Identifikation von Defekten und Metastabilitäten in Cu(In,Ga)Se_2-Dünnschichtsolarzellen

Abstract

Zusammenfassung Das übergeordnete Ziel, nämlich die Entwicklung eines physikalischen Verständnis des Rekombinationsverhaltens und der Funktionsweise von Cu(In,Ga)Se2-Dünnschichtsolarzellen (CIGS), gab den Anlass zur Untersuchung folgender zentraler Themengebiete: (1) Die Interpretation bisher kontrovers diskutierter defektspektroskopischer Charakterisierungsmethoden in CIGS-Dünnschichtsolarzellen; (2) Die Interpretation von Metastabilitätsphänomenen in CIGS-Solarzellen. Kapitel 6 befasst sich mit der Interpretation eines von vielen Gruppen beobachteten Admittanzbeitrages (N1-Admittanzstufe), der bisher fast ausschließlich als Defektbeitrag am oder nahe dem p/n-Heteroübergang interpretiert wurde. Zur systematischen Untersuchung dieses Admittanzbeitrages wurden modifizierte Heteroübergänge mit einer Variation der Grenzfläche bzw. der n-Seite des Übergangs hergestellt. Admittanzuntersuchungen an diesen Heterostrukturen zeigen Eigenschaften des N1-Admittanzbeitrags, die im Widerspruch zur bisherigen N1-Interpretation stehen. Des Weiteren zeigen temperaturabhängige Strom-Spannungsmessungen (IVT) bei den für die N1-Stufe relevanten Temperaturen eine dielektrische Relaxationszeit des CdS-Puffers, die eine Defektumladung an der Heterogrenzfläche ausschließt. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde ein Modell eingeführt, bei dem die extrahierte Aktivierungsenergie des N1-Admittanzbeitrages einer Barriere am CIGS-Rückkontakt entspricht. Das Modell einer Rückkontaktbarriere, die in gegensätzlicher Polarität zur Diode des eigentlichen p/n-Übergangs arbeitet, wird durch das Auftreten des Roll- overs in Strom-Spannungskennlinien bei tiefen Temperaturen unterstützt. Das eingeführte Modell erlaubt eine einheitliche Erklärung für die N1-Admittanzcharakteristik, der bisher unverstandenen Verläufe von Defektprofilen in spannungsabhängigen Kapazitätsmessungen und des Roll-overs in IVT-Messungen. Diese experimentellen Befunde werden durch numerische Modellierung ohne stringente Anforderungen an die Simulationsparameter mit guter Übereinstimmung zum Experiment bestätigt. In Kapitel 7 sind Untersuchungen zum Themenkomplex Metastabilität dargestellt. Unter Berücksichtigung der Reversibilität der induzierten metastabilen Zustände zeigt sich, dass die N1-Admittanzstufe metastabilen Charakter besitzt. Die Wirkung der metastabilen Konditionierungen auf den N1-Admittanzbeitrag erlaubt folgende Klassifizierung der metastabilen Phänomene: (1) Störungen, die sich in ihrer lokalen Wirkung auf die Heterogrenzfläche beschränken und die N1-Charakteristik unverändert lassen; (2) Störungen, die eine Elektroneninjektion am CIGS-Rückkontakt bewirken und eine deutliche Veränderung des N1-Verhaltens in Admittanz aufweisen. Eine Analyse der Strom- Spannungkennlinien für verschiedene metastabile Zustände zeigt, dass der Effekt des Roll-overs direkt vom metastabilen Zustand des N1 bzw. von der Barrierenhöhe am CIGS/Mo-Rückkontakt abhängt. Diese Beobachtungen unterstützen die Neuinterpretation des N1-Beitrags. Des Weiteren ist der beobachtete Anstieg der Raumladung nach Rotlichtbeleuchtung mit einer simultanen Verminderung der Aktivierungsenergie des N1-Admittanzbeitrages verbunden, was widersprüchlich zur bisherigen N1-Interpretation aber konsistent mit der Neuinterpretation des N1-Beitrages ist. Aufgrund der beobachteten unterschiedlichen Relaxationsdynamik des Rotlicht- und Reverse-Bias-Effekts lassen sich diese nicht in einem verallgemeinerten Modell erklären, in dem verschiedene metastabile Zustände eines Defektkomplexes der physikalische Ursprung beider Metastabilitätsphänomene sind. Die N1-Neuinterpretation und die daraus resultierende Freigabe des Ferminiveaus an der Heterogrenzfläche erlaubt die Zuordnung des Blaulichteffekts als CdS-Puffereigenschaft. Diese Arbeit liefert die Grundlage für ein besseres Verständnis der wichtigen defektspektroskopischen Analysemethoden und liefert eine entscheidende Neubewertung der Bandstruktur der CIGS-Dünnschichtsolarzelle.

Summary The main objective of this thesis was to develope of an improved knowledge about recombination processes and device-limiting factors in Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) thin film solar cells. This led to the investigation of the following main topics: (1) The interpretation of controversially discussed defect spectroscopy characteristics in CIGS thin-film solar cells and (2) The interpretation of metastable phenomena in CIGS solar cells. Chapter 6 deals with the interpretation of the commonly observed N1-admittance contribution which has often been interpreted as a defect contribution at or close to the p/n-heterojunction. For a systematic investigation of this admittance contribution different heterojunctions with a modified interface and modified n-side of the junction have been prepared. The characteristics of the N1-admittance step observed for these heterostructures are in contradiction to the previous interpretation of this N1-signal. Temperature dependent current- voltage measurements indicate a dielectric relaxation frequency in the CdS layers which is smaller than the N1-admittance resonance frequency at low temperatures (100-150K), a fact which excludes a charging of defects at the heterointerface. A new interpretation for the N1-response is proposed, in which the N1-activation energy is related to a barrier at the CIGS back- contact acting as a second junction in the device. The second diode is also a natural explanation for the occurrence of the roll-over effect in IV curves at low temperatures. The model, which is substantiated with numerical device simulations, allows a unified explanation of characteristic admittance response (N1), defect profiles (CV) and temperature dependent current-voltage features commonly observed in CIGS solar cells. Chapter 7 describes with light- and bias-induced metastabilities in CIGS thin film solar cells. It was found that the activation energy of the characteristic N1-admittance response exhibits metastable behavior. The different effects of metastable conditioning treatments on the admittance response allow the following classification of metastable phenomena: (1) Perturbations whose action is locally restricted to the heterointerface and cause no changes in the N1-characteristics; (2) Perturbations that inject electrons at the CIGS back-contact and affect on the N1 response. The occurrence of the roll-over effect in IVT characteristics directly correlates with these changes of the N1-activation energy and an assumed barrier height at the back-contact. These findings support the reinterpretation of the N1-response. Red light soaking causes an enhanced space charge density as well as a reduced N1-activation energy which is in conflict with the earlier interpretation of the N1 as a defect contribution at the heterointerface but is consistent with the new interpretation of N1 contribution. The investigation of the relaxation dynamics clearly indicates that the physical origin of the red light soaking and reverse bias effect has to be distinguished and that both effects can not be explained within one model assuming an identical physical origin for both effects. As a consequence of the N1 reinterpretation Fermi level pinning at the heterointerface is not required. This allows the description of the blue light soaking effect as a metastable change of the CdS buffer layer.