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Untersuchungen an CuIn(Ga)Se2-Dünnschichten und Solarzellen

Dirnstorfer, Ingo


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URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-2019
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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: I. Physikalisches Institut
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 16.12.1999
Erstellungsjahr: 1999
Publikationsdatum: 11.01.2000
Kurzfassung auf Deutsch: Im Rahmen dieser Arbeit werden CuInSe2-Schichten aus dem RTP-Prozess (RTP: rapid thermal processing) und CuIn(Ga)Se2-Schichten aus dem
Koverdampfungsprozess untersucht. Die Schichten werden in verschiedenen Gasatmosphären getempert mit dem Ziel Defekte umzuwandeln und dabei zu
charakterisieren. 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 ist
das Spektrum nahezu identisch mit dem einer Cu-reichen Schicht. Eine genauere Untersuchung der Schichteigenschaften mit optischen und elektrischen
Messmethoden zeigt, dass durch die Reaktion mit Sauerstoff die Donatorkonzentration deutlich reduziert wird und somit die hohe Kompensation stark
vermindert wird.

Dieser experimentelle Befund erlaubt einen neuen Einblick in die bisher noch wenig bekannten Defekte der In-reichen CuInSe2-Schichten. Mit
Positronenannihilations-Experimenten kann weiter gezeigt werden, dass durch die Temperung donatorartige Selenleerstellen (VSe) in OSe Akzeptoren
umgewandelt 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 den
dominanten Donatoren mit einer Aktivierungsenergie von EA = 10 meV und die Kupferleerstelle den Akzeptoren mit EA = 75 meV. Das völlig unterschiedliche
Verhalten 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 bei
1018 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 mit
Sauerstoff statt, wobei sich Oxide aus Gallium und Indium bilden. Mit SIMS- (Secondary Ion Mass Spectroscopy) Messungen kann die Dicke dieser
Oxidschicht zu 200 nm abgeschätzt werden. Im Volumen ist dagegen ein starker Galliumverlust zu beobachten. Es wird gefolgert, dass die Oxidschicht den
Sauerstofftransport 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 dieser
ersten 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 der
Passivierung von Korngrenzen. In dieser Arbeit wird das Potential der Ultraschallbehandlung zur Verbesserung des Solarzellenwirkungsgrades beschrieben.
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