Characterization of Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells by means of Atom Probe Tomography
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Innerhalb des Projekts wurde der Na-Effekt in CIGS-Schichten und –Solarzellen untersucht. Die Diffusion von Natrium in CIGS-Schichten wurde mit Hilfe von SIMS- und APT-Messungen gezielt analysiert. APT-Messungen zeigten, dass selbst bei einer Ausheiztemperatur von nur 160 °C Natrium nicht nur entlang von Korngrenzen diffundiert, sondern sogar schon in das CIGS-Volumen eindiffundiert. Die Na-Konzentration im Volumen der CIGS-Körner steigt hierbei mit der Ausheiztemperatur während der Diffusion an. Durch Anpassung der Na-Diffusionsprofile gelang es, die Diffusionskoeffizienten und die zugehörigen Aktivierungsenergien EA(Volumen) = 0.36 eV für die Diffusion von Natrium im CIGS-Volumen und EA(Korngrenze) = 0.21 eV entlang der Korngrenzen zu bestimmen. Durch Vergleich mit der Theorie konnte ein Modell für die Diffusion von Natrium in CIGS- Schichten entwickelt werden. Natrium diffundiert zunächst über Zwischengitterplätze durch das CIGS-Volumen. Trifft es dabei auf eine Kupfer-Leerstelle, wird es von dieser eingefangen und bildet einen neutralen Defekt NaCu0. Trifft es auf den Donator InCu2+, kann es In vom Kupferplatz vertreiben, beseitigt den Donator und erhöht somit die Netto-p-Dotierung. Die Natriumquelle während der Diffusion hat einen entscheidenden Einfluss auf den Natriumgehalt in der CIGS-Schicht und auf die Zelleigenschaften. Bei Verwendung von elementarem Natrium wurde ein um den Faktor 18 höherer Natriumgehalt in der CIGS-Schicht gemessen als bei Verwendung von Natriumfluorid als Natriumquelle. Weiterhin zeigte sich, dass es bei der Verwendung von elementarem Natrium zu einer Zersetzung der CIGS-Phase an der Oberfläche der CIGS-Schicht kommt, wobei sich Kupferselenid (Cu2-xSe) bildet, was zum Kurzschluss von mit elementarem Natrium dotierten CIGS-Zellen führte. Bei der NaF-Nachbehandlung dagegen fand keine Phasenumwandlung an der CIGS-Oberfläche statt, so dass diese Methode zur gezielten Dotierung von CIGS-Schichten mit Na geeignet ist. Durch eine gezielte Dotierung mit Natrium konnte der Wirkungsgrad von CIGS-Zellen von 9.1 % auf 13.9 % (also um 53% relativ) gesteigert werden. Die Leitfähigkeit von CIGS-Schichten steigt mit der Na-Konzentration in der CIGS-Schicht an. Die Aktivierungsenergie der Leitfähigkeit nimmt mit zunehmender Na-Konzentration in der CIGS-Schicht ab. Gleichzeitig nimmt die Nettodotierung innerhalb der CIGS-Schicht mit der Na-Konzentration zu. Beide Effekte lassen sich innerhalb des Modells der Korngrenzenpassivierung durch Natrium erklären. Gezielte APT-Messungen an Korngrenzen mit unterschiedlicher Orientierung zeigen, dass die Segregation von Natrium an Korngrenzen von der Orientierung abhängig ist. An ∑3-Korngrenzen wurde mit APT keine Anreicherung von Natrium beobachtet, wohingegen sich Natrium an Großwinkel-Korngrenzen stark anreichert. Ein Zusammenhang zur Zelleffizienz ist nicht möglich, da bei den APT-Messungen immer nur eine begrenzte Anzahl von Korngrenzen gemessen wird. Die Anreicherung von Natrium an Korngrenzen wurde nicht nur in der CIGS-Schicht selbst, sondern auch an der Grenzfläche CdS/CIGS beobachtet. Die Na-Konzentration in der CdS- Schicht selbst ist dabei um ein vielfaches höher als in der CIGS-Schicht. Welchen Einfluss dies auf die elektrischen Eigenschaften der CIGS-Solarzelle hat, ist Gegenstand zukünftiger Arbeiten. Die Kathodolumineszenz-Messungen zeigen nur geringe spektrale Unterschiede zwischen NaF-nachbehandelter und Na-freier CIGS-Absorberschicht. Die kleinere Lumineszenzhalbwertsbreite der NaF-behandelten CIGS-Schichten ist ein Hinweis auf eine Verringerung von Potentialfluktuationen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Comparative atom probe study of Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells deposited on soda-lime glass and mild steel substrates” J. Appl. Phys. 110 (2011) 124513
P. Choi , O. Cojocaru-Mirédin, R. Wuerz, and D. Raabe
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.3665723) - “Compositional gradients and impurity distributions in CuInSe2 thin-film solar cells studied by atom probe tomography”. Surf. Interface Anal. 44, 2012, 1386-1388
P. Choi , O. Cojocaru-Mirédin, and R. Wuerz
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/sia.4948) - “Exploring the p-n junction region in Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells at the nanometerscale” Appl. Phys. Lett. 101, 2012, 181603
O. Cojocaru-Mirédin, P. Choi, R. Wuerz, and D. Raabe
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4764527) - “Atom Probe Tomography Studies on the Cu(In,Ga)Se2 Grain Boundaries”. J. Vis. Exp. 74, 2013, e50376
O. Cojocaru-Mirédin, T. Schwarz, P. Choi, M. Herbig, R. Wuerz, and D. Raabe
(Siehe online unter https://doi.org/10.3791/50376) - “Efficiency enhancement of Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells by a post-deposition treatment with potassium fluoride”. Phys. Status Solidi RRL, 7 (2013) 631
A. Laemmle, R. Wuerz, M. Powalla
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssr.201307238) - ”Investigation of the diffusion behavior of sodium in Cu(In,Ga)Se2 layers”. J. Appl. Phys. 115 (2014) 154501
A. Laemmle, R. Wuerz, T. Schwarz, O. Cojocaru-Mirédin, P. Choi, and M. Powalla
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4871457) - “Investigation of the effect of potassium on Cu(In,Ga)Se2 layers and solar cells” Thin Solid Films 582 (2015) 27
A. Laemmle, R. Wuerz, M. Powalla
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.tsf.2014.10.088) - „Dotierung von Cu(In,Ga)Se2 –Schichten mit Natrium und Kalium zur Steigerung des Wirkungsgrads“. Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie, 2015
A. Lämmle
- „On the nano-scale characterization of Cu2ZnSnSe4 thin-films“. Dissertation, RWTH Aachen, 2015
T. Schwarz
