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A local algebraic simulation model was developed, to determine the characteristic length scales for dispersed phases. This model includes the Ishii- Zuber drag model, the lift, the wall lubrication force and the turbulent dispersion force as well. It is based on the Algebraic Interface Area Density (AIAD) model from the Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR), which provides the morphology detection and the free surface drag model. The developed model is in agreement with the current state of knowledge based on an examination of the theory and of state of science models for interface momentum transfer.
This new simulation model was tested on three different experiments. Two experiments can be found in the literature, the Fabre 1987 and the Hewitt 1987 experiment. And the third simulation is based on a steam drum experiment. This steam drum experiment is designed with ERK Eckrohrkessel GmbH internals and was developed to examine the droplet mass flow out of the turbulent separation stage.
The implementation of all models and tests was performed using Ansys CFX. The first analysis was carried out to reproduce a wavy stratified flow to examine the effects of different simulation model set-ups according to the velocity and kinetic energy profiles, as well as the pressure drop gradient and the water level measured by Fabre 1987. The second analysis was a proof on concept for reproducing the vertical flow pattern by an experiment from Hewitt 1987. The third simulation analysed the water distribution in the steam drum and feeding pipes system as well as the droplet carryover into the gas phase in the turbulent separation region of the drum.
These simulations have shown, that the accuracy of the particle distribution model in interaction with the drag and non-drag forces is able to reproduce horizontal and vertical flow patterns. Higher deviations are recognised for the liquid volume fraction close above the interface. Generally, simulations can now be performed to optimise industrial steam drum designs.
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.
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.