dc.contributor.author
Stephan, Christiane
dc.date.accessioned
2018-06-07T19:36:58Z
dc.date.available
2011-08-31T07:37:02.545Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/6270
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-10469
dc.description.abstract
Chalcopyrite type compound semiconductors made of CuBC2 (B = In, Ga and C =
Se, S) are successfully used as absorber materials in thin film solar cells.
In general these absorber layers exhibit an off stoichiometric composition. A
deviation from the ideal stoichiometry causes various point and extended
defects within the material, which influence the structural and electronic
properties of the final solar device. This work shows a systematic study about
structural changes with composition in CuBC2 chalcopyrite type compound
semiconductors. The study is done on reference powder material with well
determined chemical composition, using advanced diffraction techniques, such
as neutron and synchrotron X-ray diffraction. Comparing the stability region
of the chalcopyrite type phase in the six investigated pseudo-binary systems,
the (Cu2Se)1-y(Ga2Se3)y system allows the largest deviation from the
stoichiometry by keeping the chalcopyrite type crystal structure. Thus, the
single phase region for the chalcopyrite Cu1-yInySe0.5+y phase can be enlarged
by the substitution of indium by gallium. In addition to the structure
microstructure investigations performed at room temperture, the temperature
dependent structural changes within a temperature range of 1.5 K ≤ T ≤ 1330 K
were studied by in-situ synchrotron X-ray and neutron diffraction. The
structural phase transition from the ordered chalcopyrite to the ordered
sphalerite type crystal structure has been observed in copper-poor
Cu1-yGaySe0.5+y and Cu0.960In0.773Ga0.267Se2.040 at T=1315 K (1042 °C) and
T=1119 K (846 °C), respectively. An enhanced anti-site occupation of the type
Cu(B)-B(Cu) was found to introduce this solid-solid transition in both
compounds. A negative linear thermal expansion coefficient has been certified
for a gallium-rich (In/(In+Ga)=0.096) and an indium-rich (In/(In+Ga)=0.918)
Cu1-y(InxGa1-x)ySe0.5+y sample at low temperatures. The critical temperature,
at which the linear thermal expansion coefficients change their sign, has been
observed at T0=32.1 K (gallium-rich sample) and T0=20.2 K (indium-rich
sample). The study of intrinsic point defects within ternary off
stoichiometric chalcopyrite type com-pounds revealed a high concentration of
copper vacancies (VCu) and anti-site defects of type B(Cu). The possible
formation of electrical neutral defect complexes of type from isolated point
defects has been considered and proven in the Cu – In – Se system. This clus-
tering of isolated point defects to electrical neutral defect complexes
reduces the amount of point defects by an order of magnitude. The type and
density of point defects depend in all investigated compounds on the
composition. In the Cu-poor chalcopyrite type compounds in the Cu – Ga – S and
Cu – (In, Ga) – S system no copper vacancies have been observed any-more,
which stands in contrast to the results obtained within the other systems. The
main de-fects in these systems are B(Cu) anti-site defects. The results
obtained here on reference powder materials give the possibility to understand
crucial structure – property relations in thin film absorber layers made of
chalcopyrite type compound semiconductors, which is necessary to tailor highly
efficient solar devices.
de
dc.description.abstract
Chalkopyrit-Typ Verbindungshalbleiter bestehend aus CuBC2 (B = In, Ga und C =
Se, S) werden erfolgreich als Absorbermaterial in Dünnschichtsolarzellen
eingesetzt. Diese Absorber haben generell eine nicht-stöchiometrische
Zusammensetzung. Eine Abwei-chung von der idealen Stöchiometrie verursacht
verschiedene Punkt und Flächendefekte in-nerhalb des Materials, die die
strukturellen und elektronischen Eigenschaften der Solarzelle beeinflussen.
