The concept of inorganic nanostructured solar cells consists of a very thin absorber layer sandwiched between highly structured electron and hole conductors. When a TiO2/In2S3/CuSCN nanocomposite heterostructure is illuminated with light, photo-generated electrons in In2S3 can be injected into the conduction band of TiO2 and holes into the valence band of CuSCN. Charge transfer at the interfaces is limited by the deposition parameters, band alignment and diffusion of Cu from CuSCN into In2S3, which was the focus of this work. TiO2 nanoparticles were screen printed onto SnO2:F (FTO)-coated glass substrates to give a layer of nanoporous (np) TiO2. In2S3 layers were deposited by thermal evaporation or ion layer gas reaction (ILGAR) methods producing Cl-free (In(acac)3 precursor) and Cl-containing (InCl3 precursor) layers. A spray-spin method was developed for deposition of CuSCN onto In2S3. Diffusion of Cu into In2S3 layers was investigated by Rutherford backscattering spectrometry (RBS) while charge transport mechanisms were studied with surface photovoltage (SPV) technique in the fixed capacitor configuration. The activation energy (Ea) for Cu diffusion in thermally evaporated and Cl-free ILGAR In2S3 layers was 0.30 and 0.24 eV, respectively but increased to between 0.72 and 0.78 eV for Cl-containing In2S3 with residual Cl concentrations of 7.8 – 13.8 at.%. The diffusion prefactor (D0) was six orders of magnitude higher for Cl-containing compared to Cl-free layers. The relationship between Ea and D0 was described by the Meyer-Neldel rule with a Meyer-Neldel energy of 40 meV. The presence of Cl has no significant influence on the structural properties of In2S3 but resulted in a modified diffusion mechanism for Cu diffusion. The photovoltage of In2S3/CuSCN samples decreased after annealing for longer than 2 min at 200°C. A defect band was formed near the interface where holes accumulated and electrons tunneled through traps to recombine. The minimum distribution of tail states and hence the lowest disorder was achieved for Cl-containing In2S3 layers. The conduction band offset at the np-TiO2/In2S3 interface was 0.05 and 0.30 eV for Cl-free and Cl-containing In2S3, respectively. Bulk or interface recombination mechanism dominated charge transport at the interface with Cl-free or Cl- containing In2S3, respectively.
Das Konzept der anorganischen nanostrukturierten Solarzellen basiert auf sehr dünnen Absorberschichten zwischen hochstrukturierten Elektronen- und Lochleitern. Wird ein TiO2/In2S3/CuSCN nanostrukturierter Verbundwerkstoff belichtet, können in In2S3 photogenerierte Elektronen in das TiO2-Leitungsband und die entsprechenden Löcher in das CuSCN Valenzband injiziert werden. Begrenzt wird die Landungstrennung an den Grenzschichten durch die Abscheideparameter, die Bandstruktur und die Diffusion des Kupfers aus CuSN in In2S3, welche der Schwerpunkt dieser Arbeit war. TiO2-Nanopartikel wurden auf SnO2:F (FTO) beschichtetes Glas gedruckt um eine nanoporöse (np) TiO2 Schicht zu erhalten. Die In2S3 Schichten wurden durch thermisches Verdampfen oder Ion Layer Gas Reaction (ILGAR) hergestellt. Dabei wurden Cl-freie (Ausgangsstoff In(acac)3) und Cl-haltige (Ausgangsstoff InCl3) Schichten produzierte. Für die Abscheidung von CuSCN auf In2S3 wurde eine Sprüh-Spin-Methode untersucht. Die Diffusion von Kupfer in In2S3 Schichten wurde mit Rutherford-Rückstreuungs- Spektrometrie (RBS) untersucht, wobei Ladungstransportmechanismen mit Oberflächen-Photospannung (SPV) in der Konfiguration eines festen Kondensators untersucht wurden. Die Aktivierungsenergie (Ea) der Kupferdifussion in thermisch verdampften, beziehungsweise Cl-freien ILGAR In2S3-Schichten betrug 0,30 und 0,24 eV. Sie stieg jedoch auf 0,72 bis 0,78 eV für In2S3 Schichten, welche Cl-Rückstände in Konzentrationen zwischen 7,8 und 13,8 at.% enthielten. Der Diffusionsvorfaktor (D0) war für Cl-haltige Schichten sechs Größenordnungen höher als für Cl-freie Schichten. Die Beziehung zwischen Ea und D0 wurde durch die Meyer-Nedel-Regel, mit einer Meyer-Nedel-Energie von 40 meV beschrieben. Die Anwesenheit von Cl beeinflusste die strukturellen Eigenschaften von In2S3 nicht signifikant, bewirkte jedoch einen veränderten Diffusionsmechanismus von Kupfer. Die Photospannung der In2S3/CuSCN Proben verringerte sich nach einer über 2 Minuten langen Wärmebehandlung bei 200 °C. Ein Fehlstellenband bildete sich nahe der Grenzschicht, wo sich Löcher ansammelten und Elektronen durch Defekte tunnelten, um zu rekombinieren. Die kleinste Verteilung von Zuständen in der Bandlücke und somit die niedrigste Unordnung wurde für Cl-haltige In2S3-Schichten erreicht. Der Leitungsbandversatz an der np-TiO2/ In2S3 -Grenzfläche war 0,05 und 0,30 eV für Cl-freies beziehungsweise Cl-haltiges In2S3. Rekombination innerhalb der In2S3 -Schicht für Cl-freies beziehungsweise an der Oberfläche für Cl-haltiges In2S3 dominierte den Ladungstransport.