TY - THES A1 - Gerlach, Dominic T1 - Surface and interface characterization of thin-film silicon solar cell structures T1 - Ober- und Grenzflächencharakterisierung von Dünnschichtsolarzellstrukturen N2 - The properties of Si thin films for solar cells, the interaction with different substrates and the influence of dopants are examined with synchrotron based x-ray spectroscopy – primarily x-ray emission spectroscopy (XES) and hard x-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES). The films are studied as-deposited (i.e., amorphous, a-Si) and after conversion into polycrystalline (poly-Si) employing solid phase crystallization (SPC). Si L2,3 XES spectra of thin-film Si samples can be described by a superposition of a-Si and monocrystalline Si-wafer (c-Si) reference spectra. According to a quantification based on that superposition principle, none of the investigated samples are completely crystallized – a measurable a-Si component always remains (5-20 %) regardless of deposition and treatment conditions. Based on additional results from electron back scattering diffraction different models are developed which may explain this finding. According to these models, the remnant a-Si component can be attributed to amorphous/disordered material at the grain boundaries. Using one of these models, the thickness of this grain-surrounding material s could be approximated to be (1.5 ± 0.5) nm. Further investigations of the SPC process reveal a faster crystallization for boron-doped samples, and a slower crystallization for phosphorous-doped samples, when compared to the crystallization of undoped a Si:H thin films. The peculiarities of B K XES spectra (and observed changes upon SPC) indicate that boron could act as a nucleation center promoting crystallization. Si L2,3 XES spectra of a-Si:H and P-doped poly-Si exhibit spectral features above the valence band maximum at 100 eV that could be attributed to a-Si defect states and n+-dopant states, respectively. The SPC crystallization velocity of Si thin films on ZnO:Al/glass is found to be faster than that on SiNx/glass substrate. Multiple indications for oxidization at the poly-Si/ZnO:Al interface are found based on our Si L2,3 XES analysis. Spatially resolved x-ray photoelectron spectroscopy data support this and even suggest the formation of sub-oxides or zinc silicate as an interface species. The electronic structure of the buried a-SiOx:H(B)/ZnO:Al and µc-Si:H(B)/ZnO:Al interfaces are unraveled with “depth resolved” hard x-ray photoelectron spectroscopy. A surface band bending limited to the very surface of the silicon layers is found. The valence band maxima for the Si cover layers and the ZnO:Al TCO are determined and interface induced band bending for both interfaces are derived. At the a-SiOx:H(B)/ZnO:Al interface a tunnel barrier of (0.22 ± 0.31) eV and at µc-Si:H(B)/ZnO:Al interface a tunnel barrier of (-0.08 ± 0.31) eV is determined. This explains a previously empirically found solar cell efficiency increase produced by introducing a µc-Si:H(B) buffer layer between an a-Si p-i-n cell and the ZnO:Al/glass substrate. N2 - Die Eigenschaften von dünnen Siliziumschichten für Solarzellen sowie die Einflüsse verschiedener Substrate und Dopanden auf diese Schichten werden mithilfe synchrotronbasierter Röntgenspektroskopie [primär Röntgenemissionsspektroskopie (XES) und harte Röntgenphotoelektronenspektroskopie (HAXPES)] erforscht. Die Schichten werden nach der Deposition und nach der Phasenumwandlung in polykristallines Si (poly-Si) mittels Festphasenkristallization (SPC) untersucht. Si L2,3 XES Spektren der dünnschichtigen Si Proben können als Superposition aus Referenzspektren von amorphem Silizium (a-Si) und monokristallinem Siliziumwafer (c-Si) beschrieben werden. Entsprechend der Quantifikation mithilfe dieser Referenzspektren zeigt sich, dass keines der untersuchten Proben komplett kristallin ist und unabhängig von den Depositions- und Nachbehandlungsmethoden ein messbarer a-Si Anteil (5-20%) erhalten bleibt. Nach Berücksichtigung weiterer Messungen mit Elektronenrückstreubeugung werden verschiedene Modellsysteme diskutiert, die diesen Fund zu erklären versuchen. Demnach kann der verbliebene a-Si Spektralanteil amorphem oder ungeordnetem Material an den Korngrenzen zugeordnet werden. Eines dieser Modelle schätzt die Dicke dieses kornumschließenden Materials auf (1.5 ± 0.5) nm. Weitere Untersuchungen des SPC Prozesses zeigen, dass die Kristallisation mit Bordotierung schneller und mit Phosphordotierung langsamer abläuft als bei undotierten a-Si:H Schichten. Auffälligkeiten in B K XES Spektren und speziell dessen Veränderungen bei SPC weisen darauf hin, dass Bor als Keimzentrum für die Kristallisation dient. Si L2,3 XES Spektren von a-Si:H und P-dotierten poly-Si zeigen Struktur