Atomare Untersuchung der internen Schnittstellen in Cu (In, Ga) Se2 Solarzellen

 

A. Korngrenzen

SEM-Bild des CIGS-Solarzellenstapels Urheberrecht: I. Physikalisches Institut A Abbildung 1: (a) SEM-Bild des CIGS-Solarzellenstapels. (b) SEM-Bild der in der ROI aufgebauten Spitze. (c) 3D rekonstruiertes Atomvolumen der Nadelformprobe, die die Verteilung aller vorhandenen Elemente zeigt. (d) Konzentrationsprofil über die KG.

Atomsondentomographie (APT) ist eine hochauflösende Mikroskopie-Technik, die in der Lage ist Materialien in Sub-Nanometer-Skala aufzulösen. Beispielhaft ist dies hier für eine CIGS (Cu (In, Ga) Se2) Solarzelle gezeigt, die in ihrer polykristallinen Form im Vergleich zum monokristallinen Gegenstück effizienter ist. Die positiven/ schädlichen Eigenschaften der Korngrenzen (KGs) in CIGS hatten die Forscher im letzten Jahrzehnt verwirrt [1,2]. Ein KG ist eine Schnittstelle zwischen zwei Körnern, die sich um eine oder mehrere Atomebenen erstrecken, daher ist die Breite einer KG lediglich wenige Angström. Dank APT, welches die Erfassung der Atomverteilung in 3D ermöglicht, sind sehr lokale Informationen über die elementaren Schwankungen möglich. Dieses hervorragende Potential von APT wird z. B. mit der Elektronen-Rückstreulichtbeugung (EBSD) -Technik direkt auf der gleichen nadelförmigen Probe kombiniert, um die Interdependenz zwischen der Struktur der KG (d.h. dem Fehlorientierungswinkel und der KG-Ebene) und dem Segregationsverhalten zu erhalten [3]. Abbildung 1 (b) zeigt eine EBSD-Karte einer APT-Nadel, die eindeutig den Ort und die Struktur der untersuchten KG zeigt. Die APT 3D-Karte (Abbildung 1c) zeigt die 3D-Darstellung der Atomverteilung in der Nähe einer KG in CIGS. Es wird deutlich beobachtet, dass KGs in CIGS durch Na-Atome verziert sind. Na-Atome wurden nicht absichtlich zu den dünnen Filmen zugegeben, sondern wurden aufgrund der Ausdiffusion aus dem Natronkalk-Glassubstrat getrennt. Die Anwesenheit von Na an den GBs war auch mit der verbesserten Effizienz der Zelle verbunden, die eine passivierende Rolle spielt [4]. Darüber hinaus könnte das Konzentrationsprofil in Abbildung 1d mit einer Sub-Nanometer-Präzision extrahiert werden.

 

B. Puffer/Absorber Interface

Tandem structure of a CIGS solar cell and sputter tool Urheberrecht: I. Physikalisches Institut A Figure 2: (a) Tandem structure of a CIGS solar cell and (b) sputter tool used for the deposition of buffer layer, window layer and front contacts

Eine weitere wichtige interne Schnittstelle, die eine entscheidende Rolle für die Geräteeffizienz spielt, ist der p-n Übergang.


