Impurity and self-diffusion related to the copper sublattice in CIGSe thin-film solar cells

• Applicant: Professor Dr. Nicolaas A. Stolwijk (†)
• Subject Area: Thermodynamics and Kinetics as well as Properties of Phases and Microstructure of Materials ; Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
• Term: from 2010 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 172233413

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Die im Rahmen dieses Vorhabens durchgeführten Arbeiten ermöglichten die Aufklärung der Diffusionsmechanismen relevanter Fremdelemente in CI(G)Se-Schichten, was somit eine solide Grundlage für Verbesserungen an entsprechenden Dünnschicht-Solarzellen bietet. Im zweiten Teil des Projektes wurden unter anderem folgende Teilziele erreicht: I. Grundlegende Charakterisierung des Diffusions- und Segregationsverhalten von Na sowie die Bestimmung der Diffusionskoeffizienten von Cd und Zn und die Identifizierung des Diffusionsmechanismus. II. Charakterisierung des Diffusionsverhaltens von Ag sowie die Bestimmung von Diffusionskoeffizienten. III. Die Zusammenhänge zwischen der anomalen Fremddiffusion von Na und Ag und der Defektstruktur in CI(G)Se wurden erforscht, mit dem Fokus auf der Rolle der Korngrenzen am Fremdatomtransport. IV. In einer Reihe von detaillierten Messungen wurde der Einfluss von Oberflächenrauheit und Grenzflächen bei der Radiotracermethode auf die Gestalt der Diffusionsprofile und auf den Wert des errechneten Diffusionskoeffizienten erforscht und dokumentiert. Die Diffusion von Ag in CI(G)Se wurde über das Temperaturinterval von 573 K bis 648 K mittels Radiotracer-Technik untersucht. Die erzielten Ergebnisse unterstützen die Dominanz der Volumendiffusion in diesem Temperaturintervall mit nur kleinen zusätzlichen Beiträgen des atomaren Transports von Ag-Atomen entlang von Korngrenzen. Obwohl die bestimmte Aktivierungsenergie der Ag-Diffusion in CIGSe vergleichbar mit der Aktivierungsenergie von Zn Volumendiffusion ist, ist die absolute Rate der Ag-Diffusion signifikanter schneller als die Diffusionsraten von Zn, Fe oder Cd. Wir haben gezeigt, dass die CIGSe/Mo Grenzfläche eine wirksame Barriere für die Diffusion der Ag-Atomen bietet, so dass sich eine ausgeprägte Anreichung von Ag Atomen an der Grenzfläche bildet und ein damit verbundener Fluss von der Grenzfläche zurück in die CIGSe-Schicht stattfindet.

Publications

• Impact of surface roughness on tracer depth profiling and its implications for 109Cd and 65Zn diffusion experiments in solar-grade Cu(In,Ga)Se2 layers. Appl. Surf. Sci. 307 (2014) 428-437
  T. Eschen, K. Hiepko, J. Bastek, N.A. Stolwijk
  
• Radiotracer diffusion of Ag in Cu(In,Ga)Se2 thin films Thin Solid Films, 633 (2017), 31-34
  M. Wegner, F. Wilangowski, R. Wuerz, N.A. Stolwijk