Structural and electronic characterisation of thin-film solar cells based on CVD-grown CuGaSe2

Abstract

The open-tube chemical vapour deposition (CVD) technique, based on the chemical transport of elements in the form of volatile halide species from a source to a substrate induced by a temperature gradient, has been applied to the growth of thin films of CuGaSe2 to be used as absorber films for photovoltaic (PV) applications. In this work, structural and compositional properties of such films, as well as the electronic performance of related devices, have been investigated as a function of the deposition conditions, in order to determine the limiting factors in the device operation associated with the growth method. On this basis, three different approaches to the optimisation of the film deposition for improved PV performance have been presented and assessed, including the realisation of lift-off devices, the growth of absorber films from Cu-precursors and the implementation of sequential deposition processes, leading in the latter case to improved figures of characteristic photovoltaic parameters in related devices. The characterisation study has been carried out in two directions, including on one hand the analysis in the sub-micron scale of the structural properties of the films, the appearance of copper selenides and molybdenum diselenide secondary phases, and their impact in subsequent device processing and operation; and on the other hand the electronic characterisation of complete devices, as a means of determining fundamental limiting factors in their performance. A convenient link between these two fields was provided by Kelvin probe force microscopy (KPFM). Molybdenum diselenide is formed as an interfacial layer during the growth of CuGaSe2 on Mo-coated glass substrates. This layer has been proposed to mediate the electronic rear contact in final devices, regarding the appearance of a blocking behaviour in current-voltage characteristics at low temperatures. The structural characterisation of this layered compound has suggested a new approach to the lift-off process, by which the active CuGaSe2 layers grown on Mo-coated glass can be transferred to alternative substrates. Following the lift-off approach, results on the characterisation of the rear surface of CuGaSe2 thin films have been presented for the first time. A relative increase of nearly 60 % in efficiency figures of two-stage based devices has been recorded, compared to the top performance of those based on single stage processing, with state-of-the-art solar cells yielding 7.2 % energy conversion efficiencies under standard AM1.5G illumination conditions. This improvement in efficiency is the result of higher short-circuit current densities (up to 14.2 mA/cm2) and fill factor figures above 0.6, related to an enlargement of the effective diffusion length of photogenerated minority carriers in the absorber region up to 1.1 m, compared to the case of single-stage based devices and those processed from Cu-precursors, as determined from comparative studies of quantum efficiency and EBIC measurements. The analysis of the current-voltage characteristics of solar cells as a function of the temperature and illumination, combined with TEM and XPS/UPS studies on the active p-n junction of the devices, have revealed the role of interface recombination as the main limiting factor of CVD-grown CuGaSe2-based devices.

Die chemische Gasphasenabscheidung im offenen System (CVD), die auf dem Transport von Elementen in Form von flüchtigen Haliden beruht, welcher durch einen Temperaturgradienten von der Quelle zum Substrat hin induziert wird, wurde auf das Wachstum von CuGaSe2 Dünnschichten für photovoltaische (PV) Anwendungen angewandt. Um Aufschluss über die Faktoren zu erhalten, die die Funktionstüchtigkeit von CuGaSe2 Dünnschichtsolarzellen limitierenden und aus der CVD-Methode hervorgehen, wurden in dieser Arbeit Struktur und Zusammensetzung der hergestellten Dünnfilme in Abhängigkeit von den Wachstumsbedingungen untersucht, sowie die korrelierenden Solarzellen elektrisch charakterisiert. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse wurden drei unterschiedliche Ansätze verfolgt um die Dünnschichtabscheidung in Hinblick auf verbesserte Solarzellenwirkungsgrade zu optimieren: diese beinhalten die Herstellung von Solarzellen mittels des "lift-off"-Verfahrens, die Verwendung von Kupfer-Vorläuferschichten für den CuGaSe2 (CGSe) Wachstumsprozess, sowie das Einsetzen von sequentiellen Prozessen bei der Absorberabscheidung. Letzteres führte zu einer Verbesserung der charakteristischen Eckdaten der hergestellten Solarzellen. Charakterisierungsarbeiten, die in dieser Arbeit durchgeführt wurden, können als in zwei Richtungen gehend eingeteilt werden: zum einen die strukturelle Analyse der hergestellten Dünnschichten auf einer Skala unterhalb des Mikrometerbereichs, die Erscheinung von Kupferselenid und Molybdenselenid als Fremdphasen und die Betrachtung der Folgen für die weitere Fertigung und die Funktion der Solarzellen; zum anderen die elektrische Charakterisierung der fertigen Solarzellen um etwaige, fundamentale Ursachen für eine Limitierung der Funktionstüchtigkeit zu bestimmen. Eine hilfreiche Verbindung zwischen diesen beiden Bereichen bildet die Kelvinsonden-Kraft- Mikroskopie (KPFM). Während des Wachstums von CuGaSe2 wird zeitgleich an der Grenzfläche zwischen Absorber und dem molybdänbeschichtetem Glas Molybdändiselenid gebildet. Der Molybdändiselenid-Zweitphase wurde die Eigenschaft zugeschrieben den elektronischen Rückkontakt in fertigen Solarzellen in Bezug auf das Sperrverhalten in der Strom-Spannungs- Charakteristik bei niedrigen Temperaturen zu beeinflussen. Die strukturelle Analyse der Molybdädiselenidphase hat außerdem eine charakteristische, schichtartige Morphologie aufgezeigt, die einen neuen Ansatz zur Durchführung der Solarzellenpräparation mit der "lift-off"-Technik ermöglicht. Erstmals konnten Ergebnisse zur Charakterisierung der Rückseite von CuGaSe2 Dünnschichten präsentiert werden. Im Vergleich zu einstufig prozessierten Solarzellen, konnte mit zweistufig prozessierten Solarzellen eine relative Verbesserung der Wirkungsgrade um 60% erreicht werden. Der beste erreichte Wirkungsgrad liegt bei 7,2% unter Standart AM1.5 Beleuchtung. Diese Verbesserung im Wirkungsgrad ist das Ergebnis einer verbesserten Kurzschlussstromdichte von bis zu 14,2 mA/cm², sowie eines Füllfaktors von über 0,6. Letzteres wird einer im Vergleich zu Solarzellen mit einstufig oder mit Kupfer-Vorläuferschichten prozessierten Absorbern größeren effektiven Diffusionslänge der photogenerierten Minoritätsladungsträger im Absorber (bis zu 1,1 mm) zugeschrieben, die anhand einer vergleichenden Analyse von Quantenausbeute und EBIC-Messungen bestimmt wurde. Die Untersuchung von Strom- Spannungs-Charakteristiken von Solarzellen in Abhängikeit von Temperatur und Beleuchtungsintensität zusammen mit TEM und XPS/UPS-Analysen des aktiven p-n-Übergangs der Solarzelle stellten die Grenzflächenrekombination als hauptsächliche Ursache heraus, die die Funktionstüchtigkeit von CuGaSe2 basierten Solarzellen einschränkt.