$In_{2}S_{3}$ alternative buffer layers for $Cu(In,Ga)Se_{2}$ solar cells deposited by RF magnetron sputtering

Purvesh, Soni; Raabe, Dierk (Thesis advisor); Cojocaru-Miredin, Oana-Eugenia (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Ein dünnes halbleitendes Material mit einer Dicke von etwa 50 nm, bekannt als Pufferschicht, ist der Schlüssel zum Erreichen hoher Wirkungsgrade in Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe)-Dünnschichtsolarzellen. Eine dünne Pufferschicht verbessert die Lichtempfindlichkeit einer Solarzelle, was den Wirkungsgrad erheblich steigert. Die durch chemische Badabscheidung (CBD) abgeschiedene Cadmiumsulfid (CdS)-Pufferschicht wird kommerziell für großflächige, hocheffiziente CIGSe-Solarzellen verwendet. Die Toxizität von Cadmium (Cd) und der CBD-Abscheidungsprozess machen CdS jedoch für die Produktion in großem Maßstab ungeeignet. Sogenannte "Cd-freie" oder "alternative" Pufferschichten zu CdS, die durch vakuumbasierte Methoden abgeschieden werden, werden von der Photovoltaik (PV)-Community ausgiebig untersucht. Daher untersucht diese Arbeit primär das Potenzial von In2S3 als leistungsfähiges Pufferschichtmaterial, wenn es durch HF-Magnetron-Sputtern abgeschieden wird. HF-Magnetron-gesputterte In2S3-Pufferschichten wurden durch zwei Ansätze abgeschieden: (i) bei "niedrigem Sputterdruck" unter Verwendung von Ar-Ionen-Sputtern und (ii) bei "höherem Sputterdruck" unter Verwendung von reaktivem H2S/Ar-Sputtern. Die mit Ar-Ionen gesputterten In2S3-Pufferschichten erreichten photo-voltaische Umwandlungswirkungsgrade von 13,6 % bei einem Füllfaktor (FF) von 53 %. Die Beschädigung der Absorberoberfläche und die ungleichmäßige Dicke der Pufferschicht waren jedoch die Hauptbeschränkungen, die die Zelleffizienz beeinträchtigten. Das Ausmaß des induzierten Sputterschadens und der Glühen-induzierten Vermischung an der In2S3/CIGSe-Heterogrenzfläche wurde unter Verwendung von Atomsondentomographie abgeschätzt. In2S3-Pufferschichten, die durch reaktives H2S/Ar-Sputtern bei HSP abgeschieden wurden, wiesen eine geringere Beschädigung der Absorberoberfläche auf. Darüber hinaus wurden kristalline In2S3-Dünnfilme mit kleinerer mittlerer Kristallitgröße durch reaktives Sputtern im Vergleich zu den amorphen In2S3-Dünnfilmen durch Ar-Ionen-Sputtern erhalten. Diese verbesserte optoelektronische Leistung mit geringerer Grenzflächenrekombination und höherer Photonensammlung ergibt einen höheren Füllfaktor von 65 % und eine normalisierte Effizienz von 16,33 %. Die Elementvermischung an der In2S3/CIGSe-Heterogrenzfläche für unterschiedliche Glühtemperaturen wurde unter Verwendung von Atomsondentomographie abgeschätzt. Der Effekt der Cu-Selbstdotierung von In2S3 von CIGSe, der Cu-Verarmung von der CIGSe-Oberfläche und der Segregation von Na an der In2S3/CIGSe-Heterogrenzfläche unterdrücken die nachteiligen Defektstellen an der Grenzfläche. Die Passivierung der Defekt-stellen führt zu einer effektiven Ladungsträgersammlung, einer verringerten Rekombination und damit einer besseren Zellleistung. Mit dieser Arbeit wird die Abscheidung von In2S3 als Pufferschichtmaterial durch HF-Magnetron-Sputtern optimiert, um hocheffizientes Pufferschichtmaterial für CIGSe-Solarzellen zu erhalten. Darüber hinaus wird auch eine detaillierte Studie der Chemie der vergrabenen In2S3/CIGSe-Heterogrenzfläche und ihrer Wirkung (vorteilhaft/schädlich) auf die elektrischen Eigenschaften und die Zellleistung vorgestellt.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehrstuhl für Werkstoffphysik und Institut für Metallkunde und Materialphysik [523110]