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Der Frontkontakt der CdTe-Dünnschichtsolarzelle: Charakterisierung und Modifizierung von Puffer- und Fensterschichten und deren Grenzflächen

Fuchs, Anne Maria Helga (2015)
Der Frontkontakt der CdTe-Dünnschichtsolarzelle: Charakterisierung und Modifizierung von Puffer- und Fensterschichten und deren Grenzflächen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Diese Doktorarbeit widmet sich den Verlustmechanismen am Frontkontakt von Cadmiumtellurid (CdTe)-Dünnschichtsolarzellen in Superstrat-Konfiguration, bestehend aus fluor-dotiertem Zinnoxid (SnO2:F) als transparent-leitfähigem Oxid und Cadmiumsulfid (CdS) als Fensterschicht. Hierfür werden CdTe-Solarzellen und Modellsysteme mittels vakuumbasierten Dünnschicht-Depositionsmethoden hergestellt und in situ mittels Photoelektronen-Spektroskopie sowie ex situ mittels elektrischer und optischer Messungen charakterisiert. Der Energiebandanpassung an der Grenzfläche zwischen SnO2:F und CdS und ihren Einflussfaktoren wird in dieser Arbeit besondere Aufmerksamkeit eingeräumt. Die Einflüsse verschiedener Vorbehandlungen, Depositionsmethoden sowie Nachbehandlungen auf die Material-, Grenzflächen- und Bauteileigenschaften werden diskutiert. Außerdem wird der Ansatz verfolgt, dünne Pufferschichten zwischen das transparent-leitfähige Oxid SnO2:F und CdS abzuscheiden, um eine Modifikation dieser Grenzfläche zu bewirken. Als Puffermaterialien werden undotiertes Zinnoxid (SnO2) und Aluminiumoxid (Al2O3) vorgestellt. Pufferschichten aus SnO2 führen in Solarzellen zu moderaten Verbesserungen aufgrund einer verbesserten CdS-Nukleation. Pufferschichten aus Al2O3 führen zu einer Verschlechterung der Solarzellen, was nicht im Zusammenhang mit ihrer isolierenden Eigenschaft steht, sondern auf Grenzflächendefekten beruht. Ein weiterer Ansatz beschäftigt sich mit einer chemischen Modifikation von CdS durch den Einbau von Sauerstoff zur Verringerung von Absorptionsverlusten in der Fensterschicht. Hierbei wird ein Phasengemisch aus Halbleitern (CdS, CdO) und Isolatoren (CdSO4) erhalten. Die Kombination aus Ladungstransport durch die Halbleiter und Grenzflächenpassivierung durch den Isolator ermöglicht so eine Punktkontakt-Solarzelle mit verbesserten Eigenschaften. Insgesamt offenbaren alle untersuchten Verlustmechanismen des Frontkontakts das komplexe Zusammenspiel optischer, elektrischer, morphologischer, elektronischer, chemischer und kristallographischer Effekte.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2015
Autor(en): Fuchs, Anne Maria Helga
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Der Frontkontakt der CdTe-Dünnschichtsolarzelle: Charakterisierung und Modifizierung von Puffer- und Fensterschichten und deren Grenzflächen
Sprache: Deutsch
Referenten: Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram ; Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang
Publikationsjahr: 13 Januar 2015
Datum der mündlichen Prüfung: 13 Januar 2015
URL / URN: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4354
Kurzbeschreibung (Abstract):

