dc.contributor.author
Juma, Albert Owino
dc.date.accessioned
2018-06-07T19:00:14Z
dc.date.available
2014-01-13T11:24:01.929Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/5630
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-9829
dc.description.abstract
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.
de
dc.description.abstract
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.
en
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Indium sulfide
dc.subject
Meyer-Neldel rule
dc.subject
band alignment
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik
dc.title
Copper diffusion in In2S3 and charge separation at In2S3/CuSCN and TiO2/In2S3
interfaces
dc.contributor.firstReferee
PD. Dr. Thomas Dittrich
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Martin Weinelt
dc.date.accepted
2013-11-29
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000095798-6
dc.title.translated
Kupfer-Diffusion in In2S3 und Trennung bei In2S3/CuSCN und
TiO2/In2S3-Schnittstellen
de
refubium.affiliation
Physik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000095798
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000014557
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access