oberhalb des Valenzbandmaximums bei 100 eV, welche a-Si Defektzuständen beziehungsweise n+-Dotierzuständen zugeordnet werden kann. Die SPC Kristallisationsgeschwindigkeit von dünnen Si Schichten auf ZnO:Al/Glas verläuft schneller als auf SiNx/Glas Substraten. Si L2,3 XES Spektren liefern mehrere Hinweise für eine Oxidation an der poly-Si/ZnO:Al Grenzfläche. Untersuchungen mit örtlich aufgelöster Photoemissionsspektrosopie bestätigen dies und deuten sogar auf die Bildung von Suboxiden oder Zinksilikat als Grenzflächenspezies hin. Die elektronische Struktur der vergrabenen a-SiOx:H(B)/ZnO:Al und µc-Si:H(B)/ZnO:Al Grenzflächen werden mithilfe „tiefenaufgelöster“ harter Röntgenspektroskopie untersucht. Es kann eine Oberflächenbandverbiegung, welche sich nur auf den nahen Oberflächenbereich beschränkt, nachgewiesen werden. Valenzbandmaxima beider Si Deckschichten und des ZnO:Al TCOs werden bestimmt und die Grenzflächenbandverbiegung für beide Grenzflächen ermittelt. An der a-SiOx:H(B)/ZnO:Al Grenzfläche wird eine Tunnelbarriere von (0.22 ± 0.31) eV und an der µc-Si:H(B)/ZnO:Al Grenzfläche eine Tunnelbarriere von (-0.08 ± 0.31) eV bestimmt. Dieser Unterschied erklärt die vorherig empirisch gewonnene Erkenntnis der Solarzelleneffizienzsteigerung bei Verwendung einer µc-Si:H(B) Pufferschicht zwischen a-Si p-i-n Zelle und dem ZnO:Al/Glas Substrat. KW - Dünnschichtsolarzelle KW - Silicium KW - Photovoltaik KW - Festkörperphysik KW - Röntgenspektroskopie KW - Photovoltaics KW - Solid-state physics KW - X-ray spectroscopy Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-28254 ER - TY - THES A1 - Köhler, Leonard T1 - Surface and interface study of kesterite-based and related thin-film solar cell structures T1 - Oberflächen- und Grenzflächenuntersuchung an Kesterit-basierten und verwandten Dünnschichtsolarzellenstrukturen N2 - The chemical and electronic structure of the interfaces of kesterite-based and related absorber materials in thin-film solar cell device-relevant layer stacks have been investigated with x-ray based spectroscopic techniques (XPS, HAXPES, XAES, XES, and XAS). The analyzed materials are CZTS absorbers with their interfaces to the Mo back contact and to different Zn(O,S)-buffer layers, SnS absorbers with partly N-doped ZnO buffer layers, and 2 absorbers with (Cd,Zn)S buffer layers. We find an unchanged CZTS surface in this series which has a profound effect on the ZnOS growth. Instead of a constant composition throughout the buffer thickness, we find S-rich material growing directly on the CZTS in the ALD process. The conduction band offset is found to be around -0.21(+-0.15) eV. The measured cliff is reduced by chemical interface modification towards a flat band alignment. The interface effect during annealing at the CZTS back contact where MoS2 forms occurs even at low annealing temperatures below 500°C. Sn spectra of liftoff CZTS back sides, annealed on the Mo contact, resemble the precursor at all temperatures while Sn spectra of CZTS front sides are almost single phase after standard annealing. A TiN interlayer was effectively introduced to prevent reactions at the CZTS/Mo interface. We find a strong impact of ALD deposited ZnO on oxidized SnS absorber surfaces, resulting in metallic Sn formation. In contrast, doped ZnO:N reduces the SnS much less agressively. The strong downwards bending for both ZnO and SnS at the ZnO/SnS junction that we find for undoped ZnO contact layers is drastically reduced if ZnO:N contact layers are used. The smaller cliff in the conduction band of 0.2 eV for ZnO:N/SnS makes this junction much more interesting for solar cell applications than the ZnO/SnS with a large cliff of 0.55 eV. The chemical analysis of the (Cd,Zn)S:Ga/CuSbS2 reveals chemical interaction at the junction. We find an additional species on the high energy side of the Cu peak for all samples. The interface species can be explained with the changed buffer composition at the interface, particularly low S and Cd content and increased Ga concentration, and could also be affected by the presence of O and hydroxides. We find an upwards surface band bending of -0.15 eV for the bare absorber. At the junction, we see downwards band bending of up to 0.2(+-0.09) eV in the absorber and strong upwards band bending of -0.75(+-0.28) eV in the buffer. The junction is not an abrupt transition from one homogenious material to another. The buffer growth is strongly affected by the absorber. Also the electronic structure on both sides is significantly affected. We find a conduction band alignment with a large cliff of -1.3(+-0.3) eV. N2 - Die chemische und elektronische Struktur von Grenzflächen in Schichtstapeln mit unmittelbarer Bedeutung für Kesterit-basierte und verwandte Dünnschichtsolarzellen wurden mit Röntgen-basierten