Diese Doktorarbeit widmet sich den Verlustmechanismen am Frontkontakt von Cadmiumtellurid (CdTe)-Dünnschichtsolarzellen in Superstrat-Konfiguration, bestehend aus fluor-dotiertem Zinnoxid (SnO2:F) als transparent-leitfähigem Oxid und Cadmiumsulfid (CdS) als Fensterschicht. Hierfür werden CdTe-Solarzellen und Modellsysteme mittels vakuumbasierten Dünnschicht-Depositionsmethoden hergestellt und in situ mittels Photoelektronen-Spektroskopie sowie ex situ mittels elektrischer und optischer Messungen charakterisiert. Der Energiebandanpassung an der Grenzfläche zwischen SnO2:F und CdS und ihren Einflussfaktoren wird in dieser Arbeit besondere Aufmerksamkeit eingeräumt. Die Einflüsse verschiedener Vorbehandlungen, Depositionsmethoden sowie Nachbehandlungen auf die Material-, Grenzflächen- und Bauteileigenschaften werden diskutiert. Außerdem wird der Ansatz verfolgt, dünne Pufferschichten zwischen das transparent-leitfähige Oxid SnO2:F und CdS abzuscheiden, um eine Modifikation dieser Grenzfläche zu bewirken. Als Puffermaterialien werden undotiertes Zinnoxid (SnO2) und Aluminiumoxid (Al2O3) vorgestellt. Pufferschichten aus SnO2 führen in Solarzellen zu moderaten Verbesserungen aufgrund einer verbesserten CdS-Nukleation. Pufferschichten aus Al2O3 führen zu einer Verschlechterung der Solarzellen, was nicht im Zusammenhang mit ihrer isolierenden Eigenschaft steht, sondern auf Grenzflächendefekten beruht. Ein weiterer Ansatz beschäftigt sich mit einer chemischen Modifikation von CdS durch den Einbau von Sauerstoff zur Verringerung von Absorptionsverlusten in der Fensterschicht. Hierbei wird ein Phasengemisch aus Halbleitern (CdS, CdO) und Isolatoren (CdSO4) erhalten. Die Kombination aus Ladungstransport durch die Halbleiter und Grenzflächenpassivierung durch den Isolator ermöglicht so eine Punktkontakt-Solarzelle mit verbesserten Eigenschaften. Insgesamt offenbaren alle untersuchten Verlustmechanismen des Frontkontakts das komplexe Zusammenspiel optischer, elektrischer, morphologischer, elektronischer, chemischer und kristallographischer Effekte.
Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

This dissertation addresses the loss mechanisms governing the front contact of cadmium telluride (CdTe) thin film solar cells in superstrate configuration, consisting of fluorine-doped tin dioxide (SnO2:F) as transparent conducting oxide and cadmium sulfide (CdS) as window layer. For this purpose, solar cells and model systems are processed by vacuum based thin film deposition techniques and characterized in situ by photoelectron spectroscopy as well as ex situ by electrical and optical measurements. Special attention is paid to the interface band alignment between SnO2:F and CdS and possible influences. The dependencies of material properties, interface alignment, and device performance on deposition and further treatments are discussed. Another approach investigates the application of thin buffer layers between the transparent conducting oxide SnO2:F and the CdS window layer in order to modify this interface. As examples, undoped tin dioxide (SnO2) and aluminum oxide (Al2O3) are presented. SnO2 buffer layers lead to a moderate increase in solar cell performance due to an improved nucleation of CdS. Al2O3 buffer layers lead to a decrease in solar cell performance; this is not ascribed to the insulating behaviour of Al2O3 but rather to interface defects. In another approach, CdS was modified chemically by the incorporation of oxygen aiming at the reduction of absorption losses in the window layer. This results in a mixture of semiconducting (CdS, CdO) and insulating (CdSO4) phases. A combination of charge carrier transport through the semiconductors and an interface passivation by the insulator enables a point contact solar cell with improved performance. In general, all investigated loss mechanisms disclose a complex interaction of optical, electrical, morphological, electronic, chemical, and crystallographic effects.

Englisch
Freie Schlagworte: CdTe, Cadmiumtellurid, CdS, Cadmiumsulfid, SnO2, Zinnoxid, Tec15, Al2O3, Aluminiumoxid, II-VI, Dünnschicht, Atomic Layer Deposition, ALD, Solarzelle, Halbleiter, Fensterschicht, Pufferschicht, Frontkontakt, Photoelektronen-Spektroskopie, XPS, PES, Impedanz-Spektroskopie, Grenzflächen, Bandanpassung, Defekte, Fermi-Niveau
Schlagworte:
Einzelne SchlagworteSprache
CdTe, cadmium telluride, CdS, cadmium sulfide, SnO2, tin oxide, Tec15, Al2O3, aluminum oxide, II-VI, thin film, Atomic Layer Deposition, ALD, solar cell, semiconductor, window layer, buffer layer, front contact, photoelectron spectroscopy, XPS, PES, impedance spectroscopy, interfaces, band alignment, defects, Fermi levelEnglisch
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-43540
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft > Fachgebiet Oberflächenforschung
Hinterlegungsdatum: 12 Apr 2015 19:55
Letzte Änderung: 12 Apr 2015 19:55
PPN:
Referenten: Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram ; Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 13 Januar 2015
Schlagworte:
Einzelne SchlagworteSprache
CdTe, cadmium telluride, CdS, cadmium sulfide, SnO2, tin oxide, Tec15, Al2O3, aluminum oxide, II-VI, thin film, Atomic Layer Deposition, ALD, solar cell, semiconductor, window layer, buffer layer, front contact, photoelectron spectroscopy, XPS, PES, impedance spectroscopy, interfaces, band alignment, defects, Fermi levelEnglisch
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