@phdthesis{Hofmann2011, author = {Hofmann, Andreas}, title = {Elektronische Struktur epitaktischer Chalkopyrite und deren Heterokontakte f{\"u}r die Photovoltaik}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-24434}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2011}, abstract = {Die vorliegende Arbeit stellt eine umfassende Studie der Oberfl{\"a}chenmorphologie, der elektronischen Struktur und der Heterokontakte epitaktischer CuInSe2-Schichten dar. S{\"a}mtliche Analysen wurden unter dem Aspekt der St{\"o}chiometrievariation von CuInSe2 zu kupferarmem CuIn3Se5 durchgef{\"u}hrt. Diese Kombination aus nah-st{\"o}chiometrischem Chalkopyrit im Volumen des Absorbers und kupferarmer Defektverbindung im Bereich der Absorber-Puffer-Grenzfl{\"a}che ist unter anderem f{\"u}r die außergew{\"o}hnlich hohe Effizienz der polykristallinen Solarzellen verantwortlich. S{\"a}mtliche Pr{\"a}parations- und Analyseschritte wurden im Ultrahochvakuum durchgef{\"u}hrt, um die Untersuchung hochdefinierter und kontaminationsfreier Oberfl{\"a}chen zu gew{\"a}hrleisten. Die Verwendung einkristalliner Proben erm{\"o}glicht die Bestimmung der Periodizit{\"a}t der Oberfl{\"a}che mittels Beugung niederenergetischer Elektronen. F{\"u}r die nat{\"u}rliche Wachstumsfl{\"a}che der Chalkopyrite, die (112)-Oberfl{\"a}che, konnten so beide von der Theorie als stabil vorhergesagten Rekonstruktionen nachgewiesen werden. Dabei handelte es sich um die kupferreiche, durch CuIn-Defekte stabilisierte sowie die nah-st{\"o}chiometrische 2 VCu-stabilisierte Oberfl{\"a}che. Beide Konfigurationen stellen eine c(4x2)-Rekonstruktion gegen{\"u}ber dem Zinkblendegitter dar und entsprechen somit der nat{\"u}rlichen Ordnung des Chalkopyritgitters. Die mit der Umordnung der Oberfl{\"a}che verbundene Kupferanreicherung bzw. -verarmung konnte mittels Tiefenprofilierung der Elementkonzentration mit winkelaufgel{\"o}ster XPS nachgewiesen werden. F{\"u}r die Oberfl{\"a}che der Defektverbindung CuIn3Se5 wurde eine Sphaleritordnung gefunden, was auf eine Abwesenheit der Chalkopyritordnung im Volumen des Materials hindeutet. Die ungew{\"o}hnliche Stabilit{\"a}t der (112)-Oberfl{\"a}che konnte durch den Vergleich mit den Rekonstruktionen der (001)- und (220)-Fl{\"a}che gezeigt werden. Die so gewonnen Kenntnisse hinsichtlich Pr{\"a}paration und Eigenschaften der Oberfl{\"a}chen wurde herangezogen, um die Valenzbandstruktur des CuInSe2 mit winkelaufgel{\"o}ster Photoemission zu messen. An CuInSe2(001)-Proben sind die Hochsymmetrierichtung Gamma-T und Gamma-N des reziproken Raumes zug{\"a}nglich. Der Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit Bandstrukturen der Dichtefunktionaltheorie offenbarte eine {\"u}berraschend genaue {\"U}bereinstimmung. Deutliche Abweichungen, wie sie etwa f{\"u}r d-Elektronenzust{\"a}nde in Zn-VI-Verbindungen beobachtet werden treten in CuInSe2 nicht auf. Die Gegen{\"u}berstellung der nah-st{\"o}chiometrischen mit der Defektverbindung f{\"u}r Proben in (112)-Orientierung zeigte eine energetische Verbreiterung der B{\"a}nder durch eine erh{\"o}hte Defektdichte sowie eine Reduktion der Dispersion: Diese kann als erh{\"o}hte Lokalisation