Spektroskopietechniken (XPS, HAXPES, XAES, XES, and XAS) untersucht. Die untersuchten Materialien sind CZTS-Absorber mit ihren Grenzflächen zu Mo-Rückkontakten und zu verschiedenen Zn(O,S) -Pufferschichten, Sn-Absorber mit teilweise N-dotierten ZnO Pufferschichten und CuSbS2 Absorber mit (Cd,Zn)S-Pufferschichten. Unsere Untersuchungen zeigen eine chemisch unveränderte CZTS-Oberfläche die einen starken Einfluss auf das Zn(O,S)-Wachstum hat. Statt eines konstanten Mischungsverhältnisses in der Puffeschicht zeigt sich ein S-angereichertes Material, dass im ALD-Prozess direkt auf dem CZTS wächst. Der Leitungsbandversatz ergibt sich dadurch zu -0.21(+-0.15) eV. Dieses gemessene "cliff" wird durch die chemische Modifikation an der Grenzfläche zu einem flachen Bandübergang geändert. Der Grenzflächeneffekt beim Ausheizen am CZTS Rückkontakt, wo sich MoS2 bildet, tritt auch bei niedrigen Ausheiztemperaturen unter 500°C auf. Sn-Spektren von "liftoff" CZTS-Rückseiten, die auf dem Mo-Kontakt ausgeheizt wurden, ähneln dem unkristallisierten Roh-CZTS bei allen Ausheiztemperaturen, während Sn-Spektren von CZTS-Frontseiten nach vollständigem Ausheizen nahezu reinphasiges Kesterit zeigen. Eine TiN Zwischenschicht wurde erfolgreich eingeführt, um Reaktionen an der CZTS/Mo Grenzfläche zu verhindern. Wir finden einen signifikanten Effekt von ALD-deponiertem ZnO auf oxidierte SnS-Absorberoberflächen, der zur Bildung von metallischem Sn führt. Dotiertes ZnO:N reduziert das SnS deutlich weniger aggressiv. Die starke Abwärtsbiegung der Bänder an der Grenzfläche von ZnO und SnS, die sich für undotiertes ZnO-Kontaktmaterial findet, schwächt sich extrem ab, wenn ZnO:N Kontaktmaterial verwendet wird. Das deutlich kleiner "cliff" im Leitungsband von 0.2 eV in ZnO:N/SnS macht die deutlich bessere Eignung dieser Kombination für Solarzellenanwendungen klar, gerade im Vergleich zu ZnO/SnS mit einem großen "cliff"-Versatz von 0.55 eV. Die chemische Analyse von (Cd,Zn)S:Ga/CuSbS2 enthüllt chemische Veränderungen an der Grenzfläche. Wir finden in allen Proben eine zusätzliche Spezies mit erhöhter Bindungsenergie im Cu-Peak. Die Grenzflächenverbindungen können durch die veränderte Puffer-Komposition an der Grenzfläche erklärt werden. Wir messen eine Oberflächen-Aufwärtsbiegung der Bänder von -0.15 eV für den reinen Absorber. Am p-n-Übergang zeigen die Bänder eine Abwärtsbiegung von 0.2(0.09) eV im Absorber und eine starke Aufwärtsbiegung von -0.75(+-0.28) eV im Puffer. Diese Grenzfläche ist keine scharfe Grenze zwischen zwei homogenen Materialien. Das Wachstum der Pufferschicht ist stark vom Absorber beeinflusst und auch die elektronische Struktur auf beiden Seiten wird verändert. Der Leitungsbandversatz zeigt ein großes "cliff" von -1.3(+-0.3) eV. KW - X-ray photoelectron spectroscopy KW - Kesterite KW - Thin-film solar cell KW - Interface analysis KW - Röntgenphotoelektronenspektroskopie KW - Kesterit KW - Dünnschichtsolarzelle KW - CZTS KW - Dünnschichtsolarzelle KW - Oberflächenphysik KW - Grenzflächenphysik KW - Kesterit KW - Röntgen-Photoelektronenspektroskopie KW - Zn(O,S) Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-43544 ER - TY - THES A1 - Yang, Penghui T1 - Impact of alkali treatments on the surface and interface properties of Chalcopyrite thin-film solar cell absorbers T1 - Der Einfluss von Alkalibehandlungen auf die Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften von Chalkopyrit-Dünnschicht-Solarzellabsorbern N2 - This thesis focuses on the investigation and characterization of the surfaces and interfaces of chalcopyrite-based Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) thin film solar cells using various x-ray and electron spectroscopies. In particular, the impact of alkali post deposition treatments (PDT) on the chemical and electronic surface and interface structure of CdS/CIGSe absorbers is studied. The structure of “real world” CdS/CIGSe interfaces and how they are impacted by different alkali PDTs was investigated by a combination of different x-ray spectroscopies. The interface formation is characterized by studying sample sets with different CdS thicknesses. The chemical environment for indium and cadmium is revealed by deriving the modified Auger parameter α'(In) and α'(Cd) using the kinetic energy of most prominent Auger line together with the binding energy of the chosen core level. A more complex situation is found for CdS/CIGSe samples that underwent NaF+KF PDT, where a K-In-Se compound is initially present on top of the chalcopyrite absorber. The conversion of the K-In-Se type species into a Cd-In-(O,OH,S,Se) interface compound is recorded at short CBD-CdS deposition times. It appears the majority of K that is present at the surface of the NaF+KF PDT CIGSe absorber is dissolved in the CBD and partially re-deposited