Elektronische Struktur dünner Halbleiterfilme (Chalkopyrite) als Absorbermaterialien für Dünnschichtsolarzellen

Electronic structure of semiconductor thin films (chalcopyrites) as absorbermaterials for thin film solar cells

  • Ziel der Arbeit war es, erstmalig die Bandstruktur des in Dünnschichtsolarzellen 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. Zusätzlich zu den abgeschiedenen Schichten wurde eine Spaltfläche präpariert. Die Charakterisierung der Proben erfolgte in situ mittels XPS/UPS und LEED. Für weitere ex situ Untersuchungen standen XRD und SEM zur Verfügung. 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 Verläufe. CuInS2(001) und CuInS2(112) wurden auf Si und GaAs abgeschieden und zeigte Wachstumsraten, die im Vergleich mit MBE-Verfahren älterer Arbeiten um bis zu 85 % geringer waren. Dies führte auf Si zurZiel der Arbeit war es, erstmalig die Bandstruktur des in Dünnschichtsolarzellen 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. Zusätzlich zu den abgeschiedenen Schichten wurde eine Spaltfläche präpariert. Die Charakterisierung der Proben erfolgte in situ mittels XPS/UPS und LEED. Für weitere ex situ Untersuchungen standen XRD und SEM zur Verfügung. 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 Verläufe. CuInS2(001) und CuInS2(112) wurden auf Si und GaAs abgeschieden und zeigte Wachstumsraten, die im Vergleich mit MBE-Verfahren älterer Arbeiten um bis zu 85 % geringer waren. Dies führte 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 Abhängigkeit von der vorhandenen Oberflächenrekonstruktion. Eine 2x1-Rekonstruktion auf GaAs(100) führte zu einer terrassierten CuInS2-Schicht. Eine Abscheidung auf der 2x2-rekonstruierten GaAs(111)A-Oberfläche hatte eine facettierte CuInS2-Oberfläche zur Folge. Auf schwefelpassiviertem, rekonstruktionsfreien GaAs(111)B zeigte sich dagegen facettenfreies CuInS2(112)-Wachstum in vorherrschender Chalkopyrit-Struktur. An den Oberflächen von Cu-reichen CuInS2-Schichten bildeten sich CuS-Kristallite. Diese polykristallinen Ablagerungen führten bei ARUPS-Untersuchungen zu nicht-dispergierenden Zuständen, die die Bandstrukturen der CuInS2-Schichten überlagerten. 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 Satellitenstörungen stark eingeschränkt war. Generell zeigt ein Vergleich der Berechnungen nach Eyert bzw. Zunger mit entsprechenden Messungen, dass beide Modellrechnungen zu Bindungsenergien führen, die gegenüber 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-Zustände bei der Modellierung als kritisch. Die Bandlücke zwischen d-Charakter-dominierten und p-Charakter-dominierten Bereich wird von Eyert überschätzt, von Zunger dagegen unterschätzt. Dies lässt sich auf die verwendeten Näherungen (LDA (Zunger), GGA (Eyert)) des Austauschkorrelationspotentials zurückführen. 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 Übereinstimmungen von beobachteten Dispersionsverläufen. Es konnten die effektiven Massen der Löcher für die k-parallel-Messungen bestimmt werden. Die Werte liegen in der Größenordnung des Literaturwertes, jedoch im Mittel bei doppelt so hohen Werten. Ein signifikanter, richtungsabhängiger Trend lässt sich aufgrund der starken Streuung nicht feststellen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte ausserdem gezeigt werden, dass die Verwendung eines (111)-Substrates zu einer Domänenbildung aufwachsender CuInS2(112)-Schichten führt. ARUPS-Messungen an derartigen Schichten bestehen daher aus einer Überlagerung von Bandstrukturen entlang unterschiedlicher Richtungen. Für zukünftige Arbeiten bietet es sich daher an, die (111)-substratinduzierte Fehlorientierung von (112)-Schichten durch ein Step-Flow-Wachstum auf Substraten mit Miscut zu unterbinden.show moreshow less
  • The objective of this work was to determine for the first time the band structure of CuInS2 which is used as absorber material in thin film solar cells.For this purpose a new GSMBE process with TBDS as sulphur precursor was established to prevent the use of elemental sulphur in an UHV system. Additionally to the deposited films a cleave surface was prepared. The samples were characterized in situ by XPS/UPS and LEED. XRD and SEM were used for further ex situ investigations. The band structure was determined by ARUPS using synchrotron light. The experimentally determined band structures were compared with calculations done by Eyert and Zunger. A close cooperation with Eyert allowed an exact verification along non-high symmetry directions.CuInS(001) and CuInS2(112) were deposited on Si and GaAs. The