Microscopic transport model for real solar cell structures: Impact of structural disorder and defects on the charge carrier transport and dynamics in CuIn1-xGaxSe2
Final Report Abstract
Das Verbund-Projekt zwischen der Universität Halle (Prof. Scheer) und der Universität Magdeburg (Bertram/Prof. Christen) hatte zum Ziel, die Mikrostruktur in dünnen Schichten des Chalkopyrit-Halbleiters Cu(In,Ga)Se2 aufzuklären und ein Mikrostrukturmodell für den Ladungsträger-Transport in Solarzellen aufzustellen. Das Mikrostrukturmodell beschreibt die lokalen opto-elektronischen Eigenschaften dieses Verbindungshalbleiters, der durch einen hohen Unordnungsgrad charakterisiert ist. Das Mikrostrukturmodell wurde verifiziert, indem die Ergebnisse im Rahmen des Projektes durchgeführter orts-zeit-spektralaufgelöste Lumineszenz-Experimente sowie Ladungstransport-Experimente mit der Methode der Finiten-Elemente simuliert und verglichen wurden. Durch die Kombination von Experiment und Simulation wurde die Beeinflussung des Ladungsträgertransports durch den Unordnungsgrad des Mischsystems Cu(In,Ga)Se2 eingehend erforscht. Die Arbeiten zum Einfluss von Unordnung sind grundlegender Natur und lassen sich auf andere Materialsysteme übertragen. Gegenstand des experimentellen Projektteils war die Ermittlung lokaler Inhomogenitäten, deren Abhängigkeit von der chemischen Komposition und deren Einfluss auf den Ladungsträgertransport. Der Unordnungsgrad wurde durch Wahl der Präparationsbedingungen wie kristallines/amorphes Substrat, chemische Zusammensetzung, Korngröße systematisch variiert. Für das Projekt wurden Probenserien mit zunehmendem Unordnungsgrad herangezogen. In einer Eingangsanalyse wurden zunächst makroskopische Parameter, wie integrale Defektdichten, Korngrößen etc. bestimmt. Im Hauptteil des Projektes wurden dann mittels orts-zeit-spektral-aufgelöster Kathodolumineszenz die lokalen strukturellen und optischen Eigenschaften temperatur- und anregungsabhängig erforscht. Insbesondere wurden mittels Time-of-Flight Messungen die lokale Lebensdauer und Diffusionslänge der Überschussladungsträger in Strukturen mit steigendem Unordnungsgrad und steigender Komplexität bestimmt. Diese geben einen direkten Zugang auf die dominanten Streumechanismen der Ladungsträger im Absorber und gestatteten so in enger Kooperation ein konsistentes mikroskopisches Transportmodell zu entwickeln. Die gewonnenen Ergebnisse flossen in die Entwicklung eines mikroskopischen Transportmodells ein. Auf der Basis dieses Modells simulierten 3-dimensionale Finite-Elemente-Rechnungen die Ergebnisse zum Ladungstransport und verifizierten das Mikrostrukturmodell. Gleichzeitig wurden Solarzellenparameter berechnet und mit dem Experiment verglichen. Die Ergebnisse wurden veröffentlicht und stehen auch anderen Wissenschaftlern zur Verfügung.
Publications
- Investigation of carrier transport in CIGSe by highly spatially, spectrally, and time resolved cathodoluminescence microscopy, ICTMC-20, Halle (Saale), Germany
M. Müller, M. Müller, T. Hölscher, S. Zahedi-Azad, M. Maiberg, F. Bertram, R. Scheer, and J. Christen
- Investigation of Carrier Transport in CuInGaSe2 by Highly Spatially, Spectrally, and Time Resolved Cathodoluminescence Microscopy, DPG Frühjahrstagung, Dresden, Germany
M. Müller, M. Müller, T. Hölscher, S. Zahedi-Azad, M. Maiberg, F. Bertram, R. Scheer, and J. Christen
- Investigation of Carrier Transport in CuInGaSe2 by Highly Spatially, Spectrally, and Time Resolved Cathodoluminescence Microscopy, MRS Spring Meeting, Phoenix (AZ), USA
M. Müller, M. Müller, T. Hölscher, S. Zahedi-Azad, M. Maiberg, F. Bertram, R. Scheer, and J. Christen
- Investigation of carrier transport in CuInGaSe2 by highly spatially, spectrally, and time resolved cathodoluminescence microscopy, SPIE Photonics West, San Francisco (CA), USA
M. Müller, M. Müller, T. Hölscher, S. Zahedi-Azad, M. Maiberg, F. Bertram, R. Scheer, and J. Christen
- Theoretical study of time-resolved luminescence in semiconductors. IV. Lateral inhomogeneities, Journal of Applied Physics 121, 085703 (2017)
M. Maiberg, F. Bertram, M. Müller, and R. Scheer
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4976102) - Two-Dimensional Optical Transport Measurements in CuInGaSe2 by Highly Spatially, Spectrally, and Time Resolved Cathodoluminescence Microscopy, DPG Frühjahrstagung, Berlin, Germany
M. Müller, T. Hölscher, S. Zahedi-Azad, M. Maiberg, F. Bertram, R. Scheer, and J. Christen
