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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 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.
Die Materialklasse der transparenten leitenden Metalloxide (engl. transparent conducting oxides (TCO)) und amorphen oxidischen Dünnschichtsysteme (engl. amorphous oxidic semiconductors (AOS)) sind überaus faszinierend, da sie gegensätzliche physikalische Eigenschaften, wie Transparenz und hohe Leitfähigkeit in sich vereinen. Die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen sind immer noch unklar und werden in dieser Dissertation beleuchtet. Dazu wurde die resonante Photoelektronenspektroskopie (resPES)gewählt, da sie sich in den letzten Jahren als vielseitiges Werkzeug für die detaillierte Untersuchung der elektronischen Struktur und der Identifikation von Defekten ausgezeichnet hat. Im Rahmen dieser Arbeit ergab sie die einmalige Möglichkeit, sowohl hoch qualitative TCO-Einkristalle (ZnO, Ga2O3, In2O3 und SnO2) als auch amorphe oxidische Dünnschichtsysteme (GIZO und SnOx) photeelektronenspektroskopisch zu untersuchen und zu vergleichen. Somit wird gezeigt, dass die elektronische Struktur der Materialklasse der TCO und ihrer korrespondierenden AOS mehr Gemeinsamkeiten aufweisen, als bisher erwartet wurde.
Es zeigt sich, dass die Bandlücke, im eigentlichen Sinne, in der Materialklasse der TCO und AOS nicht existiert. Lokalisierte Zustände füllen den gesamten Bereich dieser Bandlücke aus und reichen zum Teil in das Valenzband (VB) und Leitungsband (CB) hinein. Dies führt dazu, dass es keine, wie bisher gedacht, scharfen Grenzen zwischen lokalisierten und delokalisierten Zuständen gibt. Um dies zu verdeutlichen wird ein neuartiges Modell eingeführt, das aufzeigt, dass die Wechselwirkung von metallischen d- und s-Niveaus in einer Öffnung der d-Schale resultiert. Durch Charge-Transfer (CT)-Mechanismen und weitere Hybridisierung mit metallischen unbesetzten p-Zuständen folgt eine stärkere Lokalisierung. Die Diskussion wird begonnen mit der Klärung der Elementeverhältnisse der untersuchten Materialsysteme. Darauf folgt die Charakterisierung von intrinsischen Defekten und ihren Beiträgen auf die elektronische Struktur. Abschließend werden die elektronischen Strukturen der AOS mit denen der korrespondierenden TCO verglichen.