Halbleitergrenzflächen polykristalliner CdTe-Dünnschichtsolarzellen

Fritsche, Jochen (2004)
Halbleitergrenzflächen polykristalliner CdTe-Dünnschichtsolarzellen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

URL / URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-4245

Kurzbeschreibung (Abstract)

Polykristalline Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von CdTe sind in Deutschland seit 1993 von der Firma ANTEC Technology GmbH in Kelkheim im Taunus entwickelt worden und werden seit 2001 von der Firma ANTEC Solar GmbH in Arnstadt in Thüringen als 60 cm x 120 cm große Solarzellenmodule produziert. Das Hauptziel der Entwicklungsarbeit beinhaltete die Optimierung der Herstellungsverfahren mit dem Ziel, möglichst hohe Energiewirkungsgrade der Solarzellen zu erreichen. Die ANTEC-CdTe-Dünnschichtsolarzellen werden derzeit durch die Abscheidung einer CdTe/CdS/SnO2/ITO-Schichtfolge auf einem Glassubstrat hergestellt. Anschließend werden sie in einer CdCl2-Atmosphäre aktiviert, um ausreichend hohe Energiewirkungsgrade zu erhalten. Die elektrische Kontaktierung der Zelle wird durch die Präparation des Rückkontaktes und durch die SnO2/ITO-Schicht, die den transparenten Frontkontakt der Solarzelle bildet, ermöglicht. Die für die elektrischen Eigenschaften der CdTe-Solarzelle relevanten Halbleitergrenzflächen sind somit die CdS/SnO2-Grenzfläche am Frontkontakt und der CdTe/CdS-Halbleiter-Heteroübergang. Die elektronischen Eigenschaften der Ober- und Grenzflächen sind von entscheidender Bedeutung für die Wirkungsweise und die Energieausbeute von Dünnschichtsolarzellen. In dieser Arbeit wurden erstmals die elektronischen Eigenschaften der Halbleitergrenzflächen in polykristallinen CdTe-Dünnschichtsolarzellen, sowie die morphologischen und elektronischen Materialeigenschaften der einzelnen Halbleiteroberflächen mit oberflächenempfindlichen Untersuchungsmethoden systematisch charakterisiert. Die Experimente zur Präparation und Analyse der Ober- und Grenzflächen wurden an einem integrierten Ultrahochvakuum-System (UHV) des Fachgebiets Oberflächenforschung im Fachbereich Material- und Geowissenschaften der Technischen Universität Darmstadt durchgeführt. In Modellexperimenten wurden unter UHV-Bedingungen die verschiedenen Grenzflächen durch schrittweises thermisches Verdampfen präpariert und deren chemische Zusammensetzung sowie die elektronischen Eigenschaften während der Grenzflächenbildung mit Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie (UPS) untersucht. Dabei bildete die experimentelle Bestimmung der Bandanpassungen bei der Bildung der Halbleitergrenzflächen ein zentrales Ziel. Die morphologischen Oberflächeneigenschaften wurden mit Rasterkraftmikroskopie (AFM) analysiert. Als Substratmaterial wurde mit SnO2/ITO-beschichtetes Glas verwendet, worauf die CdS- und CdTe-Schichten abgeschieden wurden. Weiterhin wurden die elektronischen und morphologischen Materialeigenschaften verschieden behandelter SnO2-Oberflächen charakterisiert. Die selbst hergestellten CdS- und CdTe-Schichten wurden mit Schichten von Solarzellen der Firma ANTEC verglichen. Die Auswirkungen des CdCl2-Aktivierungsschrittes auf CdTe-Solarzellen waren zu Beginn dieser Arbeit nicht vollständig verstanden. Um ihren Einfluss auf die Morphologie, die chemische Zusammensetzung und die elektronischen Eigenschaften der Ober- und Grenzflächen der CdTe-Dünnschichtsolarzellen zu untersuchen, wurde der Aktivierungsprozess in das integrierte UHV-System übertragen. Neben den Untersuchungen mit Rasterkraftmikroskopie (AFM) wurden Sputtertiefenprofile mit Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) vermessen.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2004

Autor(en):

Fritsche, Jochen

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Halbleitergrenzflächen polykristalliner CdTe-Dünnschichtsolarzellen

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram ; Ortner, Prof. Dr. Hugo M.

Berater:

Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram

Publikationsjahr:

23 März 2004

Ort:

Darmstadt

Verlag:

Technische Universität

Datum der mündlichen Prüfung:

2 Juni 2003

URL / URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-4245

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

In Germany polycrystalline CdTe based thin film solar cells have been developed by ANTEC Technology GmbH since 1993. The industrial production of 60 cm x 120 cm large solar cell modules has been realised by ANTEC Solar GmbH in 2001. The primary object of the development was the optimisation of the production process to reach the highest possible conversion efficiencies. The ANTEC CdTe thin film solar cell is made by deposition of a CdTe/CdS/SnO2/ITO film sequence onto a glass substrate. Afterwards a activation step follows in a CdCl2 atmosphere to get good conversion efficiencies. The electrical contacts to the solar cell are given by the deposition of a metallic back contact and the SnO2/ITO layer, which is the transparent front contact. Thus the relevant semiconductor interfaces for the electronic properties of the CdTe solar cell are the CdS/SnO2 interface at the front contact and CdTe/CdS semiconductor hetero junction. The electronic properties of the surface and interfaces are of arbitrative importance for the operation and efficiency of thin film solar cells. In this work the electronic properties of the semiconductor interfaces in polycrystalline CdTe thin film solar cells as well as the morphologic and electronic properties of the single semiconductor surfaces have been characterised systematically with surface sensitive research methods. The experiments for the preparation and analysis of the surfaces and interfaces have been performed in an integrated ultra high vacuum (UHV) system at the surface science institute in the department of materials and geo science of the Darmstadt University of Technology. The different interfaces have been prepared in model experiments under UHV conditions by stepwise thermal evaporation and electronic and chemical characterisation during the interface formation with x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and ultra violet photoelectron spectroscopy (UPS). Withal the key topic was the experimental determination of the band alignment at the semiconductor interfaces. The morphologic surface properties have been studies with atomic force microscopy (AFM). As substrates SnO2/ITO coated glass has been used whereon the CdS and CdTe layers have been deposited. Further on the electronic and morphologic properties of different treated SnO2 surfaces have been characterised. The self deposited CdS and CdTe films have been compared with solar cells from ANTEC. The effects of the CdCl2 activation step on the CdTe solar cells had been not completly understood before this work. To investigate the influence of the activation on the morphology, the chemical composition and the electronic properties of the surfaces and interfaces of the CdTe thin film solar cell, the activation process has been transferred into the integrated UHV system. Beside the investigations with atomic force microscopy (AFM) sputter depth profiles using x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were performed.

Englisch

Freie Schlagworte:

CdTe, CdS, SnO2, ITO, CdCl2, XPS, AFM

Schlagworte: