dc.contributor.author
Neldner, Kai
dc.date.accessioned
2018-06-07T22:53:30Z
dc.date.available
2017-01-11T14:42:45.724Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/9778
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-13976
dc.description.abstract
The finite resources of fossil fuels, the security risk of atomic power plants
and the absence of a permanent repository for nuclear waste have greatly
increased the importance of renewable energies like wind power and solar
energy. Photovoltaic materials have seen a rapid development in the recent
years. Especially in the thin film solar cell research multiple new
technologies and absorber materials have emerged. In a short period of time
the efficiency of the thin films based on CZTS have reached a record
efficiency of 12.6% [97]. The main advantages of thin film solar cells are
fast (vacuum free) fabrication processes, fewer material usage and therefore
lower fabrication costs. To further increase the efficiency of CZTS based thin
film solar cells it is important to understand the limiting factors of the
material system to reach similar efficiency as the CIGS system of 22.6% [8] by
avoiding the use of toxic and scarce elements like Cd and In. This work
presents a systematic and fundamental study on the structural variations and
chemical trends in off-stoichiometric CZTS type compound semiconductors.
Therefore CZTS powder samples are synthesized by solid state reaction and the
chemical composition is determined by WDX analyses at an electron micro probe
analyzer. Several advanced diffraction techniques like X-ray diffraction,
anomalous X-ray diffraction and neutron diffraction are used to obtain lattice
parameters and site occupations of the Wyckoff positions. The goal is to study
intrinsic point defects and the corresponding defect concentration in relation
to the distinct off-stoichiometric CZTS types. In total six different off-
stoichiometric types are identified by introducing the E- [29], F-type [96] to
the already postulated A-, B-, C- and D-type [45]. The chemical
characterization of the CZTS powders shows that single-phase samples are
formed preferably in the off-stoichiometric B-type region, with mixtures of A-
and F-type, which correspond mainly to Cu-poor / Zn-rich conditions. X-ray
diffraction results show that CZTS is the main phase in all samples even if
secondary phases like copper, zinc and tin sulfides are present. Furthermore
the evaluation of the tetragonal deformation and unit cell volume show a
strong relation to the Cu and Zn content of the samples. The tetragonal
deformation and unit cell volume decrease from Cu-poor / Zn-rich to Cu-rich /
Zn-poor conditions (no tetragonal deformation = 1). Also the intrinsic point
defects, defect complexes and defect concentrations determined by neutron
diffraction in combination with the average neutron scattering length method,
change by chemical composition and correspond to the proposed off-
stoichiometric CZTS types. Furthermore the analyzed Cu-Zn disorder is
independent of the off-stoichiometric CZTS types and is the dominating defect
complex in the majority of samples.
de
dc.description.abstract
Begrenzte Reserven von fossilen Brennstoffen, Sicherheitsbedenken von
Atomkraftwerken sowie die Endlagerung atomarer Abfälle haben die Bedeutung
erneuerbarer Energien wie z. B. Wind- und Sonnenkraft gesteigert. Photovoltaik
hat in den letzten Jahren bedeutsame Entwicklungen erlebt, wodurch sich
besonders bei den Dünnschichtsolarzellen mehrere neue Absorbermaterialien
sowie Technologien etabliert haben. In kurzer Zeit wurde eine Effizienz von
Dünnschichtsolarzellen basierend auf CZTS von 12.6% [97] erreicht. Die
Vorteile der Dünnschichttechnologie liegen besonders in den schnellen (teils
vakuumfreien) Herstellungsverfahren, dem geringen Rohstoffbedarf und den
daraus resultierend gesunkenen Herstellungskosten. Um die Effizienz von CZTS
Dünnschichtsolarzellen weiter zu steigern, ist es wichtig die limitierenden
Faktoren des Materials zu verstehen, um eine vergleichbare Effizienz wie bei
CIGS mit 22.6% [8] zu erreichen und gleichzeitig den Einsatz von giftigen und
seltenen Elementen wie Cd oder In zu vermeiden. In dieser Arbeit wird eine
systematische und grundlegende Untersuchung über die strukturellen Variationen
und chemischen Trends in nichtstöchiometrischen Kesterit- Halbeitern
durchgeführt. Dafür werden Pulverproben mittels Festkörpersynthese hergestellt
und deren chemische Zusammensetzung mittels WDX-Analysen bestimmt. Außerdem
werden mehrere Diffraktionsmethoden wie die Röntgenbeugung, anomale
Röntgenstreuung und Neutronenbeugung eingesetzt, um die Gitterkonstanten und
Platzbesetzungen der Wyckoff Positionen zu bestimmen. Das Ziel ist die
detaillierte Analyse der intrinsischen Punktdefekte und der entsprechenden
Defektkonzentrationen in Zusammenhang mit den unterschiedlichen
nichtstöchiometrischen Kesterit-Typen. Insgesamt kann zwischen sechs
unterschiedliche nichtstöchiometrische Kesterit-Typen unterschieden werden.
Neben den bereits bekannten A-, B-, C- und D-Typ [45] werden der E- [29] und
F-Typ [96] neu eingeführt. Die chemische Charakterisierung der Pulver ergibt,
dass einphasige Proben mit B-Typ Chemismus mit Anteilen von A- und F-Typ
bevorzugt gebildet werden (Cu-arm / Zn-reich). Die Ergebnisse der
Röntgenbeugung zeigen, dass CZTS die Hauptphase in allen Proben ist, auch wenn
Sekundärphasen entdeckt wurden. Außerdem zeigt die tetragonale Deformation und
das Einheitszellenvolumen eine starke Abhängigkeit vom Cu- und Zn-Anteil der
Proben. Die tetragonale Deformation und das Einheitszellenvolumen verringern
sich von Cu-armen / Zn-reichen zu Cu-reichen / Zn-armen Bedingungen (keine
tetragonale Deformation = 1). Des Weiteren hängen die Defektkomplexe und
-konzentrationen, die mittels Neutronenbeugung und der durchschnittlichen
Neutronenstreulänge bestimmt wurden, von der chemischen Zusammensetzung ab und
stimmen mit den vorgeschlagenen Kesterit- Typen überein. Außerdem wird die Cu-
Zn-Unordnung untersucht, die unabhängig von den Kesterit-Typen und der
Stöchiometrie auftritt und den dominierenden Defektkomplex in den meisten
Proben darstellt.
de
dc.format.extent
XI, 171 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
neutron diffraction
dc.subject
solid state reaction
dc.subject
lattice parameters
dc.subject
intrinsic point defects
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::550 Geowissenschaften
dc.title
Structural trends and phase relations in off-stoichiometric kesterite type
compound semiconductors
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Susan Schorr
dc.contributor.furtherReferee
PD Dr. Ralf Milke
dc.date.accepted
2016-12-05
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000103719-5
dc.title.translated
Struturelle Trends und Phasenbeziehungen in nicht-stöchimetrische Kesterit-Typ
Verbindungshalbleitern
de
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000103719
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000020595
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access