Dirk Hauschild

• In this thesis, thin-film solar cells on the basis of Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGSSe) were investigated. Until today, most high efficient CIGSSe-based solar cells use a toxic and wetchemical deposited CdS buffer layer, which doesn’t allow a dry inline production. However, a promising and well-performing alternative buffer layer, namely indium sulfide, has been found which doesn’t comprise these disadvantages. In order to shed light on these well-performing devices, the surfaces and in particular the interfaces which play a major role for the chargeIn this thesis, thin-film solar cells on the basis of Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGSSe) were investigated. Until today, most high efficient CIGSSe-based solar cells use a toxic and wetchemical deposited CdS buffer layer, which doesn’t allow a dry inline production. However, a promising and well-performing alternative buffer layer, namely indium sulfide, has been found which doesn’t comprise these disadvantages. In order to shed light on these well-performing devices, the surfaces and in particular the interfaces which play a major role for the charge carrier transport are investigated in the framework of this thesis. Both, the chemical and electronic properties of the solar cells’ interfaces were characterized. In case of the physical vapor deposition of an InxSy-based buffer layer, the cleaning step of the CdS chemical-bath deposition is not present and thus changes of the absorber surface have to be taken into account. Therefore, adsorbate formation, oxidation, and segregation of absorber elements in dependence of the storing temperature and the humidity are investigated in the first part of this thesis. The efficiencies of CIGSSe-based solar cells with an InxSy buffer layer depend on the nominal indium concentration x and display a maximum for x = 42 %. In this thesis, InxSy samples with a nominal indium concentration of 40.2% ≤ x ≤ 43.2% were investigated by surface-sensitive and surface-near bulk-sensitive techniques, namely with photoemission spectroscopy (PES) and x-ray emission spectroscopy (XES). The surfaces of the films were found to be sulfur-poor and indium-rich in comparison with stoichiometric In2S3. Moreover, a direct determination of the band alignment at the InxSy/CISSe interface in dependence of the nominal indium concentration x was conducted with the help of PES and inverse PES (IPES) and a flat band alignment was found for x = 42 %. In order to study the impact of a heat treatment as it occurs during subsequent cell process steps, the indium sulfide-buffered absorbers were annealed for 30 minutes under UHV conditions at 200 °C after the initial data set was taken. Besides a reported enhanced solar cell performance, a significant copper diffusion from the absorber into the buffer layer takes place due to the thermal treatment. Accordingly, the impact of the copper diffusion on the hidden InxSy/CISSe interface was discussed and for x = 40.2% a significant cliff (downwards step in the conduction band) is observed. For increasing x, the alignment in the conduction band turns into a small upwards step (spike) for the region 41% ≤ x ≤ 43.2%. This explains the optimal solar cell performance for this indium contents. In a further step, the sodium-doped indium sulfide buffer which leads to significantly higher efficient solar cells was investigated. It was demonstrated by PES/IPES that the enhanced performance can be ascribed to a significant larger surface band gap in comparison with undoped InxSy. The occurring spike in the Na:InxSy/CISSe band alignment gets reduced due to a Se diffusion induced by the thermal treatment. Furthermore, after the thermal treatment the sodium doped indium sulfide layer experiences a copper diffusion which is reduced by more than a factor of two compared to pure InxSy. Next, the interface between the Na:InxSy buffer layer and the i-ZnO (i = intrinsic, non-deliberately doped), as a part of the transparent front contact was analyzed. The i-ZnO/Na:InxSy interface shows significant interdiffusion, leading to the formation of, e.g., ZnS and hence to a reduction of the nominal cliff in the conduction band alignment. In the last part of this thesis, the well-established surface-sensitive reflective electron energy loss spectroscopy (REELS) was utilized to study the CIGSSe absorber, the InxSy buffer, and annealed InxSy buffer surfaces. By fitting the characteristic inelastic scattering cross sections λK(E) with Drude-Lindhard oscillators the dielectric function was identified. The determined dielectric functions are in good agreement with values from bulk-sensitive optical measurements on indium sulfide layers. In contrast, for the chalcopyrite-based absorber significant differences appear. In particular, a substantial larger surface band gap of the CIGSSe surface of E^Ex_Gap = (1.4±0.2) eV in comparison with bulk values is determined. This provides for the first time an independent verification of earlier PES/IPES results. Finally, the electrons’ inelastic mean free paths l for the three investigated surfaces are compared for different primary energies with theoretical values and the universal curve.…
