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AlkaCIGS - Effekte von Alkali-Elementen in Cu(In,Ga)Se2 Dünnschichten und Solarzellen

Antragsteller Dr. Roland Würz
Fachliche Zuordnung Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Förderung Förderung von 2017 bis 2022
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 381204229
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Innerhalb des Projekts wurde der positive Alkali-Effekt von Natrium (Na) und Kalium (K) in Cu(In,Ga)Se2-Dünnschichten und –Solarzellen (CIGS) untersucht und verglichen. Dies gelang durch Herstellung von alkalifreien CIGS-Schichten und –Solarzellen als Referenzen und gezielte Einbringung von Na und K mit Hilfe eines Post-Deposition-Prozesses (PDT) erst nach dem CIGS-Wachstum. Die elektrischen Messungen zeigten, dass schon sehr geringe Na- Konzentrationen ausreichen, um tiefe Defekte in der CIGS-Schicht zu passivieren und so den Wirkungsgrad von Solarzellen zu steigern. Viele Ergebnisse der unterschiedlichen elektrischen Messmethoden an den CIGS-Schichten als auch an den Solarzellen lassen sich mit einem Barrierenmodell an Korngrenzen (KG) erklären. In dem Modell fangen Donatorartige Defekte an den Korngrenzen Löcher aus dem Volumen ein und führen somit zur Ausbildung von elektrischen Barrieren an den KG für den Transport von Löchern. Bei Alkalifreien CIGS-Schichten sind diese Barrieren an den KG mit einer Barrierehöhe EB von 340 meV sehr hoch. Beim Einbau von Na in die CIGS-Schicht werden diese Donator-artigen Defekte an den Korngrenzen passiviert und die Barrierenhöhe wird auf Werte bis zu 40 meV abgesenkt, so dass die Löcher die Barriere leicht überwinden können. Mit zunehmender Na-Konzentration in der CIGS-Schicht nimmt die Barriere also ab und führt zu einer Erhöhung der Mobilität und somit der Leitfähigkeit als auch der Ladungsträgerdichte in der CIGS-Schicht. Die Zunahme der Leerlaufspannung mit steigender Natriumkonzentration lässt sich nicht allein mit einer Zunahme der Ladungsträgerdichte durch Na erklären, sondern nur durch eine zusätzliche Passivierung von Defekten in der CIGS-Schicht durch Na. Prinzipiell zeigen Na und K ähnliche Effekte: Mit zunehmender Alkali-Konzentration in der CIGS-Schicht steigen der Wirkungsgrad der Solarzellen, die Netto-Ladungsträgerdichte und die Leitfähigkeit der CIGS-Schichten an. Allerdings erweist sich Na als wesentlich effektiver, denn 4-mal kleinere Na Konzentrationen sind ausreichend im Vergleich zu K, um die gleichen elektrischen Effekte zu erzielen wie K. Bei Dotierung mit Na nimmt der Wirkungsgrad monoton mit der Temperatur während des PDT (TPDT) zu. Dagegen bricht bei einem KF-PDT bei TPDT kleiner gleich 150°C der Wirkungsgrad massiv ein. Dieser Effekt wurde mit der unterschiedlichen Reaktivität von Na und K erklärt. Bei einem NaF-PDT bilden sich im hier untersuchten Parameterraum keine Fremdphasen an der CIGS-Oberfläche. Dagegen wurde bei einem KF-PDT die Bildung von Fremdphasen an der CIGS Oberfläche beobachtet: Bei einem KF-PDT bei 340°C bilden sich an der CIGS-Oberfläche K-In-Se Bindungen, die sich elektrisch positiv auswirken. Hingegen wurde bei einem KF-PDT bei 100°C die Bildung von Cu-S Bindungen an der CIGS-Oberfläche beobachtet, die zu dem starken Einbruch des Wirkungsgrads bei einem KF-PDT unterhalb von 150°C führen. Ähnlich wie Na diffundiert K sowohl in die Korngrenzen also auch in das Volumen der Körner der polykristallinen CIGS-Schichten. Bereits bei TPDT = 100°C wurde die Diffusion in das Volumen des Korns beobachtet. Durch Anpassung der K-Diffusionsprofile gelang es, die Diffusionskoeffizienten für die Diffusion von K ins CIGS-Volumen und entlang der Korngrenzen sowie die zugehörigen Aktivierungsenergien EA(Volumen) = 0.39 eV EA(Korngrenze) = 0.32 eV zu bestimmen. Der Vergleich der K-Diffusion mit der Na-Diffusion zeigt, dass K bei gleichen Diffusions-Bedingungen weniger tief in das Volumen und in die Korngrenzen der CIGS-Körner eindiffundiert, aber die Konzentration von K in der CIGS- Schicht insgesamt viel größer ist als die von Na. Grund dafür ist vermutlich die geringere Gitterenergie von KF im Vergleich zu NaF. Hierdurch wird K während des PDT viel leichter aus KF freigesetzt als Na aus NaF, so dass bei gleichem TPDT mehr K in die CIGS Schicht eindiffundieren kann als Na bei einem NaF PDT.

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