In-situ Analyse und Wachstum photovoltaischer Absorber mit Bandlückengradienten

Abstract

Gegenstand dieser Arbeit ist die Verbesserung des Photostroms von Dünnschichtsolarzellen durch Bandlückengradienten im Absorbermaterial. Dies wurde durch ein partielles Ersetzen von Indium in CuInS2-Absorberschichten durch Gallium in der Nähe des Rückkontaktes der Solarzelle erreicht, was eine Vergrößerung der Bandlücke bewirkt. Rekombinationsverluste am Rückkontakt konnten dadurch verringert und der Wirkungsgrad gesteigert werden. Der Syntheseprozess, bei dem Cu-In-Ga Vorläuferschichten in Schwefelatmosphäre in Cu(In,Ga)S2 umgewandelt werden, wurde erstmalig in-situ durch energiedispersive Röntgenbeugung (EDXRD) sowie mit in-situ Röntgenfluoreszenz- Messungen (XRF) untersucht. Mit EDXRD wurde die Phasenbildung während der Syntheseprozesse untersucht. Dabei zeigt sich unter anderem, dass die Phase Cu(In,Ga)S2 in Form einer inhomogenen Schicht wächst, in der der Ga-Anteil innerhalb der Schicht stark variiert. Um Galliumgradienten in einer Cu(In,Ga)S2-Schicht während des Wachstums beobachten zu können, wurde in dieser Arbeit die Methode der EDXRD-Messungen durch die Kombination mit gleichzeitig gemessenen XRF-Signalen erweitert. Es wurde ein Modell zur Bestimmung von Tiefenverteilungen der Elemente anhand gemessener XRF-Signale entwickelt. Dazu wurde ein numerischer Algorithmus zur Berechnung von Fluoreszenz-Signalen inhomogener Proben bei polychromatischer Anregung bis zur zweiten Ordnung entwickelt. Um für die Modellierungen die Freiheitsgrade der Tiefenverteilungen einzuschränken, wurden die Informationen aus den EDXRD- Messungen über die in der Probe vorliegenden Phasen für eine Parametrisierung des Verlaufs der Tiefenverteilungen verwendet.

Subject of this thesis is an improvement of the photo current of thin film solar cells by band gap grading within the absorber material. This was achieved by partially replacing indium in CuInS2 absorbers by gallium near the back contact of the solar cell leading to an increase of the band gap. By these means, recombination losses at the back contact could be reduced and the conversion efficiency could be improved. The process of transforming Cu-In-Ga precursors into Cu(Ga,In)S2 by heating the samples in sulphur atmosphere was for the first time studied by in-situ energy-dispersive X-ray diffractometry (EDXRD) and by in-situ X-ray fluorescence (XRF). By means of EDXRD the phase formation during the process is analysed. One of the observations made in this work is that Cu(In,Ga)S2 growths as an inhomogeneous layer with a strong variation of the Ga content out of a ternary, metallic Cu-In-Ga phase. In order to be able to determine gradients of elements in the Cu(In,Ga)S2 layers in-situ during the growth process the EDXRD method was combined in this work with the simultaneously measured XRF signals. A model was developed with which depth distributions of elements in the layer can be determined in-situ. In this context a numerical algorithm for calculations of fluorescence intensities up to the second order was developed. To limit the degrees of freedom of the depth distributions the model makes use of the phase information gained by the EDXRD measurements to parameterise the elemental distributions as functions of the depth of the thin film.