der elektronischen Zust{\"a}nde im Material mit hoher Defektdichte aufgefasst werden. Schließlich wurden f{\"u}r die Anwendung in der Photovoltaik relevante Grenzfl{\"a}chen des CuInSe2 untersucht. Hervorzuheben ist hier die Valenzbanddiskontinuit{\"a}t mit CuIn3Se5, die sich aus der Absenkung des Valenzbandmaximums durch die reduzierte p-d-Abstoßung in der Defektverbindung ergibt. Diese Diskontinuit{\"a}t wurde mit Photoemission an epitaktischen Schichten nachgewiesen und betrug 0.28 eV, in guter {\"U}bereinstimmung mit Ergebnissen der Theorie. In direktem Kontakt mit dem Absorber steht die Pufferschicht, wobei als Cadmium-freie Alternative ZnO untersucht wurde, welches mittels metall-organischen Prekursoren abgeschieden wurde. Die Verschiebung des Fermi-Niveaus innerhalb der Bandl{\"u}cke in Folge der Grenzfl{\"a}chenausbildung f{\"u}hrt zur Bildung von Kupferfehlstellen im Absorber und damit zur Entstehung der kupferarmen Grenzschicht. Diese grenzt an eine nur ca. 1 nm dicke ZnSe-Schicht, welche der initiellen Wachstumsphase des ZnO entspricht. Unabh{\"a}ngig von der Zusammensetzung des Chalkopyritabsorbers bildet sich also eine CuIn3Se5/ZnSe-Grenzfl{\"a}che zwischen Absorber und Fensterschicht aus. Die gefundenen Bandanpassungen zwischen CuInSe2 und ZnSe bzw. ZnO zeigen keine Orientierungsabh{\"a}ngigkeit und entsprechen den theoretischen Ergebnissen. F{\"u}r den elektronischen Transport im Leitungsband ergibt sich eine vorteilhafte Situation.}, subject = {Kupferkies; Elektronenstruktur; Grenzfl{\"a}che; Photoemission; Photovoltaik; Chalkopyrit; Grenzfl{\"a}che; Elektronische Struktur; Photoemission; Photovoltaics; Chalcopyrite; Interfaces; Elektronic structure; Photoelectron spectroscopy}, language = {de} } @phdthesis{Lehmann2007, author = {Lehmann, Carsten}, title = {Elektronische Struktur d{\"u}nner Halbleiterfilme (Chalkopyrite) als Absorbermaterialien f{\"u}r D{\"u}nnschichtsolarzellen}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-4319}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2007}, abstract = {Ziel der Arbeit war es, erstmalig die Bandstruktur des in D{\"u}nnschichtsolarzellen verwendeten Absorbermaterials CuInS2 zu bestimmen. Zu diesem Zweck konnte ein neues GSMBE-Verfahren mit TBDS als Schwefel-Precursor etabliert werden, um die Verwendung von elementarem Schwefel in einem UHV-System zu ersetzen. Zus{\"a}tzlich zu den abgeschiedenen Schichten wurde eine Spaltfl{\"a}che pr{\"a}pariert. Die Charakterisierung der Proben erfolgte in situ mittels XPS/UPS und LEED. F{\"u}r weitere ex situ Untersuchungen standen XRD und SEM zur Verf{\"u}gung. Die ARUPS-Untersuchungen zur Bestimmung der Bandstruktur fanden unter Verwendung von Synchrotronstrahlung statt. Die aufgenommenen Bandstrukturen wurden mit Bandstrukturberechnungen Eyerts und Zungers verglichen. Dabei gestattete eine Zusammenarbeit mit Eyert eine exakte Verifizierung jenseits hochsymmetrischer Verl{\"a}ufe. CuInS2(001) und CuInS2(112) wurden auf Si und GaAs abgeschieden und zeigte Wachstumsraten, die im Vergleich mit MBE-Verfahren {\"a}lterer Arbeiten um bis zu 85 \% geringer waren. Dies f{\"u}hrte auf Si zur Ausbildung von CuSi-Phasen, so