Die eta-Solarzelle: Ein neues Solarzellenkonzept mit extrem dünnem Absorber auf der Basis einer strukturierten TiO2/CdTe-Grenzfläche

Abstract

Das Konzept einer Solarzelle mit extrem dünnem Absorber (engl.: extremely thin absorber = eta) beruht auf der Reduktion der Transportwege in einer Solarzelle, um auch Materialien von geringer elektronischer Qualität, d.h. mit geringen Diffusionslängen, verwenden zu können. Diese Arbeit zeigt zum ersten Mal, daß das eta-Solarzellenkonzept in Form eines strukturierten pn- Heteroüberganges mit einem n-leitenden Fenster und einem p-leitenden Absorber realisiert werden kann. Dabei beträgt die lokale Absorberdicke, die die maximale Transportdistanz innerhalb der Solarzelle bestimmt, etwa 150nm. Es wird gezeigt, wie aus unterschiedlichen Materialien wie TiO2, ZnO und ZnTe mit verschiedenen Morphologien aufgrund der Streueigenschaften, der Oberflächenvergrößerung, der Struktur und des Absorptionsverhaltens eine Auswahl getroffen wird. Für die Solarzelle wird mikroporöses TiO2 als Substratmaterial und CdTe als Absorbermaterial verwendet. Die konformale Bedeckung des mikrostrukturierten TiO2-Substrates, das per Sprühpyrolyse hergestellt wird, wird durch Elektrodeposition von CdTe erreicht. Bei der thermischen Nachbehandlung der abgeschiedenen CdTe-Schichten in CdCl2-Umgebung erfolgt eine Rekristallisation des Materials, so daß das TiO2 von einzelnen, nebeneinanderliegenden CdTe-Kristalliten mit einer Ausdehnung von etwa der lokalen Absorberdicke bedeckt ist. D.h. für die photogenerierten Minoritätsladungsträger, daß sie innerhalb des CdTe für die Sammlung keine Korngrenzen passieren müssen. Die Solarzelle zeigt eine offene Klemmenspannung von Uoc=680mV und und einen Kurzschlußstrom von jsc=8.9mA/cm2. Der Vergleich zwischen einer eta-Solarzelle und einer planaren Solarzelle mit gleichen Materialien ergibt insbesondere eine drastische Steigerung des Photostromes. Die Steigerung ist in erster Linie auf die geringe Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger im elektrodeponierten CdTe zurückzuführen: In der eta- Konfiguration erstreckt sich die Raumladungszone über einen größeren Teil des Absorbermaterials, so daß trotz der geringen Diffusionslänge effiziente Sammlung der photogenerierten Ladungsträger erzielt werden kann. Aus dem optischen Vergleich erhält man mittels Simulation von Transmission- und Reflexionsdaten eine mögliche Erhöhung der Absorption im CdTe von bis zu einem Faktor 6 insbesondere für sehr dünne CdTe-Schichten. Eine detaillierte Untersuchung der TiO2/CdTe-Grenzfläche per XPS und UPS ergibt eine Valenzbanddiskontinuität von 2.5eV, so daß man eine Leitungsbanddiskontinuität von 0.6eV erhält. Diese Leitungsbanddiskontinuität führt zu einem verringerten elektrischen Feld im CdTe und, in Kombination mit der geringen Diffusionslänge, zu einem stark spannungsabhängigen Photostrom. Es zeigt sich, daß der resultierende geringe Füllfaktor momentan der begrenzende Faktor für die Effizienz dieser neuen Solarzelle darstellt.

The concept of a solar cell with an extremely thin absorber (eta) is based on the reduction of transport distances in a solar cell in order to use absorber materials of low electronic quality, i.e. small diffusion lengths. This work presents for the first time an eta-solar cell consisting of a structured pn- heterojunction between a n-type window material and a p-type absorber. The local absorber thickness that determines the maximum transport path is around 150nm. The thesis comprises the screening of different materials such as TiO2, ZnO and ZnTe and different morphologies regarding scattering properties, surface enlargement, structure and absorption behavior. For the solar cell microporous TiO2 has been used as a substrate combined with CdTe as absorber material. The conformal coverage of the structured TiO2-substrates prepared by spraypyrolysis has been achieved by electrodeposition of CdTe. After a post- deposition treatment of the CdTe in CdCl2-environment, which leads to a recrystallization of the material, the TiO2 is covered by small crystallites with a size in the order of the local absorber thickness, so that the light generated minority charge carriers do not have to pass any grain boundaries inside the CdTe for collection. The solar cell shows an open circuit voltage of Voc=680mV and a short circuit current of jsc=8.9mA/cm2. The eta-solar cell is compared to a planar configuration of the same materials: it is shown that the photocurrent is increased drastically when using an eta-configuration. The reason can be found in a low minority carrier diffusion length in the electrodeposited CdTe. In an eta-solar cell the space charge region penetrates most of the CdTe-layer, so that despite of the short diffusion length efficient collection of the photogenerated charge carriers can be achieved. The optical comparison via simulating transmission- and reflection-data shows a possible enhancement of the absorption in the CdTe of about a factor of 6 particularly for very thin CdTe-layers due to multiple scattering processes. A detailed analysis of the TiO2/CdTe interface by XPS and UPS reveals a valence band offset of 2.5eV leading to a conduction band offset of 0.6eV between TiO2 and CdTe. The conduction band offset leads to a diminished electric field inside the CdTe-absorber and, in combination with a short diffusion length of minority charge carriers, to a strong voltage dependent photocurrent collection. The resulting low fill factor of the solar cell turns out to be the limiting factor for the efficiency of this new solar cell concept at the moment.