIn antisite is the most effective recombination center.

In dieser Arbeit wird die Ladungsträgerdynamik in drei verschiedenen technologischen Ansätzen aus der Klasse der Dünnschicht-Solarzellen untersucht: Radiale Heteroverbindungen, die Farbstoffsolarzelle und mikrokristallines CuInSe2. Der Fokus liegt dabei auf Ladungsträger-Transport und –Trennung an der Elektrode, sowie der Relaxierung von photogenerierten Ladungsträgern aufgrund von Rekombination und Energieabgabe an die Phononen. Die Arbeit basiert hauptsächlich auf ‚Optical-Pump Terahertz-Probe’ (OPTP) Spektroskopie, gefolgt von transienter Absorption (TA) und Zwei-Photonen Photoemission (2PPE). Die Ladungstrennung in ZnO-Elektrode/In2S3-Absorber Kern/Mantel Nanostäben, ein Modellsystem für radiale Heteroverbindungen, wird mittels OPTP analysiert. Es stellt sich heraus, dass die Dynamik im Absorber durch ‚multiple trapping‘ und dispersiven Ladungstransport zur Elektrode über Hunderte von Pikosekunden bestimmt wird. Die hohe Dichte von flachen Defektzuständen in der Größenordnung von 1019/cm3 ist nachteilig für die Injektionsausbeute, die einen Abfall mit ansteigender Manteldicke zeigt. Der heterogene Elektronentransfer von einer Reihe von Modellfarbstoffen nach ZnO geschieht auf einer Zeitskala von 200 fs. Jedoch bildet sich die Photoleitfähigkeit nur auf einer Zeitskala von 2-10 ps aus und 2PPE zeigt, dass injizierte Elektronen zwischenzeitlich räumlich und zeitlich an der Grenzfläche lokalisiert sind. Daraus lässt sich schließen, dass die Injektion über einen Adsorbat-induzierten Grenzflächenzustand geschieht. Dies ist ein wichtiges Ergebnis im Hinblick auf den Entwurf von Farbstoff-Solarzellen, da zu erwarten ist, dass die Rückreaktion aus langlebigen Grenzflächenzuständen deutlich schneller ist als die aus Volumenzuständen. Während der Ladungstransport in stöchiometrischen CuInSe2 Dünnschichten durch freie Ladungsträger bestimmt wird, zeigt CuInSe2 mit einer Solarzell-typischen Zusammensetzung Anzeichen von Ladungsträger-Lokalisierung. Dieser nachteilige Effekt wird einer hohen Dichte von geladenen Defekten bei gleichzeitig hoher Kompensierung zugeschrieben, was ein räumlich flukturierendes elektrisches Potential hervorruft, das den Ladungstransport behindert. Demgegenüber ist die Ladungsträgerlebensdauer in Cu-armen CIS um Größenordnungen höher als die in stöchiometrischen CIS. Das wird dadurch erklärt, dass der CuIn Substitutionsdefekt das effektivste Rekombinationszentrum ist.