Novel photovoltaic materials have to be developed at an increasing pace to keep up with the progress of established solar cell technologies and to fit into the limited funding periods of science. Such a speed-up can be realized by the characterization of photovoltaic materials with time-resolved terahertz spectroscopy (TRTS) which can reveal the limits and losses of photovoltaic materials and thereby guides their further development. First, TRTS was advanced and validated in this work for the characterization of charge carrier lifetime and mobility in photovoltaic materials. Publication [3] shows that TRTS can measure charge carrier mobilities in thin films on metal substrates, which are the prevalent architecture of photovoltaic thin-film samples. Further, publication [5] shows that the individual mobilities of electrons and holes are derived by combining TRTS transients and the usually derived TRTS sum mobility. Such distinction is especially important for photovoltaics because the charge transport in solar cells is usually limited by the minority charge carriers. Second, an in-depth characterization of a Cu2ZnSnSe4 thin film was conducted. This thin film was deposited during my stay at the national renewable energy laboratory (NREL) at similar conditions as their record Cu2ZnSnSe4 solar cell. The charge carrier dynamics, including cooling, trapping, localization, recombination, and transport, were probed and integrated into one narrative. The recombination of the photo-excited charge carriers is characterized by a bulk charge carrier lifetime of 4.4 ns and by a surface recombination velocity of 6*104 cm/s [5]. The transport is described by an electron mobility of 127 cm2/Vs ±25 % and a hole mobility of 7 cm2/Vs ±50 % [5]. These mobilities are limited by localization on a length scale of ~11nm and correspond to the transport within the ~1 µm sized grains the polycrystalline Cu2ZnSnSe4 [4]. However, the mobility in Cu2ZnSnSe4 is relatively high in comparison to 15 other photovoltaic materials that I probed [7-17]. The Cu-Zn disorder has no impact on mobility and lifetime in Cu2ZnSnSe4 [6]. Third, the relatively low efficiency of the Cu2ZnSnSe4 solar cell of 7.2 % compared to its Shockley-Queisser limit of 31.4 % and to competing photovoltaic materials, was mostly attributed to charge carrier recombination, which reduces the voltage by ~239 meV and the current by ~8.5 mA/cm2. Band tails, which are often regarded as the main limitation, affect the performance only to a minor degree. We found a tenfold reduction of the mobility and a loss in the voltage by ~105 meV. An impact on the lifetime and recombination could not be proven. The charge carrier mobility, absorption and bandgap energy of Cu2ZnSnSe4 are in principle suited for high efficiencies.
Die Entwicklung neuer Materialien für die Photovoltaik bedurfte in der Vergangenheit mehrerer Jahrzehnte. Um jedoch mit dem Fortschritt der etablierten Solarzellentechnologien mitzuhalten und die Entwicklung innerhalb der kurzen Finanzierungszeiträume in der Wissenschaft umzusetzen, muss die Forschungszeit deutlich verkürzt werden. Dieses Ziel kann durch zeitaufgelöste Terahertzspektroskopie (TRTS) realisiert werden, welche die Verluste in photovoltaischen Materialien aufzeigt und damit deren Weiterentwicklung steuern kann. Zuerst werden in dieser Arbeit die Weiterentwicklung von TRTS und deren Anpassung auf die Anforderungen der Photovoltaik beschrieben. In der Veröffentlichung [3] wurde gezeigt, dass TRTS die Ladungsträgermobiltäten und Lebenszeiten in Dünnschichten auf Metallsubstraten messen kann, was der Standardaufbau einer Dünnschicht-Solarzelle ist. Des Weiteren wird in Veröffentlichung [5] gezeigt, dass die Elektronmobilität und die Lochmobilität separat mit TRTS gemessen werden können, wenn die Summe der beiden Mobilitäten, welche standardmäßig mit TRTS gemessen wird, mit einer Analyse der TRTS-Transienten kombiniert wird. Dann werden die Ladungsträgerdynamiken in einer Cu2ZnSnSe4 Dünnschicht im Detail untersucht, welche während meines Aufenthaltes am National Renewable Energy Laboratory (NREL) in den USA hergestellt wurde und welche deren Weltrekord-Cu2ZnSnSe4-Solarzelle entspricht. Dabei werden die Ladungsträgerabkühlung, deren Trapping, Lokalisation, Rekombination und Transport untersucht und in ein Gesamtbild integriert. Die Rekombination der photoinduzierten Ladungsträger ist charakterisiert von einer Lebenszeit von 4.4 ns und von einer Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit von 6*104 cm/s [5]. Der Ladungsträgertransort wird von einer Elektronmobilität von 127 cm2/Vs ±25 %, und einer Lochmobilität von 7cm2/Vs ±50 %, beherrscht. Diese Mobilitäten sind durch Ladungsträgerlokalisation auf einem Bereich von ca. 11 nm begrenzt und entsprechen dem Transport innerhalb der ca. 1 µm großen Körner in dem polykristallinen Cu2ZnSnSe4 [4]. Im Vergleich zu 15 weiteren photovoltaischen Materialien, welche ich als Ko-autor untersucht habe [7-17], ist die Mobilität in Cu2ZnSnSe4 jedoch relativ hoch. Die Effizienz der Cu2ZnSnSe4 Solarzelle von 7.2 % ist relativ niedrig im Vergleich zu ihrem „Shockley-Queisser-Limit“ und zu anderen weiter entwickelten Materialien. Diese Unterlegenheit wird zum Großteil durch Ladungsträgerrekombination hervorgerufen, welche die Spannung um ca. 239 meV und den Strom um 8.5 mA/cm2 reduziert. Bandtails, welche oft als hauptsächliche Limitation aufgeführt werden, tragen nur zu einem geringeren Verlust in der Spannung von ca. ~105 meV bei und reduzieren die Ladungsträgermobilität auf ein Zehntel. Einen Einfluss auf die Ladungsträgerrekombination konnte jedoch nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden. Die Ladungsträgermobilität, die Absorption und die Bandlückenenergie von Cu2ZnSnSe4 sind für Solarzellen bestens geeignet.
