Nano-Charakterisierung von Grenzflächendefekten in Chalkopyrit-Dünnschichtsolarzellen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Harry Mönig
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387562434

Für Chalkopyrit-Dünnschichtsolarzellen auf Basis von polykristallinen Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) und Cu(In,Ga)(Se,S)2 (CIGSSe) Absorbern konnten in den letzten Jahren Effizienzsteigerungen bis 23,4% erreicht werden. Dennoch sind Chalkopyrit-Solarzellen bei Weitem nicht so gut verstanden wie beispielsweise Zellen auf Basis polykristallinen Siliziums. Viele offene Fragen hängen dabei eng mit der komplexen Defektphysik des Chalkopyrit-materials zusammen. Die Grenzflächeneigenschaften zwischen dem p-leitenden Absorber und der n-leitenden Fensterschicht, die durch eine dünne Pufferschicht mediiert werden, sind hier von besonderer Bedeutung, da es dort durch eine erhöhte Defektdichte verstärkt zu Rekombinationverlusten kommen kann. So wurden die jüngsten Wirkungsgradrekorde durch das Einbringen von Alkalimetallen an dieser Grenzfläche erreicht, wobei die Ursachen für die Effizienzsteigerungen noch immer unklar sind. Daher ist für eine wissensbasierte Optimierung dieser Solarzellen eine Charakterisierung elektronischer Defektniveaus an dieser Grenzfläche dringend erforderlich. Die Untersuchung elektronischer Defektniveaus in Halbleitern erfolgt meist durch integrale spektroskopische Methoden, bei denen es sich jedoch schwierig gestaltet, bestimmte spektrale Signaturen dem Volumen oder einer bestimmten Grenzfläche zuzuordnen. Zusätzlich zeigt das polykristalline Chalkopyrit-Material ausgeprägte laterale Inhomogenitäten, die eine solche Analyse erschweren. Wie durch die vergangene Projektperiode erfolgreich gezeigt wurde, bieten Experimente durch Rastertunnelspektroskopie einen alternativen Zugang, der insbesondere eine hohe laterale Auflösung umfasst. Hierdurch konnten umfassende Erkenntnisse zur spektralen Defektverteilung und zu lateralen Bandverbiegungen sowohl an unbehandelten Chalkopyritoberflächen, als auch nach verschiedenen Behandlungsschritten, die bei der Herstellung der Solarzellen relevant sind, gewonnen werden. Auf Basis dieser Vorarbeiten richtet sich der Fokus des Projekts nun auf das komplexere Selenid/Sulfid-Absorbersystem CIGSSe in Verbindung mit Zn(O,S)-Pufferschichten, womit die neuesten Rekordeffizienzen erreicht wurden. Die für das Projekt methodisch zentrale Rastertunnelspektroskopie wird durch Photoelektronenspektroskopie-Techniken ergänzt, wobei durch die sehr ähnlichen Informationstiefen stark korrelierte Ergebnisse zur Defektphysik am p/n-Übergang der Solarzellen gewonnen werden können. Dabei ist ein wesentliches Ziel, den Einfluss der Alkalibehandlungen in Verbindung mit Zn(O,S)-Pufferschichten bezüglich elektronischer Defektniveaus und entsprechenden Rekombinationsverlusten im Detail zu verstehen. Die Ergebnisse des Forschungsprojektes werden wichtige Einblicke in die lokal aufgelösten Grenzflächeneigenschaften von Chalkopyrit-Dünnschichtsolarzellen geben und damit wichtige Erkenntnisse zur Optimierung technologisch relevanter Herstellungsverfahren beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen