Impact of alkali treatments on the surface and interface properties of Chalcopyrite thin-film solar cell absorbers

Der Einfluss von Alkalibehandlungen auf die Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften von Chalkopyrit-Dünnschicht-Solarzellabsorbern

  • 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. TheThis 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.show moreshow less
  • 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 sichDiese 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.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Metadaten
Author: Penghui Yang
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-51772
Referee / Advisor:Prof. Dr. Marcus Bär, Prof. Dr. Ingo Flege
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2020
Date of final exam:2020/05/19
Release Date:2020/06/04
Tag:Alkali-Nachbehandlungen; Grenzflächen; Oberflächen
Alkali PDT; CIGSe; Interface; Surface
GND Keyword:Solarzelle; Oberfläche; Alkalien; Grenzfläche
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Experimentalphysik und funktionale Materialien
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
Einverstanden ✔
Diese Webseite verwendet technisch erforderliche Session-Cookies. Durch die weitere Nutzung der Webseite stimmen Sie diesem zu. Unsere Datenschutzerklärung finden Sie hier.