Pufferschichten sind üblicherweise II-V- oder II-VI-Typ-Halbleiter, typischerweise 50-100 nm dick und bilden zusammen mit der CIGS-Schicht den p-n-Übergang in Solarzellen. Pufferschichten sind in CIGS-Solarzellen sehr entscheidend, da sie bei der Bildung einer günstigen Bandausrichtung und einer guten Gitterfehlanpassung helfen, die Rekombination zu minimieren und damit den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen [5]. Die am häufigsten verwendete Pufferschicht in CIGS-Solarzellen ist CdS, die hauptsächlich chemisch abgeschieden wird. Dieses Abscheidungsverfahren erzeugt jedoch eine große Menge an toxischen CdS-Abfällen. Zusammen mit der Notwendigkeit, den Nasslösungsprozess zu eliminieren, sucht die Industrie und die Photovoltaik-Community nach alternativen Materialien zu CdS-Puffer. Indiumsulfid (In2S3) ist eine der besten alternativen Pufferschichten mit ähnlichen optoelektronischen und strukturellen Eigenschaften gegenüber CdS. Auch wird die nasse CBD durch eine Sputterablagerung von Pufferschichten ersetzt, was vorteilhaft ist, da sie eine großtechnische Integration in das Trockenvakuum-basierte In-line-Verfahren ermöglicht [6].
Figure 2: (a) Tandem structure of a CIGS solar cell and (b) sputter tool used for the deposition of buffer layer, window layer and front contacts
Unsere Arbeit konzentriert sich auf die Optimierung von gesputterten alternativen Pufferschichtwerkstoffen wie In2S3 und Zn (S, O). Durchschnittliche Wirkungsgrade von über 11% für ein Mini-Modul und 13,6% für einzelne Zelle wurden für gesputterte In2S3-Pufferschichten erhalten. Allerdings gibt es noch eine große Verbesserung der Effizienz durch weitere Optimierung von Puffer-, i-ZnO- und Al-dotierten ZnO-Schichten. Elektrische Messungen wie Licht / Dunkel IV und EQE Messungen werden durchgeführt. Kompositionsmerkmale werden hauptsächlich mit EDX und APT auf abgeschlossenen CIGS-Solarzellen durchgeführt. APT erlaubt es uns, die elementare Verteilung über den p-n-Übergang [7] genau zu schätzen, was bei keiner anderen Charakterisierungstechnik möglich ist. Nadelförmige Proben werden aus den CIGS-Solarzellen hergestellt, die den p-n-Übergang mit In2S3 an der Spitze der APT-Probe enthalten. Die genaue Schätzung der Grenzflächendicke, die Vermischung von Elementen und die Diffusion verschiedener Elemente in Bezug auf ihre Abscheidungs- und Nachverarbeitungsbedingungen können durch APT genau bestimmt werden. Abbildung 3 (a) zeigt die APT-Elementverteilung an der CIGS / In2S3-Schnittstelle mit ~ 90 nm dicker In2S3-Pufferschicht aus der Probe mit Wirkungsgrad über 11%. Abbildung 3 (b) zeigt das Näherungshistogramm mit einer 0,2 nm Behältergröße für die Schnittstelle. Die Schnittstelle liegt am Kreuzungspunkt zwischen Se (rot) und S (gelb), da sie bei niedrigen Temperaturen meist nicht interdiffundieren. Die Breite der Grenzfläche beträgt etwa 2 nm, wobei die Ga-Konzentration von 8 at.% auf der CIG-Seite auf 0 at.% auf der In2S3-Seite abfällt.

  3D-Elementar-Karte Urheberrecht: I. Physikalisches Institut A 3D-Elementar-Karte von (a) In2S3 / CIGS-Schnittstelle und dem jeweiligen Proximity-Histogramm (b) farbcodiert als Cu (blau), In (rosa), Gallium (orange), Selen (rot) Schwefel (gelb) Zink ( Grau) und Sauerstoff (hellblau).
 
 

References:

[1] W. N. Shafarman, R. Klenk, and B. E. McCandless, J. Appl. Phys. 79, 7324 (1996).

[2] S. Ishizuka, K. Sakurai, A. Yamada, H. Shibata, K. Matsubara, M.Yonemura, S. Nakamura, H. Nakanishi, T. Kojima, and S. Niki, Jpn. J. Appl. Phys., Part 2 44, L679 (2005).

[3] A. Stoffers, O. Cojocaru-Mirédin, W. Seifert, S. Zaefferer, S. Riepe, and D. Raabe, Prog. Photovolt: Res. Appl. 23, 1742 (2015).

[4] O. Cojocaru-Mirédin, P. Choi, R. Wuerz, and D. Raabe, Ultramicroscopy 111, 552 (2011).

[5] N. Naghavi, D. Abou-Ras, N. Allsop, N. Barreau, S. Bücheler, A. Ennaoui, C.-H. Fischer, C. Guillen, D. Hariskos, J. Herrero, R. Klenk, K. Kushiya, D. Lincot, R. Menner, T. Nakada, C. Platzer-Björkman, S. Spiering, A. N. Tiwari, and T. Törndahl, Prog. Photovolt: Res. Appl. 18, 411 (2010).

[6] http://www.avancis.de/en/press/news/article/avancis-erzielt-erneuten-wirkungsgradrekord-fraunhofer-ise-zertifiziert-cigs-solarmodul-mit-wirkung/

[7] O. Cojocaru-Mirédin, P. Choi, R. Wuerz, and D. Raabe, Applied Physics Letters 101, 181603 (2012).