as K-O type species. The Cd/S ratio clearly deviates from the stoichiometry expected for CdS, and a Cd(O,OH,S)-like compound is likely formed. The electronic structure of CdS/CIGSe interface is similarly more complex for the NaF+KF PDT compared to the NaF PDT case, where only Cd(O,OH,S) buffer was formed. In an attempt to shed more light into this complex situation, the impact of evaporated alkali metals (K, Rb, Cs) on the surface structure of CIGSe was studied in-system by synchrotron-based hard x- ray photoelectron spectroscopy (HAXPES), aiming at understanding the underlying mechanism of the interfacial effect of alkalis on the performance of CIGSe devices. In the case of K deposition, two K species are observed by x-ray absorption near-edge structure (XANES) and HAXPES, one of which species disappears at high annealing temperature. Furthermore, three new In contributions (In-O and K-In-Se, metallic In species) can be observed after K evaporation. The evolution of chemical contribution supports the formation of a K-In-Se and Cu-poor CIGSe (1:3:5) bilayer structure that is similar to what was reported for “real world” NaF+KF PDTs. Deposition of heavy alkali metals (Rb, Cs) induced the formation of alkali selenide phases after alkali evaporation and during low temperature annealing. Similar chemical changes as seen for the K composition (i.e. presence of metallic In, In-O, and alkali-O) are observed. However, detailed analysis of the Alk/Se ratio and composition provide direct evidence for the formation of a Alk-(In)-Se and (Cu,Alk)(In, Ga)Se2 bilayer. The insights from these studies promise to provide crucial aid to fully exploit alkali pre-treatments in scientific and industrial CIGSe production, and will deliberate use of this means of surface/interface tailoring to push efficiencies even further. N2 - Diese Dissertation konzentriert sich auf die Untersuchung und Charakterisierung der Ober- und Grenzflächen in Chalkopyrit-basierten Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) Dünnschicht-Solarzellen mit verschiedenen Röntgen- und Elektronenspektroskopien. Insbesondere werden die Auswirkungen von Alkali-Nachbehandlungen (post deposition treatments, PDT) auf die chemischen und elektronischen Oberflächen- und Grenzflächenstrukturen in CdS/CIGSe Schichtstapeln untersucht. Die Eigenschaften von “realen” CdS/CIGSe Grenzflächen und wie verschiedene Alkali-PDTs diese beeinflussen, wurde durch eine Kombination verschiedener Röntgenspektroskopien untersucht. Die Ausbildung der Grenzfläche wurde mittels einer CdS-Dickenserie untersucht. Die chemische Umgebung von Indium und Cadmium wurde durch die Betrachtung der modifizierten Auger-Parameter α'(In) und α'(Cd) identifiziert. Für CdS/CIGSe-Proben bei denen der CIGSe Absorber vor der CdS Abscheidung einer NaF+KF PDT unterzogen wurde finden wir eine komplizierte Grenzflächenstruktur. Die K-In-Se-Verbindung die sich durch das PDT zunächst auf dem Chalkopyritabsorber ausbildet wandelt sich in der Anfangsphase der CdS Abscheidung im chemischen Bad in eine Cd-In-(O,OH,S,Se) Grenzflächenverbindung um. Zudem scheint es, dass die Mehrheit des vorhandenen Kalium, sich im chemischen Bad löst und teilweise als K-O Verbindung wieder auf dem CIGSe Absorber abgelagert wird. Das Cd/S Verhältnis weicht deutlich von der für CdS erwarteten Stoichiometrie ab, und es bildet sich wahrscheinlich eine Cd(O,OH,S) ähnliche Verbindung für lange Abscheidezeiten aus. Die elektronische Struktur der CdS/CIGSe Grenzfläche ist für den NaF+KF PDT Fall ähnlich komplexer als im NaF PDT-Fall, wo wir quasi eine abrupte Grenzfläche zwischen Absorber und Cd(O,OH,S) Puffer finden. Um mehr Licht in diese komplexe Situation zu bringen, wurden entsprechende Modellsystem unterscucht. Hierfür wurden die Alkalimetalle (K, Rb, Cs) direkt auf die Oberflächenstruktur von CIGSe aufgedampft und im gleichen Vakuumsystem mittels synchrotron-basierter Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (HAXPES) untersucht. Nach der Abscheidung von Kalium konnten wir zwei K Spezies identifizieren, von denen eine bei hohen Temperaturen thermischer Nachbehandlung verschwindet. Darüber hinaus können drei neue In-Verbindungen (In-O und K-In-Se, metallisches In) nach der Abscheidung von K beobachtet werden. Die Entwicklung der chemischen Struktur mit höher werdenden Temperaturen während der thermischen Nachbehandlung unterstützt das Bild einer K-In-Se/Cu-arme CIGSe (1:3:5) Doppelschicht-Struktur – ist also ganz ähnlich was für “reale” NaF+KF PDT CIGSe Proben berichtet wird. Die Abscheidung von schweren Alkalimetallen (Rb, Cs) induziert die Bildung von Alkaliselenidphasen. Ähnliche chemische Veränderungen wie im K-Experiment (d.h. Vorhandensein von metallischem In, In-O und Alkali-O) werden auch hier beobachtet. Eine detaillierte Analyse des Alk/Se-Verhältnisses und der Zusammensetzung liefert jedoch direkte Beweise für die Bildung einer Alk-(In)-Se/(Cu,Alk)(In, Ga)Se2 Doppelschicht. Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit können dazu beitragen, Alkali-Vorbehandlungen auch in der industriellen CIGSe-Produktion einzusetzen und voll auszuschöpfen. Ein bewusstes Nutzen der identifizierten Oberflächen-/Grenzflächenanpassung könnte die Wirkungsgrade entsprechender Solarzellen sogar noch steigern. KW - Alkali PDT KW - Surface KW - Interface KW - Grenzflächen KW - Alkali-Nachbehandlungen KW - Oberflächen KW - CIGSe KW - Solarzelle KW - Oberfläche KW - Alkalien KW - Grenzfläche Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-51772 ER - TY - THES A1 - Handick, Evelyn T1 - Surface and interface characterization by X-ray and electron spectroscopies - revealing the peculiarities of Cu(In,Ga)Se₂ chalcopyrite and CH₃NH₃PbI(₃-ᵪ)Clᵪ perovskite-based thin film solar cell structures T1 - Oberflächen- und Grenzflächencharakterisierung mittels Röntgen- und Elektronenspektroskopie - Bestimmung der Besonderheiten von Cu(In,Ga)Se₂ Chalkopyrit- und CH₃NH₃PbI(₃-ᵪ)Clᵪ Perowskit-basierten Dünnschichtsolarzellenstrukturen N2 - This thesis focuses on the investigation and characterization of the surfaces and interfaces of chalcopyrite-based Cu(In,Ga)Se₂ (CIGSe) and organo-metal mixed halide perovskites, specifically CH₃NH₃PbI(₃-ᵪ)Clᵪ thin film solar cell absorbers using various x-ray and electron spectroscopies. In particular, the impact of alkali treatments on the chemical and electronic surface and near-surface structure of CIGSe absorbers is studied. For CH₃NH₃PbI(₃-ᵪ)Clᵪ the compound formation is monitored and the peculiarities of the interface formation of CH₃NH₃PbI(₃-ᵪ)Clᵪ on compact and mesoporous TiO₂ are examined. Laboratory and synchrotron-based photoelectron spectroscopy are used to gain a depth-dependent picture of the chemical and electronic structure in the surface and near-surface region of CIGSe absorbers, focusing on the influence of NaF and NaF/KF post-deposition treatments (PDT) when compared to alkali-free CIGSe absorbers. The alkali-free and NaF-PDT absorbers show similar chemical properties, having a Cu and Ga poor surface region compared to the nominal bulk and the same chemical environment for indium and selenium. For the NaF/KF-PDT samples a K-In-Se compound is present on top of a Cu-In-Ga-Se compound, with a nanopatterned surface that is almost devoid of Cu and Ga. Further, for the NaF-PDT sample a near-surface electronic band gap of 1.61[+0.14/-0.51] eV is derived. In contrast, a large and more gradual change towards the surface is obtained for the NaF/KF-PDT absorber exhibiting a significant band gap widening of the surface, which is in agreement with a Cu- and Ga-devoid surface region and the formation of a K-In-Se surface compound. To in-situ monitor the compound formation of CH₃NH₃PbI(₃-ᵪ)Clᵪ on compact TiO₂ (c-TiO₂) hard x-ray photoelectron spectroscopy is used. During in-situ annealing a drop-casted layer of precursor solution on c-TiO₂ shifts in the perovskite related core levels can be observed upon reach the “transition temperature” of 80-100°C. Further the Cl signal decrease at the onset of annealing and shows a depletion in the surface region for annealing temperatures above 50°C. In addition, the chemical and electronic structure of the interface between perovskite and mesoporous TiO₂ (mp-TiO₂) or c-TiO₂ using different perovskite layer thicknesses are studied. N2 - Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung und Charakterisierung der Ober- und Grenzflächen von Chalkopyrit-basierten Cu(In,Ga)Se₂ (CIGSe) und gemischten organisch-metallischen Halogenid Perowskit CH₃NH₃PbI(₃-ᵪ)Clᵪ Dünn-schichtsolarzellen mittels verschiedener Röntgen- und Elektronenspektroskopieme-thoden. Insbesondere wird der Einfluss von Alkalinachbehandlungen auf die chemische und elektronische Oberflächen- und Oberflächennahe-Struktur von CIGSe Absorbern untersucht. Für CH₃NH₃PbI(₃-ᵪ)Clᵪ wird die Kristallisation der Verbindung beobachtet und die Eigenschaften der Grenzfläche zwischen CH₃NH₃PbI(₃-ᵪ)Clᵪ und kompaktem und mesoporösem TiO₂ ermittelt. Labor- und Synchrotron-basierte Photoelektronenspektroskopien werden angewendet um ein tiefenabhängiges Bild der chemischen Struktur der Oberfläche und nahe der Oberfläche von CIGSe Strukturen zu erhalten. Vor allem der Einfluss von NaF und NaF/KF Nachbehandlungen (PDT) im Vergleich zu alkalifreien CIGSe Absorbern wird untersucht. Die alkalifreien und NaF-PDT Absorber weisen ähnliche chemische Oberflächeneigenschaften auf. Es wird eine Cu- und Ga-verarmte Oberflächenregion mit ähnlicher chemischen Umgebung für Indium und Selen detektiert. Die NaF/KF-PDT Proben weisen eine K-In-Se Oberflächenphase auf einer