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

Oberflächen- und Grenzflächencharakterisierung mittels Röntgen- und Elektronenspektroskopie - Bestimmung der Besonderheiten von Cu(In,Ga)Se₂ Chalkopyrit- und CH₃NH₃PbI(₃-ᵪ)Clᵪ Perowskit-basierten Dünnschichtsolarzellenstrukturen

  • 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 regionThis 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.show moreshow less
  • 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 AbsorberDie 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Evelyn Handick
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42431
Referee / Advisor:Marcus Bär, Dieter Schmeißer, Bernd Rech
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Date of final exam:2017/04/07
Release Date:2017/07/13
Tag:Chalkopyrite; Dünnschichtsolarzelle; Perowskite; Photoelektronenspektroskopie
Chalcopyrit; Perovskite; Photoelectron spectroscopy; Thin film solar cell
GND Keyword:Kupferkies; Perowskit; Photoelektronenspektroskopie; Dünnschichtsolarzelle
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / JP Photovoltaik
Licence (German):License LogoKeine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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