Die vorliegende Arbeit zeigt eine systematische und grundlegende Studie hin-
sichtlich struktureller Veränderungen mit sich ändernder Zusammensetzung in
CuBC2 Chalkopyrit Typ Verbindungshalbleitern. Die Untersuchungen sind an
Pulverproben mit einer definierten Zusammensetzung unter Verwendung von
Neutronen und Synchrotron-Röntgen-Beugungsmethoden durchgeführt worden. Der
Vergleich der Stabilitätsgebiete der Chalkopyrit-Phase in den sechs
untersuchten Systemen zeigte, dass das (Cu2Se)1-y(Ga2Se3)y System die größte
Abweichung von der Stöchio-metrie erlaubt, und dabei die Chalkopyrit-
Kristallstruktur bestehen bleibt. Der Existenzbereich der Chalkoyprit-Phase im
Cu-In-Se System kann daher durch die Substitution von Indium durch Gallium
verbreitert werden. Zusätzlich zu den Struktur und Gefügeuntersuchungen der
Pulverproben bei Raumtemperatur, sind temperaturabhängige strukturelle
Änderungen in einem Temperaturbereich von 1.5 K ≤ T ≤ 1330 K, mit Hilfe von
in-situ Synchrotron Röntgen und Neutronen Beugungsexperimenten, untersucht
worden. Der strukturelle Phasenübergang von der geordneten Chalkopyrit zur
ungeordneten Sphalerit Struktur tritt im kupferarmen Cu1-yGaySe0.5+y bei
T=1315 K (1042 °C) und in Cu0.960In0.773Ga0.267Se2.040 bei T=1119 K (846 °C)
auf. Ein gesteigerter Platzwechselvorgang vom Typ Cu(B)-B(Cu) führt den fest-
fest Übergang herbei. Ein negativer linearer thermischer
Ausdehnungskoeffizient ist in einer galliumreichen (In/(In+Ga)=0.096) und in
einer indiumreichen (In/(In+Ga)=0.918) Cu1-y(InxGa1-x)ySe0.5+y Probe bei
niedrigen Temperaturen nachgewiesen worden. Die kritische Temperatur, ab der
der mittlere lineare thermischen Ausdehnungskoeffizient negativ wird, ist
T0=32.1 K für die galliumreiche und T0=20.2 K für die indiumreiche Probe. Die
Untersuchung von intrinsischen Punktdefekten in nicht-stöchiometrischen
Chalkopyrit-Typ Verbindungen ergab eine hohe Konzentration von
Kupferleerstellen (VCu) und Fehlplatz-besetzungen vom Typ B(Cu). Die
Möglichkeit der Bildung von elektrisch neutralen Defekt-komplexen vom Typ aus
den isolierten Punktdefekten wurde im Cu – In – Se System in Betracht gezogen
und nachgewiesen. Das Zusammenballen von isolierten Punktde-fekten zu
elektrisch neutralen Defektkomplexen reduziert die Anzahl an isolierten
Punktdefekten um eine Größenordnung. Der Defekttyp und die Defektdichte sind
in allen untersuchten Verbindungen von der Zusammensetzung abhängig. In den
kupferarmen Chalkoyprit Typ Verbindungen des Cu – Ga – S und Cu – (In, Ga) – S
Systems sind keine Kupferleerstellen nachgewiesen werden. Dies steht im
Gegensatz zu den Ergebnissen, die in den anderen Systemen erzielt worden sind.
Der Hauptdefekt in diesen Proben ist eine B(Cu) Fehlplatzbesetzung. Die
Ergebnisse die im Zusammenhang mit dieser Arbeit an Pulverproben erzielt
worden sind geben die Möglichkeit entscheidende Struktur-
Eigenschaftsbeziehungen in Dünnschichtsolarzellen, mit solch einem Absorber,
zu verstehen. Dieses Verständnis ist unabdingbar für die Weiterentwicklung von
hocheffizienten Dünnschichtsolarzellen.
de
dc.format.extent
VIII, 147, [47] S .
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Neutron Diffraction
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie
dc.title
Structural trends in off stoichiometric chalcopyrite type compound
semiconductors
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Susan Schorr
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Ing. Hans-Werner Schock
dc.date.accepted
2011-06-17
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000024741-9
dc.title.translated
Strukturelle Trends in nicht-stöchiometrischen Chalkopyrit-Typ-
Verbindungshalbleitern
de
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000024741
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000009948
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access