Cu-In-Ga-Se Verbindung mit einer nanostrukturierten Oberfläche auf. Die NaF/KF-PDT Absorberoberfläche ist nahezu frei von Cu und Ga. Weiter kann eine elektronische Bandlücke in Oberflächennähe von 1.61[+0.14/-0.51] eV für die NaF-PDT Probe bestimmt werden. Im Gegensatz dazu zeigt der NaF/KF-PDT Absorber eine größere und eher graduellere Veränderung in Richtung Oberfläche mit einer signifikanten Erweiterung der Oberflächenbandlücke. Dies kann der Ausbildung der K-In-Se Oberflächenverbindung auf einer Cu- und Ga-verarmten Absorberregion zuge¬schrieben werden. Photoelektronenspektroskopie mit harten Röntgenstrahlen wird verwendet, um die Kristallisation der CH₃NH₃PbI(₃-x)Clx Verbindung auf kompaktem TiO₂ (c-TiO₂) in-situ zu beobachten. Während des Heizvorgangs einer aufgetropften Schicht der Ausgangslösung auf c-TiO₂ wird eine Verschiebung der Perowskit-Rumpfniveaus während der Übergangstemperatur von 80-100°C sichtbar. Außerdem ist eine Abschwächung des Chlor-Signals zu Beginn des Heizvorgangs zu beobachten mit einer Verarmung in der Oberflächenregion bei Temperaturen über 50°C. Weiter wird die chemische und elektronische Struktur von Perowskit verschiedener Schichtdicke auf mesoporösem TiO₂ (mp-TiO₂) und c-TiO₂ untersucht. Mit steigender Perowskitschichtdicke zeigt sich ein Anwachsen der Perowskitlinien während die Substratlinien abgeschwächt werden. KW - Chalcopyrit KW - Perovskite KW - Photoelectron spectroscopy KW - Thin film solar cell KW - Chalkopyrite KW - Perowskite KW - Photoelektronenspektroskopie KW - Dünnschichtsolarzelle KW - Kupferkies KW - Perowskit KW - Photoelektronenspektroskopie KW - Dünnschichtsolarzelle Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42431 ER - TY - THES A1 - Hartmann, Claudia T1 - Surface and interface characterization of CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ and CsSnBr₃ perovskite based thin-film solar cell structures T1 - Oberflächen- und Grenzflächencharakterisierung von CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ und CsSnBr₃ Perowskit-Dünnschichtsolarzellstrukturen N2 - The chemical and electronic structure of hybrid organometallic (CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ) and inorganic (CsSnBr₃) perovskite materials on compact TiO₂ (c-TiO₂) is studied using x-ray and electron based spectroscopic techniques. The morphology and local elemental composition of CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ, used as absorbers in PV devices, defining the film quality and influencing the performance of respective solar cells is studied in detail by using photoemission electron microscopy (PEEM). An incomplete coverage, with holes reaching down to the c-TiO₂ was revealed; three different topological regions with different degrees of coverage and chemical composition were identified. Depending on the degree of coverage a variation in I oxidation and the formation of Pb⁰ in the vicinity of the c-TiO₂ is found. The valence band maxima (VBM) derived from experimental data for the perovskite and c-TiO₂, combined with information from literature on spiro-MeOTAD suggests an energy level alignment resulting in an excellent charge selectivity at the absorber/spiro-MeOTAD and absorber/c-TiO₂ interfaces respectively. Further, the derived energy level alignment indicates a large recombination barrier (~2 eV), preventing shunts due to direct contact between c-TiO₂ and spiro-MeOTAD in the pin-holes. In-situ ambient pressure hard x-ray photoelectron spectroscopy (AP-HAXPES) studies of 60 and 300 nm CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ have been performed under varies conditions (i.e. vacuum/water and dark/UV light) to gain insight into the degradation mechanism responsible for the short lifetime of the absorber. The 60 nm perovskite forms Pb⁰ in water vapor (non-defined illumination) in presence of x-rays. The 300 nm perovskite sample shows a complex behavior under illumination/dark. In water vapor/dark the perovskite dissolves into its organic (MAI) and inorganic (PbI₂) components. Under illumination PbI₂ further decomposes to Pb⁰ induced by UV light and x-rays. For alternative inorganic CsSnBr₃ perovskites, the impact of SnF₂ on the chemical and electronic structure is studied to identify its role for the improved performance of the solar cell. HAXPES and lab-XPS measurements performed on CsSnBr₃ with and without SnF₂ indicate two Sn, Cs, and Br species in all samples, where the second Sn species is attributed to oxidized Sn (Sn⁴⁺). When adding SnF₂ to the precursor solution, the coverage is improved and less Sn⁴⁺ and Cs and Br secondary species can be observed, revealing an oxidation inhibiting effect of SnF₂. Additionally, SnF₂ impacts the electronic structure, enhancing the density of states close to the VBM. N2 - Die chemische