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Chalkopyrite gelten aufgrund ihrer direkten Bandlücke sowie der hohen Absorptions-koeffizienten als vielversprechende Materialien für Absorber in der Dünnschichtsolarzellentechnik. Speziell CuGaSe2 (CGS) mit einer für Kupfer-Chalkopyrite großen Bandlücke von 1.68 eV ist ein für die Photovoltaik interessantes Material in Hinblick auf Tandemsolarzellen mit CuInSe2. Das Grundverständnis der Eigenschaften des CGS-Materialsystems ist daher von entscheidender Bedeutung für effizienzsteigernde Optimierungen für Solarzellen auf Chalkopyrit-Basis.
Mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie wurden einkristalline CGS-Schichten unterschiedlicher Stöchiometrie auf GaAs-Substraten abgeschieden. Die Oberflächenzusammensetzung sowie die Valenzbandstruktur wurden mit Hilfe der Photoelektronen-Spektroskopie bestimmt. Zusätzlich erlaubten die einkristallinen Schichten eine Bestimmung der Periodizität der Oberfläche durch niederenergetische Elektronenstreuung. Dabei konnte eine (4x2) Rekonstruktion der Zinkblende-Ordnung der (001) Fläche für kupferreiche CGS-Schichten nachgewiesen werden. Für kupferarme bis nahstöchiometrische Präparationsbedingungen wurde eine (4x1) Rekonstruktion erhalten. Die (112) Fläche hingegen zeigte für kupferarme Stöchiometrien eine bisher noch nicht nachgewiesene (3x1) Rekonstruktion der Chalkopyrit-Ordnung mit zwei Rotationsdomänen, welche für höhere Cu/Ga Verhältnisse in eine (1x1) Struktur überging. Weiterhin gelang es die bereits für Kupfer-Chalkopyrite bekannte
Cu2-xSe Sekundärphase, welche unter kupferreichen Präparationsbedingungen auftritt, durch einen nachträglichen Heizschritt auf Wachstumstemperatur deutlich abzuschwächen bzw. zu entfernen.
Für die Effizienz der Solarzelle sind die Grenzflächen von Absorber zu Puffer- und Puffer- zu Fensterschicht von besonderer Bedeutung. Die Untersuchung des Heterokontakts von CGS zu ZnO stellt einen weiteren Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit dar. Hierbei stand die Bandanpassung von Chalkopyrit zu ZnO im Vordergrund. Für das Wachstum von ZnO konnte mit Hilfe der Metall-Organischen-MBE auf CuGaSe2 das Auftreten einer dünnen
(1-2 nm) ZnSe-Zwischenschicht nachgewiesen werden. Im Gegensatz zu CuInSe2 wurde jedoch anstatt eines „Spikes“ in der Leitungsbandanpassung von CGS zu ZnO ein für die Solarzelleneffizienz ungünstiges „Cliff“ gefunden. Letzteres trat unabhängig von der CGS Substratorientierung auf. Mit Hilfe von niederenergetischer Elektronenstreuung gelang für das Wachstum von ZnO auf der (112) CGS Fläche trotz der großen Gitterfehlanpassung von ZnO zu CGS der Nachweis von geordnetem Wachstum. Für das Wachstum von ZnO auf CGS (001) wurde polykristallines Wachstum beobachtet.
Aufgrund der nicht optimalen Bandanpassung zum CGS scheint ZnO zusammen mit ZnSe als Pufferschicht kein geeignetes Fenstermaterial für dieses Kupfer-Chalkopyrit zu sein. Damit ist eine mögliche Erklärung für den, im Vergleich zu CuInSe2 basierten Zellen, geringen Wirkungsgrad von CGS Solarzellen gefunden.