dass sich Si als Substrat in diesem Verfahren als ungeeignet erwies. Die CuInS2-Abscheidung auf GaAs zeigte eine starke Abh{\"a}ngigkeit von der vorhandenen Oberfl{\"a}chenrekonstruktion. Eine 2x1-Rekonstruktion auf GaAs(100) f{\"u}hrte zu einer terrassierten CuInS2-Schicht. Eine Abscheidung auf der 2x2-rekonstruierten GaAs(111)A-Oberfl{\"a}che hatte eine facettierte CuInS2-Oberfl{\"a}che zur Folge. Auf schwefelpassiviertem, rekonstruktionsfreien GaAs(111)B zeigte sich dagegen facettenfreies CuInS2(112)-Wachstum in vorherrschender Chalkopyrit-Struktur. An den Oberfl{\"a}chen von Cu-reichen CuInS2-Schichten bildeten sich CuS-Kristallite. Diese polykristallinen Ablagerungen f{\"u}hrten bei ARUPS-Untersuchungen zu nicht-dispergierenden Zust{\"a}nden, die die Bandstrukturen der CuInS2-Schichten {\"u}berlagerten. Bei k-senkrecht-Messungen zeigte sich ein Zustand, dessen Dispersion stark von Berechnungen Eyerts abweicht. Sein Ursprung konnte nicht eindeutig abgeleitet werden konnte, da der Beobachtungsraum aufgrund von Endzustandseffekten und Satellitenst{\"o}rungen stark eingeschr{\"a}nkt war. Generell zeigt ein Vergleich der Berechnungen nach Eyert bzw. Zunger mit entsprechenden Messungen, dass beide Modellrechnungen zu Bindungsenergien f{\"u}hren, die gegen{\"u}ber den Messwerten zu niedrig sind. Die energetische Ausdehnung der charakteristischen Bereiche und deren Lage zueinander wird jedoch zutreffend beschrieben. Konsistent mit Beobachtungen in anderen Arbeiten an analogen Systemen erweist sich dabei die theoretische Behandlung der d-Zust{\"a}nde bei der Modellierung als kritisch. Die Bandl{\"u}cke zwischen d-Charakter-dominierten und p-Charakter-dominierten Bereich wird von Eyert {\"u}bersch{\"a}tzt, von Zunger dagegen untersch{\"a}tzt. Dies l{\"a}sst sich auf die verwendeten N{\"a}herungen (LDA (Zunger), GGA (Eyert)) des Austauschkorrelationspotentials zur{\"u}ckf{\"u}hren. Bei einer Anpassung der von Eyert berechneten Bandstrukturen durch einen geeigneten Energieoffset zeigten sich im Vergleich mit k-parallel-Messungen im Allgemeinen gute, nahezu perfekte {\"U}bereinstimmungen von beobachteten Dispersionsverl{\"a}ufen. Es konnten die effektiven Massen der L{\"o}cher f{\"u}r die k-parallel-Messungen bestimmt werden. Die Werte liegen in der Gr{\"o}ßenordnung des Literaturwertes, jedoch im Mittel bei doppelt so hohen Werten. Ein signifikanter, richtungsabh{\"a}ngiger Trend l{\"a}sst sich aufgrund der starken Streuung nicht feststellen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte ausserdem gezeigt werden, dass die Verwendung eines (111)-Substrates zu einer Dom{\"a}nenbildung aufwachsender CuInS2(112)-Schichten f{\"u}hrt. ARUPS-Messungen an derartigen Schichten bestehen daher aus einer {\"U}berlagerung von Bandstrukturen entlang unterschiedlicher Richtungen. F{\"u}r zuk{\"u}nftige Arbeiten bietet es sich daher an, die (111)-substratinduzierte Fehlorientierung von (112)-Schichten durch ein Step-Flow-Wachstum auf Substraten mit Miscut zu unterbinden.}, subject = {Photovoltaik; D{\"u}nnschichtsolarzelle; Bandstruktur; Chalkopyrit; ARUPS; CIS; DFT; Band structure; Chalcopyrite; ARUPS; CIS; DFT}, language = {de} }