Chemical formation reactions for Cu(In,Ga)Se2 and other chalcopyrite compounds - An in-situ x-ray diffraction study and crystallographic models

Chemische Bildungsreaktionen von Cu(In,Ga)Se2 und anderen Chalkopyrit-Verbindungen - Eine Echtzeit-Studie mittels Röntgenbeugung und kristallographische Modelle

  • The compound semiconductor Cu(In,Ga)Se2 has a very high absorption coefficient for visible light and the idea to apply it as absorber material for solar cells has attracted much attention. This work investigates the formation process of the compound Cu(In,Ga)Se2 with the intention to optimise its synthesis at moderate temperatures, which is required for the production of thin film solar cells. The main experimental work consisted of in-situ powder diffraction measurements on a laboratory x-ray source. Due to targeted optimisation of the set-up a time resolution of 12.5 seconds for an angular range of 14° < 2theta < 76° was achieved. The data sets are suitable for quantitative multi-phase RieThe compound semiconductor Cu(In,Ga)Se2 has a very high absorption coefficient for visible light and the idea to apply it as absorber material for solar cells has attracted much attention. This work investigates the formation process of the compound Cu(In,Ga)Se2 with the intention to optimise its synthesis at moderate temperatures, which is required for the production of thin film solar cells. The main experimental work consisted of in-situ powder diffraction measurements on a laboratory x-ray source. Due to targeted optimisation of the set-up a time resolution of 12.5 seconds for an angular range of 14° < 2theta < 76° was achieved. The data sets are suitable for quantitative multi-phase Rietveld analysis, providing the molar fraction of each compound during the thermal synthesis. Five different reactions relevant for the formation of the quaternary compound Cu(In,Ga)Se2, starting from binary selenides as reactants, could be detected. Furthermore, the beneficial influence of sodium as a dopant to the absorber formation has been analysed. On one hand sodium doping promotes a certain formation reaction, on the other hand it slows down interdiffusion reactions. Both effects are explained by assuming sodium to act as surfactant. One theoretical approach is to analyse the crystal structures of the compounds taking part in the reactions with respect to epitactic relations. It shows that all solid-state reactions experimentally observed are topotactic. Epitaxy seems to be a prerequisite for initiating essential reaction steps (like a redox reaction or ion exchange) between the two compounds. This theoretical model allows to predict advantageous reaction paths for the formation of other ternary and multinary chalcopyrite compounds in the system Cu(Al,Ga,In)(S,Se)2. These predictions might motivate future time resolved x-ray diffraction studies during the formation of these compounds. This work illustrates suitability of in-situ powder x-ray diffraction as an appropriate experimental tool to investigate chemical solid-state reactions.show moreshow less
  • Cu(In,Ga)Se2 ist ein Verbindungshalbleiter mit einem sehr hohen Absorptions-Koeffizienten für sichtbares Licht, was dessen Einsatz als Absorber-Material für Solarzellen interessant macht. Diese Arbeit beschreibt die Untersuchung des Bildungsprozesses der Verbindung Cu(In,Ga)Se2, um deren Herstellung bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen zu optimieren, wie es bei der Produktion von Dünnschicht-Solarzellen erforderlich ist. Der Hauptanteil der Experimente machten in-situ Pulverbeugungsmessungen an einer Labor-Röntgenquelle aus. Durch gezielte Optimierung des Aufbaus wurde eine Zeitauflösung von 12,5 Sekunden für einen Winkelbereich von 14° < 2Theta < 76° erreicht. Die Daten eignen sich füCu(In,Ga)Se2 ist ein Verbindungshalbleiter mit einem sehr hohen Absorptions-Koeffizienten für sichtbares Licht, was dessen Einsatz als Absorber-Material für Solarzellen interessant macht. Diese Arbeit beschreibt die Untersuchung des Bildungsprozesses der Verbindung Cu(In,Ga)Se2, um deren Herstellung bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen zu optimieren, wie es bei der Produktion von Dünnschicht-Solarzellen erforderlich ist. Der Hauptanteil der Experimente machten in-situ Pulverbeugungsmessungen an einer Labor-Röntgenquelle aus. Durch gezielte Optimierung des Aufbaus wurde eine Zeitauflösung von 12,5 Sekunden für einen Winkelbereich von 14° < 2Theta < 76° erreicht. Die Daten eignen sich für eine Mehrphasen-Rietveld-Verfeinerung, aus der sich der molare Anteil jeder Verbindung während des Herstellungsverfahrens quantitativ bestimmen läßt. Es konnten fünf Reaktionen, die für die Bildung der quaternären Verbindung Cu(In,Ga)Se2 aus den binären Seleniden wesentlich sind, nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurde der Einfluss von Natrium als Dotierstoff auf die Bildung des Absorbers untersucht. Die Natrium-Dotierung fördert einerseits eine Bildungs-Reaktion, verlangsamt andererseits die Interdiffusions-Reaktionen. Beide Effekte werden erklärt unter der Annahme, dass Natrium an der Oberfläche wirkt. Ein theoretischer Ansatz untersucht die Kristallstrukturen der beteiligten Verbindungen auf epitaktische Beziehungen. Es stellt sich heraus, dass alle experimentell beobachteten Festkörper-Reaktionen topotaktisch ablaufen. Epitaxie scheint die Voraussetzung für das Zustandekommen essentieller Reaktionsschritte (wie Elektronen- oder Ionenaustausch) zu sein. Dieses theoretische Modell ermöglicht es, vorteilhafte Reaktionen für andere ternäre und multinäre Chalkopyrit-Verbindungen im System Cu(Al,Ga,In)(S,Se)2 vorherzusagen. Diese Vorhersagen könnten als Ausgangspunkt zukünftiger zeitaufgelöster Röntgenbeugungs-Experimente während der Bildung dieser Verbindungen dienen. Die Arbeit demonstriert die Eignung von Real-Zeit-Röntgen-Pulverbeugung als geeignete experimentelle Methode, um chemische Festkörper-Reaktionen zu untersuchen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Frank Hergert
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-5699
Advisor:Rainer Hock
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2006
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2007/02/02
Release Date:2007/03/13
Tag:X-ray diffraction; compound semiconductor; crystallography; solid-state reaction
SWD-Keyword:Festkörperreaktion; Kristallographie; Röntgenbeugung; Verbindungshalbleiter
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Naturwissenschaften und Mathematik / Physik / Physik
open_access (DINI-Set):open_access

$Rev: 13581 $