Elektronische Struktur epitaktischer Chalkopyrite und deren Heterokontakte für die Photovoltaik
(2011)
Die vorliegende Arbeit stellt eine umfassende Studie der Oberflächenmorphologie, der elektronischen Struktur und der Heterokontakte epitaktischer CuInSe2-Schichten dar. Sämtliche Analysen wurden unter dem Aspekt der Stöchiometrievariation von CuInSe2 zu kupferarmem CuIn3Se5 durchgeführt. Diese Kombination aus nah-stöchiometrischem Chalkopyrit im Volumen des Absorbers und kupferarmer Defektverbindung im Bereich der Absorber-Puffer-Grenzfläche ist unter anderem für die außergewöhnlich hohe Effizienz der polykristallinen Solarzellen verantwortlich. Sämtliche Präparations- und Analyseschritte wurden im Ultrahochvakuum durchgeführt, um die Untersuchung hochdefinierter und kontaminationsfreier Oberflächen zu gewährleisten. Die Verwendung einkristalliner Proben ermöglicht die Bestimmung der Periodizität der Oberfläche mittels Beugung niederenergetischer Elektronen. Für die natürliche Wachstumsfläche der Chalkopyrite, die (112)-Oberfläche, 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-stöchiometrische 2 VCu-stabilisierte Oberfläche. Beide Konfigurationen stellen eine c(4x2)-Rekonstruktion gegenüber dem Zinkblendegitter dar und entsprechen somit der natürlichen Ordnung des Chalkopyritgitters. Die mit der Umordnung der Oberfläche verbundene Kupferanreicherung bzw. -verarmung konnte mittels Tiefenprofilierung der Elementkonzentration mit winkelaufgelöster XPS nachgewiesen werden. Für die Oberfläche der Defektverbindung CuIn3Se5 wurde eine Sphaleritordnung gefunden, was auf eine Abwesenheit der Chalkopyritordnung im Volumen des Materials hindeutet. Die ungewöhnliche Stabilität der (112)-Oberfläche konnte durch den Vergleich mit den Rekonstruktionen der (001)- und (220)-Fläche gezeigt werden. Die so gewonnen Kenntnisse hinsichtlich Präparation und Eigenschaften der Oberflächen wurde herangezogen, um die Valenzbandstruktur des CuInSe2 mit winkelaufgelöster Photoemission zu messen. An CuInSe2(001)-Proben sind die Hochsymmetrierichtung Gamma-T und Gamma-N des reziproken Raumes zugänglich. Der Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit Bandstrukturen der Dichtefunktionaltheorie offenbarte eine überraschend genaue Übereinstimmung. Deutliche Abweichungen, wie sie etwa für d-Elektronenzustände in Zn-VI-Verbindungen beobachtet werden treten in CuInSe2 nicht auf. Die Gegenüberstellung der nah-stöchiometrischen mit der Defektverbindung für Proben in (112)-Orientierung zeigte eine energetische Verbreiterung der Bänder durch eine erhöhte Defektdichte sowie eine Reduktion der Dispersion: Diese kann als erhöhte Lokalisation der elektronischen Zustände im Material mit hoher Defektdichte aufgefasst werden. Schließlich wurden für die Anwendung in der Photovoltaik relevante Grenzflächen des CuInSe2 untersucht. Hervorzuheben ist hier die Valenzbanddiskontinuität mit CuIn3Se5, die sich aus der Absenkung des Valenzbandmaximums durch die reduzierte p-d-Abstoßung in der Defektverbindung ergibt. Diese Diskontinuität wurde mit Photoemission an epitaktischen Schichten nachgewiesen und betrug 0.28 eV, in guter Übereinstimmung 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 Bandlücke in Folge der Grenzflächenausbildung führt 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. Unabhängig von der Zusammensetzung des Chalkopyritabsorbers bildet sich also eine CuIn3Se5/ZnSe-Grenzfläche zwischen Absorber und Fensterschicht aus. Die gefundenen Bandanpassungen zwischen CuInSe2 und ZnSe bzw. ZnO zeigen keine Orientierungsabhängigkeit und entsprechen den theoretischen Ergebnissen. Für den elektronischen Transport im Leitungsband ergibt sich eine vorteilhafte Situation.
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 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.