Schaffner, Judith (2012)
Herstellung von CdTe-Dünnschichtsolarzellen bei reduzierten Abscheidetemperaturen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

CdTe ist ein sehr aussichtsreiches Absorbermaterial für Dünnschichtsolarzellen. Mit CdTe-Solarzellen wurden bereits Wirkungsgrade bis zu 17,3% erzielt. Die CdS und CdTe Schichten für diese Solarzellen können mit den verschiedensten Abscheidetechniken, wie Sputtern, Chemische Badabscheidung (CVD), Druckverfahren, Hochvakuumverdampfen (HVE) und Close Space Sublimation (CSS) hergestellt werden. Hohe Durchsätze machen CSS zu einer attraktiven Methode für die industrielle Großproduktion. Um mit CdTe-Dünnschichtsolarzellen hohe Wirkungsgrade erzielen zu können, müssen kleine Löcher in den Halbleiterschichten, sogenannte „Pinholes“ , wie auch Rekombinationsverluste an den Grenzflächen vermieden werden. Die Grenzfläche von CdTe und dem transparenten Frontkontaktmaterial (TCO) weist eine sehr hohe Dichte an Grenzflächendefekten auf. Um diese Grenzfläche zu vermeiden, wird eine geschlossene CdS-Schicht zwischen dem Fronkontakt und der CdTe-Schicht benötigt. Da CdS jedoch Licht mit Wellenlängen unter 500 nm absorbiert, muss die CdS-Schicht möglichst dünn sein, um Absorptionsverluste zu minimieren. Das Wachstum der mit CSS abgeschiedenen CdS-Schichten wurde daher systematisch, im Hinblick auf den Einfluss der Prozessparameter untersucht. Dafür wurden die Abscheiderate und Substrattemperatur variiert und die CdS-Schichten mit Photoelektronenspektroskopie (XPS/UPS), Röntgenbeugung (XRD), Rasterelektronenspektroskopie (REM), Rasterkraftmikroskopie(AFM) und Optischer Transmission charakterisiert. Die REM, AFM und XRD-Untersuchungen zeigen, dass die Morphologie der Schichten hauptsächlich durch die Abscheiderate beeinflusst wird. Erste Experimente weisen zudem darauf hin, dass sich die Verwendung einer hohen Abscheiderate bei der Herstellung der CdS-Schicht positiv auf die Leerlaufspannung der Solarzelle auswirkt. Neben fluordotiertem Zinnoxid (FTO) wurde auch aluminiumdotiertes Zinkoxid (AZO) als Substratmaterial für die CdS-Abscheidung verwendet. Die Vorzugsorientierung der CdS-Kristalle, Korngröße sowie die Oberflächenrauigkeit der CdS-Schichten wird dabei stark von der Wahl des Substrat-Materials beeinflusst. Auch für die Herstellung der CdTe-Schicht, ist CSS eine attraktive Methode. Um damit Wirkungsgrade über 10% zu erzielen, wurden bisher Substrattemperaturen über 450 °C benötigt. Durch eine Verringerung der Substrattemperatur können jedoch die Produktionskosten reduziert und die Verwendung von weniger temperaturstabilen Frontkontaktmaterialien wie AZO ermöglicht werden. In dieser Arbeit wird ein Tieftemperatur-CSS-Prozess zur Abscheidung der CdTe-Schicht eingeführt mit dem hoch effiziente Solarzellen realisiert werden können. Die CdTe-Schicht wurde dabei mit einer Substrattemperatur von ≤ 340°C abgeschieden, was deutlich unter der üblicherweise verwendeten Temperatur (> 500°C) liegt. Die CdTe-Schichten wurden mit einem CdCl2-Aktivierungsschritt nachbehandelt. Dabei wurden unterschiedliche optimale Aktivierungstemperaturen und Zeiten für Hochtemperaturzellen (Tsub = 520°C) und Tieftemperaturzellen (Tsub ≤ 340°C) ermittelt. Die Auswirkungen des Aktivierungsschritts auf die Morphologie der Schichten wurden mittels XRD, AFM, REM-Aufsichten und REM-Querschnitten untersucht. Dabei wird Kornwachstum, eine starke Rekristallisation sowie eine Verringerung der Konzentration an planaren Defekten und der Porosität an den Korngrenzen insbesondere für Tieftemperatur-CdTe-Schichten beobachtet. Die Oberfläche der Tieftemperatur-CdTe-Schichten ist dabei auch nach der Aktivierung noch deutlich glatter als die der Hochtemperatur-Schichten. Es sollte also mit dem Tieftemperatur-Prozess möglich sein, dünnere CdTe-Schichten zu verwenden ohne Pinholes und Kurzschlüsse zu riskieren. Mit dem eingeführten Tieftemperatur-CdTe-Prozess konnten Wirkungsgrade bis zu 10,9 % mit kupferfreiem Rückkontakt und 12,0 % mit kupferhaltigem Rückkontakt erzielt werden. Dieser Prozess ist somit konkurrenzfähig zu anderen Prozessen, die eine höhere Temperatur oder geringeren Durchsatz erfordern. Zusätzlich werden erste Ergebnisse mit Tieftemperatur-Solarzellen auf AZO-Frontkontakten gezeigt. Die geringe chemische Stabilität von AZO verursacht während des Aktivierungs- und Ätzschrittes leider einige Schwierigkeiten, welche das Erzielen hoher Wirkungsgrade verhindert. Hier wird noch eine weitergehende Entwicklung im Hinblick auf die Rückkontaktbildung und die Verwendung von schützenden Pufferschichten für diese Frontkontakte benötigt.

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