Ursache der Leitfähigkeitsabnahme nach künstlicher Alterung in feuchter Wärme bei hochdotierten Zinkoxid-Schichten für die Dünnschichtfotovoltaik

Abstract

Beschleunigte Alterung in feuchter Wärme (85°C, 85% relative Luftfeuchtigkeit) kann den Wirkungsgrad von unverkapselten Chalkopyrit-basierten Dünnschichtsolarmodulen herabsetzen. Das Absinken der lateralen Leitfähigkeit des transparenten ZnO:Al-Frontkontakts trägt maßgeblich zu diesem Alterungseffekt bei und wurde in dieser Arbeit aufgeklärt. Ausgehend von Röntgendiffraktometrie sowie Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie wurde ein Strukturmodell für die inhomogene ZnO:Al-Schicht abgeleitet, nach dem die Schicht aus kompakt gewachsenen Körnern mit parallel angeordneten Korngrenzen sowie aus lokalisierten, durch Substratrauheiten induzierten Makrokorngrenzen mit kleineren Körnern, nicht senkrecht ausgerichteten kristallografischen Ebenen und einem größeren Flächenanteil an Korngrenzen besteht. Der Einfluss von Korn, Korngrenze und Makrokorngrenze auf die ZnO:Al- Leitfähigkeit wurde durch Vergleich der Intrakorn-sensitiven Drudeleitfähigkeit und der Leitfähigkeitsmessung mit Gleichstrom an glatten (Korn und Korngrenze) und rauen Substraten (Korn, Korngrenze und Makrokorngrenze) untersucht. Die Modellierung der Transmission- und Reflexionsspektren von sukzessiv gealtertem ZnO:Al auf rauem und glatten Quarzglas ergab ein Absinken der Drudeleitfähigkeit auf die Hälfte. Die etwa gleich große Gleichstromleitfähigkeit auf glattem Substrat hatte ein ähnliches Alterungsverhalten, wodurch die Degradation an den ZnO:Al-Korngrenzen ausgeschlossen werden konnte. Die Präsenz von Makrokorngrenzen auf einem rauen Substrat führt dagegen zum Absinken der Leitfähigkeit um etwa zwei Größenordnungen. Der elektronische Transportmechanismus über die Makrokorngrenze konnte durch die Verwendung von zweidimensional strukturierten Siliziumsubstraten aufgedeckt werden. Temperaturabhängige Hall- und Leitfähigkeitsmessungen zeigen schon vor der Alterung eine niedrigere Leitfähigkeit der Makrokorngrenzen von 10 S/cm (verglichen mit 1000 S/cm auf glatter Unterlage), die unter feuchter Wärme weiter abnimmt und die hauptsächlich von der geringeren Ladungsträgerbeweglichkeit verursacht wird. Die Leitfähigkeit über die Makrokorngrenze hat eine thermische Aktivierung; ihre Aktivierungsenergie ist allerdings zu klein, um die Leitfähigkeitsabnahme vollständig zu erklären. Daher wurde ein elektronisches Transportmodell für einen thermisch-unterstützten Tunnelstrom durch zwei rechteckförmige Potenzialbarrieren aufgestellt, das die Leitfähigkeit in der Makrokorngrenze, ihre Temperaturabhängigkeit und ihr zeitliches Verhalten in feuchter Wärme beschreibt.

Accelerated ageing in damp heat (85°C, 85% relative humidity) can reduce the efficiency of un-encapsulated chalcopyrite-based solar modules. A significant contribution of the degradation is caused by a decrease in lateral conductivity of the transparent aluminium-doped ZnO (ZnO:Al) front contact. This aspect of the degradation is investigated in this thesis. Using X-ray diffraction techniques, as well as scanning and transmission electron microscopy, a model of the inhomogeneous ZnO:Al thin film structure was derived. In this model, the bulk film consists of compactly grown grains with grain boundaries parallel to one another, interrupted by so-called 'extended grain boundaries' which are localised and induced by substrate roughness. These extended grain boundaries consist of smaller grains which are not perpendicularly orientated to the crystallographic planes and have a higher percentage area of grain boundaries. The influence of grains, grain-boundaries and these extended grain boundaries in the ZnO:Al was investigated by measuring the intra-grain Drude conductivity and the DC conductivity on smooth substrates (which have only grains and grain boundaries) and rough substrates (which also exhibit extended grain boundaries). The modelling of transmission and reflection spectra of degraded ZnO:Al on smooth and rough quartz glass showed a reduction of the Drude conductivity by a factor of two. Approximately the same effect was seen in the DC conductivity of the ZnO:Al grown on smooth substrates, thus the degradation of the ZnO standard grain boundaries was negligible. The presence of extended grain boundaries on rough substrates, however, causes a huge reduction of DC conductivity of about two orders of magnitude. The electronic transport mechanism over the extended grain boundaries was examined by using two-dimensionally structured silicon substrates. Temperature dependent Hall and conductivity measurements reveal a much lower DC conductivity, even before damp heat ageing, of the extended grain boundaries of 10 S/cm (compared to 1000 S/cm on the smooth substrates) and reduce even further on damp heat exposure. The low conductivity is correlated to a reduced charge carrier mobility. The conductivity across the extended grain boundaries was measured to be thermally activated, but the activation energy was too small to completely explain the decrease in conductivity. From these results, an electronic transport model was derived, based on a thermally assisted tunnelling current through two rectangular potential barriers which describes the conductivity in the extended grain boundaries, its temperature dependence and its time-dependence under damp heat.