Generation und Rekombination von Ladungsträgern in CuInS2-basierten Dünnschicht-Solarzellen

Abstract

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der elektrischen Transport-Mechanismen in CuInS2-basierten Dünnschicht-Solarzellen. Mit der Analyse der Strom- Spannungs-Kennlinien, die unter Variation der Temperatur und der Beleuchtungs- Intensität gemessen wurden, sollten die dominierenden Transport-Mechanismen in verschiedenen Spannungsbereichen identifiziert werden. Daraus ergaben sich zwei Schwerpunkte: Rekombination und Transport (Analyse der dominierenden Transport-Mechanismen unter positiven, angelegten Spannungen) Im Unterschied zu anderen Chalkopyrit-Solarzellen ist der dominierende Rekombinations- Mechanismus in CuInS2-basierten Solarzellen vom Beleuchtungs-zustand der Solarzellen abhängig. Unter Beleuchtung dominiert in CuInS2-basierten Solarzellen die tunnel-unterstützte Rekombination über Zustände an der Heterogrenzfläche. Mit dem Einbau von geeigneten Anteilen an Silber oder Gallium in die Absorberschichten von sulfid-basierten Solarzellen gelingt es den dominierenden Rekombinations-Mechanismus von der Heterogrenzfläche in die Raumladungszone innerhalb des Absorbers zu verschieben. Damit geht ein Anstieg der Aktivierungsenergie der Sperrsättigungs-Stromdichten einher, welcher jedoch nicht in einen entsprechenden Zuwachs der Leerlaufspannung umgesetzt werden kann. Es wurde gezeigt, dass sich dieses Verhalten auf einen steigenden Einfluss der Tunnelprozesse zurückführen lässt, da sich mit der Verschiebung des Ortes der dominierenden Rekombination von der Heterogrenzfläche in die Raumladungszone im Absorber der Einfluss der Tunnelprozesse erhöht. Der Serienwiderstand, welcher die Stromdichten unter positiven Spannungen oberhalb von ca. 0,8 V begrenzt, ist thermisch aktiviert und steigt für abnehmende Temperaturen an. Die Höhe dieser Aktivierungsenergien konnte dem Einfluss der Potential-Barrieren an den Korngrenzen in den polykristallinen Absorbern zugeordnet werden. Für die untersuchten Solarzellen zeigte sich eine Korrelationen zwischen den Ergebnissen zu den Rekombinations-Mechanismen und zu den Potential-Barrieren an den Korngrenzen, die sich im Rahmen der betrachteten Modelle nur mit einer Änderung der Dichte der positiven Ladungen an der Heterogrenzfläche und an den Korngrenzen konsistent erklären lassen. Strom-Spannungs-Charakteristika unter negativen Spannungen Die CuInS2-basierten Solar-zellen zeigen im Unterschied zu den anderen Chalkopyrit-Solarzellen unter negativen Spannungen einen exponentiellen Anstieg der Stromdichte. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neues Modell zur Erklärung des exponentiellen Anstiegs der Stromdichte unter negativen Spannungen in ZnO/CdS/CuInS2-Solarzellen formuliert. Nach diesem Modell können Ladungsträger, die über Grenzflächenzustände generiert werden, aufgrund der starken Bandverbiegung innerhalb des Absorbers nahe der Heterogrenzfläche direkt in das Valenzband tunneln, so dass Generation von Ladungsträgern über eine effektiv verminderte Bandlücke stattfindet.

Aim of this work was to investigate the electrical transport mechanisms in CuInS2 thin film solar cells. Dominating transport mechanisms were analyzed by measuring current voltage curves as a function of temperature and illumination. Recombination and transport (analysis of transport under forward bias) In contrast to other state of the art chalcopyrite solar cells, the dominating recombination mechanism in CuInS2 thin film solar cells depends on the illumination. The recombination via traps at the hetero interface dominates the transport under illumination. The incorporation of Silver or Gallium is capable to shift the dominating recombination from the interface into the space charge region inside the absorber. The associated increase in activation energy of the saturation current cannot be fully converted into an increase of the open circuit voltage. We could show that this is due the stronger influence of tunnelling assistance to the recombination which we observed for the cells with higher activation energies. The series resistance, which limits the current at higher voltages, increases with decreasing temperature and is found to be thermally activated. The origin of this activation energy could be identified as the potential barriers which form at the grain boundaries inside the absorber layer. A correlation between the potential barrier heights at the grain boundaries and towards the interface is observed. The illumination or preparation dependent changes in these barrier heights can only be explained by a change of the surface charge densities at the corresponding interfaces. Current voltage characteristics under reverse bias An additional difference of CuInS2 thin film solar cells to other state of the art chalcopyrite solar cells is the exponential increase of the current under reverse bias. This work presents a new model to explain this behaviour. According to this model charge carriers are generated via hetero interface states. Due to the strong band bending close to the interface holes may tunnel from these states into the valence band, which reduces the effective barrier for the generation.