• Die vorliegende Arbeit untersucht Dünnschichtsolarzellen auf Basis von Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGSSe). Um hohe Effizienzen bei CIGSSe-basierten Solarzellen zu erreichen, wurde bisher meist eine toxische und schlecht in einen Vakuumprozess integrierbare nasschemische CdS Pufferschicht verwendet. Mit Indiumsulfid konnte stattdessen eine vielversprechende alternative Pufferschicht gefunden werden, die diese nachteiligen Eigenschaften von CdS nicht aufweist und Solarzellen mit diesem Puffermaterial zeigen gute bis sehr gute Wirkungsgrade. Um dieDie vorliegende Arbeit untersucht Dünnschichtsolarzellen auf Basis von Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGSSe). Um hohe Effizienzen bei CIGSSe-basierten Solarzellen zu erreichen, wurde bisher meist eine toxische und schlecht in einen Vakuumprozess integrierbare nasschemische CdS Pufferschicht verwendet. Mit Indiumsulfid konnte stattdessen eine vielversprechende alternative Pufferschicht gefunden werden, die diese nachteiligen Eigenschaften von CdS nicht aufweist und Solarzellen mit diesem Puffermaterial zeigen gute bis sehr gute Wirkungsgrade. Um die Ursachen der guten Leistungen herauszufinden, wurden die in der Solarzelle vorkommenden Oberflächen und Grenzflächen, die für den Ladungstransport eine zentrale Rolle spielen, Schritt für Schritt als Modellsysteme charakterisiert. Für einen InxSy-basierten Puffer, der durch die physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht wird, fehlt der Reinigungsprozess der Absorberoberflächen durch die nasschemische CdS Abscheidetechnik. Deshalb müssen Adsorbatbildung, Oxidation und Segregation von Absorberelementen die innerhalb der ersten Tage nach der Herstellung auftreten (je nach Feuchtigkeitsgehalt und Temperatur der Umgebung) berücksichtigt werden. Im ersten Teil der Arbeit werden solche Einflüsse auf die Oberfläche des Absorbers untersucht. Zellen mit einem Indiumsulfidpuffer zeigen Wirkungsgrade, die von der nominellen Indiumkonzentration x abhängen und bei x = 42% ein Optimum aufweisen. Eine stöchiometrische Analyse der InxSy Oberflächen ergab für 40.2% ≤ x ≤ 43.2% eine schwefelarme bzw. indiumreiche Oberfläche im Vergleich zu stöchiometrischem In2S3 (40% In und 60% S). Allerdings zeigen die untersuchten Proben für verschiedene Indiumkonzentrationen im Rahmen der oberflächensensitiven Photoemission (PES) und volumensensitiven Röntgenemission (XES) keine quantitativen Unterschiede. Mit Hilfe der PES und inversen PES (IPES) wurde der Bandverlauf an der InxSy/CISSe Grenzfläche in Abhängigkeit von der Indiumkonzentration untersucht und für x = 42% konnte ein flacher Bandverlauf ermittelt werden. Um den Einfluss des im Herstellungsprozess vorkommenden Temperaturschritts zu untersuchen, wurden die Proben für 30 Minuten auf 200 °C geheizt. Dabei konnte eine signifikante Diffusion von Kupfer aus dem Absorber in den Puffer beobachtet werden. Der Temperaturschritt führt neben der bereits bekannten Effizienzerhöhung vor allem zu einer Verringerung der Bandlücke des Puffers. Der Einfluss der Kupferdiffusion auf die verborgene InxSy/CISSe Grenzfläche wurde analysiert und für x = 40:2% wurde ein deutlicher "Cliff" (Stufe im Leitungsband nach unten) gefunden. Für Indiumkonzentrationen 41% ≤ x ≤ 43.2% wurde ein kleiner "Spike" (Stufe im Leitungsband nach oben) identifiziert, was dabei im Einklang mit den optimalen Wirkungsgraden ist. In einem weiteren Schritt wurde ein mit Natrium dotierter Indiumsulfidpuffer Na:InxSy, der verbesserte Wirkungsgrade zeigt, untersucht. Diese konnte zum einen auf eine deutlich vergrößerte Oberflächenbandlücke des Puffers zurückgeführt werden. Zum anderen wurde nach dem Temperaturschritt im Vergleich zu dem InxSy Puffer eine um den Faktor zwei verringerte Kupferdiffusion an der Oberfläche festgestellt. Des Weiteren konnte bei dem Temperaturschritt eine Diffusion von Selen festgestellt werden, die den vor dem Temperaturschritt vorhandenen "Spike" im Leitungsbandverlauf verringert. Nach dem Aufbringen der i-ZnO Schicht (i = intrinsisch, nicht absichtlich dotiert) als Teil des Frontkontakts auf den Na:InxSy Puffer, wurden Durchmischungseffekte an der i-ZnO/Na:InxSy Grenzfläche gefunden. Im weiteren Verlauf zeigte sich, dass der nominell auftretende "Cliff" zwischen i-ZnO und Na:InxSy durch die Bildung von ZnS reduziert bzw. vernachlässigt werden kann. Im letzten Teil der Arbeit wurde die etablierte oberflächensensitive reflektive Elektronenenergieverlustspektroskopie auf die Absorber- sowie Indiumsulfidoberflächen angewandt. Die ermittelten inelastisch gestreuten Verlustspektren λK(E) wurden mit dem Drude-Lindhard Modell simuliert und somit die dielektrische Funktion der jeweiligen Oberflächen bestimmt. Ein Vergleich mit volumensensitiven optischen Werten zeigt für die InxSy Schichten eine gute Übereinstimmung. Bei der CIGSSe Oberfläche konnten hingegen signifikante Unterschiede festgestellt werden. Dabei wurde erstmals die Oberflächenbandlücke eines Cu(In,Ga)(S,Se)2 Absorbers unabhängig von PES/IPES zu E^Ex_Gap = (1.4 ±0.2) eV verifiziert. Abschließend wurden die mittleren freien Weglängen der Elektronen l für die drei untersuchten Oberflächen für unterschiedliche Energien mit theoretischen Werten und der universellen Kurve verglichen.…