und elektronische Struktur von hybriden metallorganischen (CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ) und anorganischen (CsSnBr₃) Perowskit-Materialien, abgeschieden auf kompaktem TiO₂ (c-TiO₂), wurden mit Hilfe von Röntgen- und Elektronenspektroskopiemethoden untersucht. Die Morphologie und lokale Elementzusammensetzung von CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ, welche die Leistung der Solarzelle beeinflussen, wurden mit Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM) im Detail untersucht. Dabei wird eine unvollständige Bedeckung, mit Löchern, die bis zum c-TiO₂ hinunterreichen, enthüllt. Ferner konnten drei verschiedene Morphologien mit unterschiedlichen Graden von Bedeckungen und chemischer Zusammensetzung identifiziert werden. Je nach Grad der Bedeckung, weisen die Morphologien eine Variation in der I Oxidation und die Bildung von Pb⁰ in der Nähe des c-TiO₂ auf. Die Valenzbandmaxima (VBM), bestimmt aus den Messdaten für das Perowskit und c-TiO₂, kombiniert mit Literaturwerten von spiro-MeOTAD, offenbaren eine Bandanpassung, die in eine exzellente Ladungsselektivität an der Absorber/spiro-MeOTAD und Absorber/c-TiO₂ Grenzfläche resultiert. Des Weiteren deutet die Bandanpassung auf eine große Rekombinationsbarriere (~ 2 eV) hin, welche das Auftreten von Shunts, durch den direkten Kontakt zwischen c-TiO₂ und spiro-MeOTAD in den Löchern, verhindert. Es wurden in-situ Umgebungsdruckröntgenspektroskopiestudien (AP-HAXPES) mit harter Röntgenstrahlung an 60 und 300 nm CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ Proben unter verschiedenen Bedingungen (z.B. Vakuum/Wasser und Dunkelheit/Licht) durchgeführt, um Einblick in die Degradierungsvorgänge, die für die kurze Lebensdauer des Absorbers verantwortlich sind, zu erhalten. Die 60 nm Perowskit Probe bildet in Wasserdampf (undefinierte Beleuchtung) und in Anwesenheit von Röntgenstrahlung Pb⁰. Die 300 nm Perowskit Probe zeigt ein komplexes Verhalten bei Beleuchtung/Dunkelheit. Im Wasserdampf/Dunkelheit löst sich das Perowskit in seine organische (MAI) und anorganische (PbI₂) Komponenten auf. Unter Beleuchtung zerfällt PbI₂ weiter zu Pb⁰ verursacht durch UV-Licht und Röntgenstrahlung. Um die Rolle von SnF₂ in der Leistungsverbesserung alternativer anorganische CsSnBr₃ Perowskitsolarzellen zu identifizieren, wurde der Einfluss von SnF₂ auf deren chemische und elektronische Struktur mittels HAXPES und Labor-XPS Methoden untersucht. Alle Proben weisen zwei Sn, Cs und Br Spezien auf, wobei die zweite Sn Spezies auf oxidiertes Sn (Sn⁴⁺) zurückzuführen ist. Durch die Hinzugabe von SnF₂ zur Ausgangslösung, wird eine verbesserte Bedeckung und weniger Sn⁴⁺, inklusive deren zugehörigen sekundären Cs und Br Spezies, beobachtet. Was auf eine oxidationshemmende Eigenschaft von SnF₂ hindeutet. Darüber hinaus beeinflusst SnF₂ die elektronische Struktur des Absorbers und erhöht die Zustandsdichte in der Nähe des VBM. KW - Perovskite KW - Photoelectron spectroscopy KW - Thin-film solar cell KW - Solid-state physics KW - Photovoltaics KW - Photovoltaik KW - Festkörperphysik KW - Dünnschichtsolarzelle KW - Photoelektronenspektroskopie KW - Perowskite KW - Fotovoltaik KW - Halbleiter KW - Dünnschichtsolarzelle KW - Perowskit KW - Photoelektronenspektroskopie Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-46358 ER - TY - THES A1 - Xiao, Ting T1 - X-ray spectroscopic study of heterostructure contacting schemes for optoelectronic devices T1 - Röntgenspektroskopische Untersuchung von Heterostruktur-Kontaktschemata für optoelektronische Bauelemente N2 - Annealing-induced solid phase crystallization of In₂O₃:H leads to a significantly improved electron mobility, which is confirmed by Hall measurements. Indium hydroxide dehydroxylation occurs in In₂O₃:H during annealing, which is well responsible for the structural transformation and a high electron mobility with a decreased carrier concentration in crystallized In₂O₃:H. A significant decrease in the intensity of occupied gap states is observed in crystallized In₂O₃:H, possibly due to a decrease in carrier concentration. Doped In₂O₃ variants have been found to have a quite deeper allowed transition level below the valence-band edge than undoped In₂O₃, which in particular applies to crystallized In₂O₃:H, but most likely attributed to a change of the crystal structure upon annealing and/or a different O 2p-In 4d coupling near the VBM compared to amorphous In₂O₃:H. To well understand the interface properties of Ag/In₂O₃:H upon annealing, a thin Ag film was grown on the In₂O₃:H substrate and annealed in vacuum up to 300 °C. During annealing, the potential Ag diffusion into the bulk In₂O₃:H and/or a change of an annealing-induced Ag topography (i.e., cluster formation) occurs, with a small Ag oxidation (i.e., Ag₂O