Untersuchungen an CuIn(Ga)Se2-Dünnschichten und Solarzellen

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit werden CuInSe2-Schichten aus dem RTP-Prozess (RTP: rapid thermal processing) und CuIn(Ga)Se2-Schichten aus demKoverdampfungsprozess untersucht. Die Schichten werden in verschiedenen Gasatmosphären getempert mit dem Ziel Defekte umzuwandeln und dabei zucharakterisieren. Die interessantesten Effekte zeigen sich nach der Temperung an Luft bei einer Temperatur von 400°C. Die Temperung einer In-reichen CuInSe2-Schicht an Luft führt zu einer signifikanten Veränderung des Photolumineszenz-Spektrums. Nach der Temperung istdas Spektrum nahezu identisch mit dem einer Cu-reichen Schicht. Eine genauere Untersuchung der Schichteigenschaften mit optischen und elektrischenMessmethoden zeigt, dass durch die Reaktion mit Sauerstoff die Donatorkonzentration deutlich reduziert wird und somit die hohe Kompensation starkvermindert wird. Dieser experimentelle Befund erlaubt einen neuen Einblick in die bisher noch wenig bekannten Defekte der In-reichen CuInSe2-Schichten. MitPositronenannihilations-Experimenten kann weiter gezeigt werden, dass durch die Temperung donatorartige Selenleerstellen (VSe) in OSe Akzeptorenumgewandelt werden. Die Passivierungsreaktion ist: VSe + O -> OSe. Durch Positronenannihilation können außerdem VCu Akzeptoren nachgewiesen werden,die während der Temperung unverändert bleiben. Es wird gezeigt, dass in den In-reichen Schichten die gleichen Defekte wie auch in den Cu-reichen Schichten vorliegen. Die Selenleerstelle bildet dendominanten Donatoren mit einer Aktivierungsenergie von EA = 10 meV und die Kupferleerstelle den Akzeptoren mit EA = 75 meV. Das völlig unterschiedlicheVerhalten der Cu- und In-reichen Schichten ist nicht auf verschiedene Defekttypen zurückzuführen, sondern lediglich auf die Konzentration der Donatoren.Während die Cu-reichen Schichten nur schwach kompensiert sind, beträgt der Kompensationsgrad in den In-reichen Proben 99 %. Die Defektdichte liegt bei1018 cm-3. Bei koverdampften CuIn(Ga)Se2-Schichten mit einem Ga-Anteil von 30 % ist ebenfalls eine Passivierung von Defekten nach der Temperung zu beobachten.Allerdings fällt die Reduktion der Kompensation in diesen Proben deutlich geringer aus. An der Oberfläche der Schicht findet eine heftige Reaktion mitSauerstoff statt, wobei sich Oxide aus Gallium und Indium bilden. Mit SIMS- (Secondary Ion Mass Spectroscopy) Messungen kann die Dicke dieserOxidschicht zu 200 nm abgeschätzt werden. Im Volumen ist dagegen ein starker Galliumverlust zu beobachten. Es wird gefolgert, dass die Oxidschicht denSauerstofftransport ins Volumen blockiert und so die Passivierung der VSe Donatoren verhindert. Im Rahmen eines Forschungsaufenthaltes am Center for Microelectronics Research in Tampa (USA) wurden Solarzellen mit Ultraschall behandelt. In dieserersten systematischen Behandlung von CuInSe2-Solarzellen kann gezeigt werden, dass der Ultraschall einen starken Einfluss auf den Wirkungsgrad hat.Außerdem kann in SIMS-Messungen eine deutliche Veränderung der Natriumverteilung nachgewiesen werden. Natrium spielt eine entscheidende Rolle bei derPassivierung von Korngrenzen. In dieser Arbeit wird das Potential der Ultraschallbehandlung zur Verbesserung des Solarzellenwirkungsgrades beschrieben.