Analysis of alkali-treated Cu(In,Ga)Se$_\text{2}$ solar cells with numerical simulations and capacitive spectroscopy
Creators: name: Helder, Tim
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: solar cell
CIGS
defects
DLTS
numerical simulation
FEM
loss analysis
alkali
RbF

description: Das globale Ziel dieser Arbeit war es, ein präzises digitales Modell einer Cu(In,Ga)Se$_2$ (CIGS)-Solarzelle aufzubauen. Dazu wurde eine Simulationssoftware entwickelt, die es ermöglicht, grundlegende Charakteristiken des Heteroübergangs abzubilden. Aufbauend auf den fundamentalen Drift-Diffusions Gleichungen wurden die wichtigsten physikalischen Zusammenhänge in die Software implementiert, um eine CIGS-Solarzelle auf der Ebene der Halbleiterphysik zu beschreiben. Dabei sollten die verwendeten Materialparameter möglichst nahe an der Realität liegen. Viele Parameter sind bekannt, eine große Unsicherheit liegt jedoch in der Beschreibung der elektrischen Defekte im CIGS-Halbleiter. Diese führen über Shockley-Read-Hall (SRH)-Rekombination zu dem dominanten Leistungsverlust in der Solarzelle. Im CIGS-Material können diese Defekte eine Vielzahl von möglichen Ursprüngen haben und je nach Prozess oder Beschichtungsanlage unterschiedlich auftreten. Eine genaue Beschreibung im numerischen Modell ist jedoch unabdingbar, um die genauen Verlustmechanismen und die Höhe der Verluste zu spezifizieren. Für eine genaue und umfassende Kenntnisse über die Defekte im CIGS-Material, wurden CIGS Schichten aus verschiedenen Anlagen, hergestellt mit unterschiedlichen Prozessarten, untersucht. Dazu wurden innerhalb dieser Arbeit Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS)-Messungen für die Verwendung an CIGS Solarzellen angepasst. DLTS stellt eine sehr sensitive Methode dar, Störstellen in Halbleiter-Materialien äußerst exakt zu vermessen. Für genaue und belastbare Messungen wurde eine spezielle Messprozedur entwickelt sowie geeignete Werte der Messparameter identifiziert. Damit wurden schlussendlich die charakteristischen Eigenschaften Defektdichte, energetische Lage, Wirkungsquerschnitt und Defekttyp in den unterschiedlichen Proben bestimmt. Die Ergebnisse konnten dann als Input-Parameter in der Software übernommen werden und so die Defekte auf numerischer Ebene abgebildet werden. Ein zentraler Punkt dieser Arbeit war es außerdem, mit Hilfe des numerischen Models den Einfluss von Rubidium, das durch ein Rubidiumfluorid (RbF) postdeposition treatment (PDT) Schritt eingebracht wurde, auf die Defekte und deren Eigenschaften zu untersuchen. Dazu wurden im ersten Schritt grundlegende Messungen an vereinfachten CIGS-Proben ohne Bandlücken-Gradienten durchgeführt, die mit unterschiedlichen Alkalielementen behandelt wurden. Dadurch konnten den einzelnen Alkalielementen charakteristische Signaturen in den DLTS-Messungen zugeordnet werden. Mit dieser Grundlage wurden verschiedene Probenreihen an CIGS-Solarzellen aus einer produktionnahen Inline-Beschichtungsanlage vermessen. Im CIGS-Material konnten zwei signifikante Störstellen (ein Minoritätendefekt und ein Majoritätendefekt) in der Mitte der Bandlücke identifiziertwerden, die aufgrund ihrer energetischen Lage, potentielle Rekombinationszentren darstellen. Es konnte nachgewiesen werden, dass eine PDT-Behandlung des CIGS-Materials die Defektdichte des einen Minoritätsdefekts um den Faktor drei reduziert, der Majoritätsdefekt jedoch nicht beeinflusst wird. Dieses unterschiedliche Verhalten konnte auf den räumlichen Ursprung der Defekte zurückgeführt werden. Während der vom PDT beeinflusste Defekt wahrscheinlich an Korngrenzen vorliegt, wo das Rubidium vorzugsweise segregiert, ist der zweite Defekt homogen in der Schicht verteilt. Die experimentellen Ergebnisse wurden in numerischen Simulationen verifiziert und Strategien für weitere Entwicklungsschritte ausgearbeitet. Aktuell von großem Interesse ist die Entwicklung von (Ag,Cu)(In,Ga)Se2 (ACIGS)-Solarzellen, bei denen ein Teil des Kupfers durch Silber substituiert wird. In ACIGS-Zellen mit geringem Silberanteil konnten ähnliche Defektewie im CIGS nachgewiesen werden, einen Einfluss auf diese durch ein RbF-PDT konnte jedoch nicht direkt verifiziert werden. Das ist zum Großteil auf ein starkes Signal von einem Dotierlevel zurückzuführen, dessen energetische Lage und Dichte sich systematisch mit dem Rb-Gehalt erhöhen. Während dieses Signal die DLTS-Messungen der ACIGS-Proben dominiert, ist es in silberfreien CIGS-Proben nicht nachzuweisen. Bei der Untersuchung von ACIGS-Solarzellen wurde jedoch auch ein signifikant unterschiedliches Performance-Verhalten im Vergleich zu (silberfreien) CIGS-Solarzellen beobachtet. Der Grund hierfür liegt in einem geänderten Dotierverhalten und einer parasitären Energiebarriere am CIGS/Puffer Übergang. Auch hier konnten die Effekte durch numerische Simulationen belegt und die Ergebnisse auf weitere Wirkungsgrad Verbesserungen hin untersucht werden. Diese Ergebnisse zeigen, wie mit Hilfe von numerischen Simulationen und geeigneten Input Daten, digitale Experimente durchgeführt, physikalische Grenzen aufgetan und reale Effekte analysiert werden können. Mit robusten Input Daten können insbesondere die auftretenden Verluste in einer CIGS-Solarzelle bestimmt und somit die experimentelle Forschung und Entwicklung von Dünnschicht Solarzellen unterstützt werden.