MOCVD von ZnSe für Sperrkontakte in Heterosolarzellen auf der Basis von Chalkopyriten

Abstract

Die Anwendungsmöglichkeit von mittels metallorganischer chemischer Gasphasendeposition (MOCVD) abgeschiedenem ZnSe als Sperrkontakt in Heterosolarzellen auf der Basis der Chalkopyrite CuGaSe2 und Cu(In,Ga)(S,Se)2 wurde untersucht.

Durch epitaktische Abscheidung von ZnSe auf GaAs(001) bei 340°C wurden zunächst die Abscheidebedingungen, insbesondere das Partialdruckverhältnis der Ausgangsverbindungen optimiert. Bei der n-Dotierung von ZnSe mit Chlor wurden so freie Elektronenkonzentrationen von 1019 cm­3 erreicht. Bei Niedertemperaturdeposition oder Abscheidung auf GaAs(111) oder Chalkopyrit- Substraten zeigten sich die ZnSe-Schichten trotz nachgewiesenem Chloreinbaus hochohmig. Dies wurde auf eine hohe elektrische Kompensation infolge einer großen Defektdichte zurückgeführt, die sich auch in der Photolumineszenz aus tiefen Störstellen äußerte.

Erstmalig konnten ZnSe/CuGaSe2(001)-Heterostrukturen auf GaAs(001) mittels MOCVD aufgewachsen werden. Die epitaktische Qualität der ZnSe-Schicht wurde durch Röntgenbeugungsuntersuchungen und Transmissionselektronenbeugung belegt.

Im kinetisch limitierten Wachstumsbereich wurde auf polykristallinen Chalkopyrit-Substraten gezeigt, daß die Kristallinität der ZnSe-Schicht mittels photounterstütztem Wachstum verbessert werden konnte.

Es wurden Solarzellen mit undotierter ZnSe-Pufferschicht und epitaktischen, Einkristall- und polykristallinen CuGaSe2-Absorbern untersucht. Bei Einkristall-Absorbern wurde eine reduzierte Blauempfindlichkeit in der spektralen Quantenausbeute beobachtet und durch einen tief im Absorber liegenden pn-Übergang erklärt, der auch mittels EBIC-Messungen nachzuweisen war. Das Zustandekommen des tief liegenden pn-Übergangs wurde auf einen Tempereffekt und/oder Eindiffundieren von Zn während der MOCVD-Abscheidung zurückgeführt.

Mit Erreichen eines zertifizierten Wirkungsgrad von 11% bei einem optimierten ZnSe-Abscheideprozeß auf Cu(In,Ga)(S,Se)2-Absorbern von Siemens Solar Industries wurde die Tauglichkeit des verwandten MOCVD-Prozesses für photovoltaische Anwendungen demonstriert.

The use of ZnSe grown by metallorganic chemical vapour deposition (MOCVD) as a rectifying contact in heterojunction solar cells based on the chalcopyrites CuGaSe2 and Cu(In,Ga)(S,Se)2 was studied.

Initially, the conditions for the epitaxial growth of ZnSe on GaAs(001) were optimized focussing on the partial pressure ratio of the organic precursors. Thus chlorine-doped ZnSe-epilayers reached net carrier concentrations of 1019 cm­3. However, by deposition at low temperatures or on GaAs(111) or chalcopyrite substrates the ZnSe-layers showed high resitivity inspite of the demonstrated incoorporation of chlorine. This behaviour was attributed to compensation effects due to a high defect density which was also reflected by the photoluminescence from deep levels.

For the first time ZnSe/CuGaSe2(001)-heterostructures were grown on GaAs(001) by MOCVD. X-ray diffraction and transmission electron diffraction gave evidence for the epitaxial quality of the ZnSe-layer.

In the kinetic limited growth region the crystal quality of the ZnSe-layers grown on polycrystalline chalcopyrite substrates could be improved by photo assisted growth.

Solar cells based on epitaxial, single crystal and polycristalline CuGaSe2 containing a thin undoped ZnSe-buffer layer were studied. Single crystal solar cells showed a reduced blue response in quantum efficiency spectra. This effect was explained by the existence of a buried pn-junction which was confirmed by EBIC-measurements. The origin of the buried junction was ascribed to a tempering effect and/or Zn-diffusion during the MOCVD-process.

Certified 11% efficiency of solar cells based on Cu(In,Ga)(S,Se)2-absorber supplied by Siemens Solar Industries with optimized ZnSe-buffer layers demonstrated the suitability of this MOCVD-process for photovoltaic application.