ERDA Untersuchungen atomarer Diffusionsprozesse in Chalkopyrit- Dünnschichtsolarzellen

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden mit Hilfe der Meßmethode der elastischen Rückstreudetektionsanalyse (ERDA) Dünnschichtstrukturen von Chalkopyrit- Düennschichtsolarzellen untersucht. Die Einflüsse von atomaren Diffusionsprozessen und Verunreinigungen auf die Funktionsweise der Solarzellen waren dabei von besonderem Interesse. In Kombination mit elektrischen Meßmethoden konnte die Verschlechterung der Eigenschaften von Solarzellen während der Deposition von ZnSe-Pufferschichten aus der Gasphase auf die Diffusion von Indium aus der Absorberschicht in den Puffer zurückgeführt werden.

Bei der Herstellung von Solarzellen auf der Basis von Cu(In,Ga)(S,Se)2-Dünnschichten (Chalkopyriten) wird für die optimale Funktion der Zellen eine Pufferschicht benötigt. Diese kann mittels chemischer Gasphasendeposition (CVD) oder metallorganischer CVD (MOCVD) abgeschieden werden. Dafür sind Temperaturen von mehr als 265°C erforderlich, wobei sich die elektrischen und strukturellen Eigenschaften der Pufferschichten mit zunehmender Temperatur verbessern. Dem gegenüber steht eine Verschlechterung der Solarzellenparameter von Zellen, deren Pufferschichten bei über 300°C abgeschieden werden. Mit Hilfe von Untersuchungen thermisch nachbehandelter ZnSe/CIGSSe-Strukturen wurde als Ursache die thermische Belastung während der Deposition ermittelt.

Die Untersuchung von ZnSe/CIGSSe-Schichtstrukturen mittels ERDA ergab bei diesen Temperatruen den qualitativen Nachweis der Diffusion von Indium aus dem Absorber in die ZnSe-Pufferschicht. Zur quantitativen Bestimmung der Diffusionskonstanten in diesem Materialsystem wurde ein Referenzsystem verwendet, bei dem Indium bei Raumtemperatur auf einen ZnSe-Einkristall aufgedampft wurde. An einer thermisch nachbehandelten Probe wurde damit die Diffusionskonstante von Indium bei 350°C zu (6±2)*10-16cm2s-1 bestimmt. Der daraus resultierende Einfluß des Indium auf die Solarzelleneigenschaften wird als Ursache für die Degradation der Solarzellen betrachtet.

Für die Diffusionsuntersuchungen war es notwendig, die Auswertung der ERDA- Messungen auf die im Rahmen dieser Arbeit betrachteten Materialien mit rauhen Oberflächen zu erweitern. Dazu wurde ein neues Simulationsmodell entwickelt, welches lokale Oberflächenrauhigkeiten berücksichtigen kann. Die erforderlichen Rauhigkeitsparameter werden dazu aus Messungen mit dem Rasterkraft-Mikroskop (AFM) gewonnen. Mit Hilfe dieser Parameter wird die Simulation auf der Basis gewichteter Teilspektren durchgeführt. Auf diese Weise ermöglichen die Messungen mit der ERDA-Methode die Bestimmung der Diffusionskonstante des Indium bei den für die Deposition relevanten Temperaturen. Sonst vorhandene Untersuchungsmethoden haben zu die Bestimmung über 250°C höhere Diffusionstemperaturen benötigt.

Durch die Kombination von Methoden aus der Solarenergie- und der Strukturforschung ist es somit gelungen, die Ursache für die Verschlechterung der Solarzellenparameter von CIGSSe-Solarzellen mit ZnSe-Pufferschichten aus der chemischen Gasphase zu bestimmen. Damit wurde ein wesentlicher Schritt zum Verständnis der Prozesse während der Deposition der Dü&nnschichtsolarzellen; gewonnen.

The aim of this work was the analysis of chalcopyrite solar cells by means of the method of elastic recoil detection analysis (ERDA). The influence of atomic diffusion processes and impurities was of particular interest. The combination of ERDA with electric measurements revealed the origin of the worsening of the solar cell parameters during the deposition of the ZnSe buffer layers - the diffusion of indium from the absorber layer into the buffer layer.

The use of a buffer layer in Cu(In,Ga)(S,Se)2 thin film solar cells is necessary for the optimum operation of these cells. The buffer can be deposited by chemical vapour deposition (CVD) or metal organic CVD (MOCVD). Therefore, temperatures of at least 265°C are needed. With raising temperature the electronic and structural properties of the pure buffer layers improve whereas the solar cell parameters of full devices decrease at temperatures above 300°C. Using the results of the ERD analysis at ZnSe/CIGSSe samples the origin of this can be determined to be the thermal exposure of the sample during the deposition of the ZnSe-layer.

The analysis of ZnSe/CIGSSe structures by ERD revealed the qualitative proof of the diffusion of indium from the absorber into the buffer layer at these temperatures. For a quantitative determination of the diffusion coefficients a model system has been used by evaporating a layer of indium on top of a ZnSe single crystal at room temperature. Using a post annealed sample the diffusion constant of indium in ZnSe at 350°C has been determined to be (6±2)*10-16cm2s-1. The resulting influence of the diffusion to the worsening of the solar cell properties are shown.

In order to accomplish the determination of the diffusion parameters it was necessary to extend the analysis of the ERD measurements to the properties of the material system used in this work, namely its surface roughness. Therefore, a new model for simulation has been developed that includes the calculation of the effects of local surface roughness. The necessary roughness parameters of the sample surfaces have been achieved by an atomic force microscope (AFM). Using these parameters the simulation is done by calculating weighted partial spectra. Doing so, it is possible to determine the diffusion coefficient at temperatures relevant to the deposition process. All other results for these diffusion coefficients have been achieved so far at temperatures of at least 250°C more.

Using the combination of methods from solar energy and structural research it has been shown the possibility to determine the origin of the worsening of CIGSSe solar cells using ZnSe buffer layers deposited from chemical vapour methods. Therefore, an important step has been done towards the understanding of the processes during the deposition of the layers of the thin film solar cells.