Kelvinsondenkraftmikroskopie am Heteroübergang (Zn,Mg)O / Cu(In,Ga)(S,Se)2 \- Chalkopyrit

Abstract

Die vorliegende Arbeit hat gezeigt, dass durch die Substitution der i-ZnO- Schicht durch eine Zn0.70Mg0.30O-Legierung der Wirkungsgrad der pufferfreien Solarzellen um etwa 50% angehoben wird. Die so in einem komplett trockenen Prozess hergestellten Solarzellen zeigen vergleichbare Eigenschaften bezüglich der Solarzellenparameter und der Stabilität wie hocheffizienten Cu(In,Ga)(S,Se)2-Solarzellen mit nass-chemisch abgeschiedener CdS- Pufferschicht. Dadurch kann der Herstellungsprozess ökologisch und ökonomisch verbessert werden. Die in dieser Arbeit entwickelte Heterostruktur eröffnet damit durchaus vielversprechende Perspektiven für die Weiterentwicklung der Chalkopyrit-Dünnschichtsolarzelle.

Die vorliegende Arbeit ging von der Frage aus: "Kann der positive Einfluss der Zn0.70Mg0.30O-Legierung auf die Solarzellenparameter durch eine Optimierung der Bandanpassung in der Heterostruktur erklärt werden? Wenn ja, worin liegt diese Optimierung?"

Zur Klärung dieser Frage wurden einerseits Messungen an den einzelnen Oberflächen der Heterostrukturen durchgeführt. Mit Hilfe von normaler und inverser Photoelektronenspektroskopie wurden die Austrittsarbeit sowie die energetischen Positionen des Leitungsbandminimums und des Valenzbandmaximums bestimmt. Differenzen bei der Bestimmung der Austrittsarbeit dieser Schichten konnte durch die detaillierte Analyse der Oberflächen durch Kelvinsondenkraftmikroskopie erklärt werden. In den ortsaufgelösten Messungen des Oberflächenpotentials hat sich gezeigt, dass laterale Inhomogenitäten der Austrittsarbeit die Hauptursache dieser Unterschiede sind.

Erstmals wurden direkte Messungen der Grenzflächeneigenschaften von Heteroübergängen mit dem Kelvinsondenkraftmikroskop durchgeführt. Dazu wurde eine geeignete Präparation von Querschnitten und deren Reinigung im Ultrahochvakuum entwickelt und erprobt. Die Querschnitte von drei Heterostrukturen, den pufferfreien Solarzellen mit Zn0.70Mg0.30O- und mit i -ZnO-Schicht sowie der herkömmlichen Solarzelle mit CdS-Pufferschicht, wurden hinsichtlich ihres Potentialverlaufs vermessen. Dabei hat sich gezeigt, dass die Spitzen-Proben-Wechselwirkung einen erheblichen Einfluss auf die Messergebnisse hat. Durch Simulationen der Wechselwirkung konnten die gemessenen Potentialverläufe semi-quantitativ beschrieben werden.

Die Verbesserung der Solarzellenparameter der pufferfreien Solarzelle mit Zn0.70Mg0.30O anstelle des standardmäßig verwendeten i-ZnO ist teilweise auf eine Optimierung des Bandverlaufs an der Grenzfläche zurückzuführen. Der Grund hierfür ist die Aufweitung der optischen Bandlücke der Zn0.70Mg0.30O-Legierung im Vergleich zum i-ZnO durch die Legierung mit MgO. An der Heterogrenzfläche werden dadurch die Barriere erhöht und die Rekombinationsprozesse vermindert, die die Effizienz der Solarzellen limitiert.

Die durchgeführten Untersuchungen haben bereits mehrere Forschungsgruppen und auch die Industrie angeregt, sich intensiver mit der Substitution der i-ZnO- Schicht sowie der CdS-Pufferschicht durch Zn1-xMgxO in Chalkopyrit- Dünnschichtsolarzellen zu befassen.

Eine zukünftige wissenschaftliche Herausforderung ist die direkte Messung der Banddiskontinuitäten zur Überprüfung des in dieser Arbeit vorgestellten Modells. Eine Möglichkeit stellt die Kelvinsondenkraftmikroskopie an den Querschnitten dar, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf Minimierung der parasitären Einflüsse durch die Probenstruktur und die Präparation gelegt werden sollte.

The current work has showed that by substitution of the i-ZnO-layer with a Zn0.70Mg0.30O-alloy the efficiency of the buffer-free solar cells is raised by approximately 50%. The solar cells manufactured using a completely dry process show characteristic solar cell parameters and stabilities comparable to the highly-efficient Cu(In,Ga)(S,Se)2-solar cells with wet-chemically deposited CdS buffer layers. Thus the production process can be improved ecologically and economically. The heterostructure developed in this work thereby opens promising perspectives for the advancement of the chalcopyrite thin film solar cells.

The work proceeded from the question: "Can the positive influence of the Zn0.70Mg0.30O-alloy on the solar cell parameters be explained by an optimization of the band alignment in the heterostructure? If so, where does the optimization lie?"

For clarifying this question measurements of the individual surfaces of the heterostructures were performed. Normal and inverse photoelectron spectroscopy were used to determine the work function as well as the energetic positions of the conduction band minimum and the valence band maximum. Differences with the determination of the work function of these layers could be explained by the detailed analysis of the surfaces using Kelvin probe force microscopy. Locally resolved measurements of the surface potential showed that lateral inhomogeneities in the work function are the main cause of these differences.

For the first time direct measurements of the interface properties were accomplished by Kelvin probe force microscopy. In addition a suitable method for the preparation of cross sections and their cleaning in ultra high vacuum was developed and tested. Cross sections of three heterostructures, the buffer-free solar cells with Zn0.70Mg0.30O and with i-ZnO-layer as well as the conventional solar cell with CdS buffer layer, have been analyzed with respect to their potential distribution. It was shown that the tip-sample-interaction has a substantial influence on the results of the measurement. The measured potential distributions could be semi quantitatively described by simulations of the tip-sample-interaction.

The improvement of the solar cell parameters for the buffer-free solar cell with Zn0.70Mg0.30O in place of the i-ZnO is partly due to an optimization of the band alignment at the interface. The reason for this is the expansion of the optical band gap of the Zn0.70Mg0.30O-alloy in comparison to the i-ZnO. At the hetero interface the barrier is increased and the recombination processes, which limit the efficiency of the solar cells are decreased.

The accomplished investigations have already stimulated several research groups and also the industry to deal more intensively with the substitution of the i-ZnO-layer as well as the CdS buffer layer by Zn1-xMgxO in chalcopyrite thin film solar cells.

A future scientific challenge is the direct measurement of the band discontinuities for the examination of the model presented in this work. This possibility may exist with Kelvin probe force microscopy of cross sections, provided a special emphasis is placed on the minimization of parasitic influences by the sample structure and preparation.