dc.contributor.author
Glatzel, Thilo
dc.date.accessioned
2018-06-07T15:41:20Z
dc.date.available
2004-02-18T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/1457
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-5659
dc.description
Titelseite
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
1 Oberflächen und Grenzflächen von Halbleitern 7
2.1 Elektrische Eigenschaften von Halbleiteroberflächen 7
2.1.1 Zustände und Dipole an Oberflächen 8
2.1.2 Lokale und absolute Austrittsarbeit 10
2.2 Elektrische Eigenschaften von Halbleiter-Übergängen 12
2.2.1 Metall-Halbleiter-Übergang 12
2.2.2 Halbleiter-Heteroübergang 13
2.3 Oberflächenphotospannung an Heterostrukturen 17
2.4 Oberflächenbandverbiegung am p/n-Querschnitt 20
2 Experimentelle Methoden 23
3.1 Rastersondenmikroskopie 24
3.1.1 Rastersondenkraftmikroskopie 24
3.1.2 Das Kelvin-Prinzip zur Messung von Austrittsarbeiten 29
3.1.3 Kelvinsondenkraftmikroskopie (KPFM) 30
3.1.4 Aufbau des Kelvinsondenkraftmikroskops 32
3.1.5 Bestimmung der Austrittsarbeit 33
3.1.6 Simulation der Spitzen-Proben-Wechselwirkung 35
3.2 Photoelektronenspektroskopie 37
3.2.1 Röntgen- und UV-Photoelektronenspektroskopie (XPS/UPS) 38
3.2.2 Inverse Photoelektronenspektroskopie (IPES) 39
3.3 Weitere Analyse-Methoden 40
3.3.1 Strom-Spannungs-Kennlinien 40
3.3.2 Quanteneffizienz 42
4 (Zn,Mg)O in Chalkopyrit-Dünnschichtsolarzellen 43
4.1 Aufbau der Chalkopyrit-Dünnschichtsolarzelle 43
4.2 (Zn,Mg)O als Substitut für CdS / i-ZnO 46
4.2.1 Präparation und Eigenschaften von (Zn,Mg)O 47
4.3 Verhalten von (Zn,Mg)O in der Heterostruktur 49
4.3.1 Solarzellenparameter 49
4.3.2 Solarzellen mit (Zn,Mg)O im Stabilitätstest 52
4.3.3 Rekombinationsprozesse in Solarzellen mit (Zn,Mg)O 55
4.4 Zusammenfassung 59
5 Oberflächenuntersuchungen 61
5.1 Präparation der Oberflächen 62
5.2 Photoelektronenspektroskopie 64
5.3 Kelvinsondenkraftmikroskopie 71
5.4 Zusammenfassung der Oberflächenmessungen 82
6 KPFM-Querschnittsuntersuchungen 85
6.1 Präparation der Querschnitte 86
6.2 Modellstruktur der Fensterschichten 88
6.3 Chakopyrit-Dünnschichtsolarzellen im Querschnitt 91
6.4 Simulation der Spitzen-Proben-Wechselwirkung 97
6.5 Zusammenfassung der Querschnittsmessungen 99
7 Diskussion 101
8 Zusammenfassung und Ausblick 107
Anhang 109
A Kelvinsondenkraftmikroskopie, AM- und FM-Modus 109
B (Zn,Mg)O in Kombination mit anderen Chalkopyrit-Absorbern 111
Abkürzungen und Symbole 113
Abbildungsverzeichnis 117
Tabellenverzeichnis 119
Literaturverzeichnis 121
Veröffentlichungen und Konferenzbeiträge 131
Lebenslauf 135
Danksagung 137
dc.description.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.
de
dc.description.abstract
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.
en
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
(Zn,Mg)O / Cu(In,Ga)(S,Se)2
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
dc.title
Kelvinsondenkraftmikroskopie am Heteroübergang (Zn,Mg)O / Cu(In,Ga)(S,Se)2 \-
Chalkopyrit
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Martha Ch. Lux-Steiner
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Paul Fumagalli
dc.date.accepted
2003-12-12
dc.date.embargoEnd
2004-02-27
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-2004000343
dc.title.translated
Kelvin Probe Force Microscopy at the hetero interface (Zn,Mg)O /
Cu(In,Ga)(S,Se)2 \- chalcopyrit
en
refubium.affiliation
Physik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000001211
refubium.mycore.transfer
http://www.diss.fu-berlin.de/2004/34/
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000001211
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open access