and AgO). With Ag deposition, an initial downward band bending of (0.11±0.05) eV was present in In₂O₃:H, attributed to a Schottky contact formed at the Ag/In₂O₃:H interface. Upon annealing, the downward band bending reduces gradually, and the Schottky-barrier height at the Ag/In₂O₃:H interface also decreases. A thickness series of the individual materials on the respective “substrate” (i.e., MnS/Si, GaN/MnS, and ZnO/GaN) was epitaxially grown on Si (100) wafer, and the interfacial chemistry and energy-level alignment at the respective interfaces are examined using photoelectron spectroscopy. At the MnS/Si interface, an interface-induced band bending (IIBB) appears in Si, which of values are found to be (0.15±0.07) and (0.23±0.07) eV for 4 and 15 nm MnS/Si stacks, respectively. The MnS/Si heterointerface shows a type-II (staggered) band lineup with a VBO of (-0.37±0.10) eV and the corresponding CBO of (2.27±0.10) eV. For the GaN/MnS interface, a significant diffusion of Mn into the GaN layer takes place during GaN deposition. In addition, an interface-induced band bending (IIBB) by ~0.30 eV is observed in MnS. The GaN/MnS interface shows a type-II (staggered) band lineup with a VBO of (1.46±0.10) eV and the corresponding CBO of (-1.09±0.10) eV. At the ZnO/GaN interface, a significant N diffusion from GaN into ZsnO takes place, i.e., Zn-N bonds, when ZnO is grown on the GaN layer. Also, an interfacial oxide (GaOx) layer was formed during ZnO deposited on GaN films. The ZnO/GaN heterointerface shows a type-II (staggered) band lineup with a VBO of (2.48±0.10) eV and the corresponding CBO of (-2.50±0.10) eV, respectively. N2 - Durch Tempern der Festphasenkristallisation von In₂O₃:H kann die Elektronenmobilität deutlich erhöht werden, welches auch mittels Hall-Messungen belegt werden kann. Indiumhydroxid-Dehydroxylierung tritt in In₂O₃:H während des Temperns auf, welche für den Strukturwandel und einer hohen Elektronenbeweglichkeit mit einer verringerten Ladungsträgerkonzentration in kristallisiertem In₂O₃:H verantwortlich ist. In kristallisiertem In₂O₃:H wird eine signifikante Abnahme in der Intensität der besetzten Zustände in der Bandlücke beobachtet, möglicherweise aufgrund einer Abnahme in der Ladungsträgerkonzentration. Für dotierte In₂O₃-Varianten wurde ein tieferer, unterhalb der Valenzbandkante liegernder erlaubter Übergang als für undotiertes In₂O₃ gefunden. Dies gilt insbesondere für kristallisiertes In₂O₃:H, welches höchstwahrscheinlich auf eine Änderung der Kristallstruktur beim Tempern und/oder unterschiedliche O 2p-In 4d-Kopplungen in der Nähe der VBM, im Vergleich zu amorphem In₂O₃:H, zurückzuführen ist. Um die Grenzflächeneigenschaften von Ag/In₂O₃:H beim Tempern gut zu verstehen, wurde ein dünner Ag-Film auf dem In₂O₃:H-Substrat gezüchtet und im Vakuum auf bis zu 300 °C geheizt. Durch Tempern, kann eine potenzielle Ag-Diffusion in den Bulk-In₂O₃:H und/oder eine Änderung einer Temper-induzierten Ag-Topographie (i.e., Clusterbildung) mit geringer Ag-Oxidation (i.e., Ag₂O und AgO), auftreten. Bei der Ag-Auftragung war in In₂O₃:H eine anfängliche abwärts gerichtete Bandkrümmung von (0.11±0.05) eV vorhanden, die einem an der Ag/In₂O₃:H-Grenzfläche gebildeten Schottky-Kontakt zugeschrieben wird. Beim Tempern nimmt die Abwärtsbandkrümmung allmählich ab, ebenso wie die Höhe der Schottky-Barriere an der Ag/In₂O₃:H-Grenzfläche. Eine Schichtdickenserie der einzelnen Materialien auf dem jeweiligen „Substrat“ (z.B., MnS/Si, GaN/MnS und ZnO/GaN) wird epitaktisch auf Si (100)-Wafer aufgewachsen, an welchen anschließend die Grenzflächenchemie und Energieniveauanpassung an den jeweiligen Grenzflächen mit Photoelektronenspektroskopie untersucht wird. Die MnS/Si-Hetero-Grenzfläche zeigt eine Typ-II (versetzte) Bandausrichtung mit einem VBO von (-0.37±0.10) eV und dem entsprechenden CBO von (2.27±0.10) eV. Bei der GaN/MnS-Grenzfläche tritt während der GaN-Abscheidung eine signifikante Diffusion von Mn in die GaN-Schicht auf, mit einer Typ-II (versetzten) Bandausrichtung mit einem VBO von (1.46±0.10) eV und dem entsprechenden CBO von (-1.09±0.10) eV. An der ZnO/GaN-Grenzfläche wurde herausgefunden, dass eine signifikante N-Diffusion von GaN in ZnO stattfindet, mit einer Typ-II (versetzten) Bandenausrichtung mit einem VBO von (2.48±0.10) eV und dem entsprechenden CBO von (-2.50±0.10) eV. KW - Optoelectronic Devices KW - Heterostructure KW - Transparent Conducting Oxides (TCOs) KW - Photoelectron Spectroscopy KW - GaN KW - Transparente leitende Oxide (TCOs), KW - Photoelektronenspektroskopie KW - In₂O₃ KW - Heterostruktur KW - Optoelektronische Bauelemente KW - Heterostruktur KW - Transparent-leitendes Oxid KW - Optoelektronisches Bauelement KW - Photoelektronenspektroskopie Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-49391 ER -