achieved growth rates were up to 85% lower than those of MBE processes described in earlier works. Due to this phases of CuSi were able to form on Si, thereby indicating that Si is not a suitable substrate material in this GSMBE-process. TheThe objective of this work was to determine for the first time the band structure of CuInS2 which is used as absorber material in thin film solar cells.For this purpose a new GSMBE process with TBDS as sulphur precursor was established to prevent the use of elemental sulphur in an UHV system. Additionally to the deposited films a cleave surface was prepared. The samples were characterized in situ by XPS/UPS and LEED. XRD and SEM were used for further ex situ investigations. The band structure was determined by ARUPS using synchrotron light. The experimentally determined band structures were compared with calculations done by Eyert and Zunger. A close cooperation with Eyert allowed an exact verification along non-high symmetry directions.CuInS(001) and CuInS2(112) were deposited on Si and GaAs. The achieved growth rates were up to 85% lower than those of MBE processes described in earlier works. Due to this phases of CuSi were able to form on Si, thereby indicating that Si is not a suitable substrate material in this GSMBE-process. The deposition of CuInS2 on GaAs showed a strong dependence on the existing surface reconstruction. A 2x1 reconstruction of GaAs(001) yielded CuInS2(001) films featuring terraces. A deposition on 2x2 reconstructed GaAs(111)A surfaces led to a facetted CuInS2 surface. On sulphur-passivated non-reconstructed GaAs(111)B a depositon of chalcopyrite ordered CuInS2 free of facets was possible. On the surface of Cu-rich CuInS2 films CuS crystallites formed. This yields ARUPS spectra showing the electronic stucture of CuInS2 superimposed by non-dispergative states of the polycrystalline CuS segregations. In k perpendicular measurements a state was identified, the dispersion of which showed a strong difference to the calculations of Eyert. The origin of this state could not be pinpointed since the investigated extent of the band structure was severely limited due to final states effects and by satellite lines. Generally a comparison of the calculations by Eyert and Zunger with the corresponding measurements showed that both theoretical models yield binding energy values which are lower than those determined by the experiments. However, the width and relative positions in energy of characteristical areas were correctly modelled. As consistent with observations of other works on analogous systems the theoretical treatment of the d-states proves to be a critical factor in the model calculations. While the band gap between the d-character dominated states and p-character dominated states are overestimated in Eyerts calculations it is underestimated by Zunger. This can by attributed to the chosen approximations of the exchange correlation potential (LDA(Zunger), GGA(Eyert)). After the application of suitable energy offsets the calculated band structure by Eyert showed an overall good almost perfect agreement with the experimentally determined dispersions. The effective hole masses were derived from the k parallel measurements. The determined values are of the scale of the value found in literature although they are as much as twice that high. Due to the wide scattering no significant trend concerning a direction dependence could be determined. Finally the results of this work showed that the use of a (111) substrate leads to domain formation of the deposited CuInS2(112) films. Thus ARUPS spectra of such films show a superposition of the band structures along different directions. Therefore, with regard to future works it is highly recommended to suppress the (111) substrate induced misorientation by a step-flow-growth on substrates featuring a miscut.show moreshow less

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Metadaten
Author: Carsten Lehmann
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-4319
Referee / Advisor:Prof. Dr. Dieter Schmeißer
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2007
Date of final exam:2007/12/11
Release Date:2008/04/02
Tag:ARUPS; Bandstruktur; CIS; Chalkopyrit; DFT
ARUPS; Band structure; CIS; Chalcopyrite; DFT
GND Keyword:Photovoltaik; Dünnschichtsolarzelle
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Angewandte Physik und Halbleiterspektroskopie
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Angewandte Physik / Sensorik
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