ZnO-Nanostäbchen als Licht-koppelndes Element in ultra-dünnen, zweiseitigen Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen

Abstract

In dieser Arbeit wird die Implementierung von ZnO-Nanostäbchen als Licht- koppelndes Element am transparenten Rückkontakt von zweiseitigen Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen (CIGSe) mit reduzierter Absorber-Dicke untersucht. Die Licht-koppelnde Wirkung von in das CIGSe eingebetteten ZnO-Nanostäbchen soll die Absorptionsverluste bei immer dünner werdenden Absorber-Schichten, kompensieren, sodass bei rückseitiger Beleuchtung die Photostrom-Erzeugung erhöht wird im Vergleich zum planaren Rückkontakt. Am Beispielsystem von ZnO- Nanostäbchen-beschichteten transparenten und leitfähigen Substraten (Al:ZnO und F:SnO2) an Luft wurde zunächst die Auswirkung der Morphologie von texturierten Grenzflächen auf die Reflexion gezeigt und mit vereinfachten Mischschicht- und Gitter-Modellen zur Beschreibung des anti-reflektierenden Effekts korreliert, sodass optimal anti-reflektierende Nanostäbchen- Morphologien identifiziert werden konnten. Mit optischen Simulationen der Reflexion und der tiefenaufgelösten Absorption von idealisierten zweiseitigen Nanostäbchen-Solarzellen mit reduzierter CIGSe-Dicke (von 2 µm auf ca. 0,7 µm) wurde das Potential von ZnO-Nanostäbchen, die Photostrom-Erzeugung in diesen Solarzellen bei Beleuchtung von der Rückseite zu erhöhen, gezeigt. Während sich für Front-Beleuchtung nur ein geringer Effekt ergibt, bestätigen die Simulationen für rückseitige Beleuchtung den deutlichen Einfluss eines Nanostäbchen-basierten Rückkontakts: Durch den anti-reflektierenden Effekt einer ZnO:CIGSe-Mischschicht am Rückkontakt von zweiseitigen Solarzellen wird demnach ein Photostrom-Gewinn von bis zu 11 % erwartet. Zudem wurde anhand der Simulationen gezeigt, dass die optisch dünnere ZnO:CIGSe-Mischschicht eine Verschiebung der Absorption in Richtung des pn-Übergangs, der zwischen dem CIGSe und dem Frontkontakt der Solarzelle ausgebildet wird, bewirkt, wodurch die Ladungsträger-Sammlung erhöht wird. Insgesamt ist ausgehend von den Simulationen eine maximale Photostromerhöhung mit ZnO-Nanostäbchen um bis zu 28 % zu erwarten. Zweiseitige CIGSe-Solarzellen mit reduzierter Absorber-Dicke (ca. 0,7 µm) und ZnO-Nanostäbchen am transparenten Rückkontakt wurden auch experimentell realisiert, wobei die Nanostäbchen zur Anpassung des elektrischen Kontakts mit einer Mo-basierten Zwischenschicht modifiziert wurden. Die experimentellen Solarzellen zeigen, in Übereinstimmung mit den optischen Simulationen, bei Front-Beleuchtung nur einen geringen optischen Einfluss des Nanostäbchen-Rückkontakts. Jedoch waren die elektrischen Eigenschaften verschlechtert, was mittels XPS- und XRD-Messungen auf unvollständige Bedeckung mit der Zwischenschicht und ungewollte Fremdphasen- Bildung an der Grenzfläche zurückgeführt wird. Bei rückseitiger Beleuchtung wurde mittels optischer Messungen einerseits ungewollte parasitäre Absorption im Nanostäbchen-Rückkontakt gezeigt, aber andererseits auch der gewinnbringende anti-reflektierende Effekt, sowie darüber hinaus die verbesserte Ladungsträger-Sammlung bestätigt: Trotz parasitärer Absorptionsverluste und nicht-optimaler elektrischer Eigenschaften des experimentellen Nanostäbchen-Rückkontakts konnte die Photostrom-Erzeugung experimentell um 5 % erhöht werden im Vergleich zum planaren Rückkontakt.

In this work, the implementation of ZnO nanorods as light-coupling element at the transparent back contact of bifacial Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) solar cells was investigated. The light-coupling effect of ZnO nanorods embedded into the CIGSe absorber is used to compensate for absorption losses in ultra-thin absorber layers resulting in an increased photocurrent for back side illumination compared to planar back-contacts. The effect of the morphology of textured surfaces on the reflection was demonstrated exemplarily for ZnO nanorod covered transparent conductive oxide substrates (F:SnO2 and Al:ZnO) in air. Correlation with simplified effective medium and diffraction grating models was used to identify an optimal reflection reducing nanorod morphology. Optical simulations on the reflection and depth-resolved absorption in idealized bifacial solar cells with reduced absorber thickness (from 2.0 µm to 0.7 µm) were applied to demonstrate the potential of ZnO nanorods to enhance photocurrent generation in these solar cells for back side illumination. While for front side illumination only a minor effect is expected, a significant optical influence of the nanorod back-contact is corroborated by the simulations: Due to the anti-reflecting effect of a ZnO:CIGSe mixed layer acting as effective medium at the back contact of bifacial solar cells a gain in photocurrent by up to 11 % is expected. Furthermore, the simulations showed that the optically thinner ZnO:CIGSe mixed layer enhances charge carrier collection by shifting the absorption towards the pn-junction which is formed between the CIGSe and the front contact of the solar cell. Based on the optical simulations an overall increase in photocurrent by up to 28 % is expected due to the ZnO nanorods. Bifacial CIGSe solar cells with reduced absorber thickness (approx. 0.7 µm) and ZnO nanorods at the transparent back contact were also experimentally realized. To adjust the electrical contact, the ZnO nanorods were modified with a Mo-based layer. The experimental solar cells show, in agreement with the optical simulations, for front side illumination only a minor optical effect of the nanorod back contact. However, the electrical properties were significantly degraded which was attributed based on XPS and XRD measurements to incomplete covering with the Mo-based layer and undesired reactions at the interface. For back side illumination, optical measurements demonstrated undesired parasitic absorption in the nanorod-based back contact, but also a beneficial anti-reflecting effect and moreover an enhanced charge carrier collection: Thus, despite parasitic absorption losses and non-ideal electrical properties of the experimental nanorod back contact, the experimental photocurrent was increased by 5 % compared to a planar back contact.