Einfluss eines ‚Damp Heat’ – Tests auf die Leistungsmerkmale der Solarzelle

Tabelle 7.3

Mittels ERDA bestimmte Zusammensetzung einer CdS Schicht, welche innerhalb von 4 CBD-Standardabscheidungen auf einem Au-Substrat aufgebracht wurde

Schichtdicke Cd

[%]

S [%]

H [%]

O [%]

N [%]

C [%]

CBD-CdS/Au (4 × Std.-Abscheidg.)

710·10¹⁵ Atome/cm²

~ 180 nm 37 37 11 6 6 3

ist somit eine genaue Identifizierung der H-Verbindung zwar nicht möglich, man kann diese jedoch auf zwei Materialien (H₂O oder Cd(OH)₂) einschränken.

Nach einem DH-Test steigt sowohl der H- als auch der O-Gehalt im hinteren Teil beider Bauteile in der Nähe des Mo-Rückkontaktes an. Dies kann auf den Einbau von Wasser während des DH-Tests zurückgeführt werden. Eine Entwässerung der WEL bzw. des Puffers durch die erhöhte Temperatur im

‚Damp-Heat’, wie für das ILGAR-ZnO im Abschnitt 7.4.1 gezeigt, könnte allerdings ebenfalls Wasser freisetzen. Der nach dem DH-Test gesunkene H-Gehalt an der Grenzfläche der CBD-CdS gepufferten Solarzelle könnte im folgenden Sinne interpretiert werden: Der Hydroxid-Gehalt in der CBD-CdS Schicht wird während des DH-Tests entwässert und das freigesetzte Wasser breitet sich anschließend im Bauteil aus. Für Solarzellen mit ILGAR-ZnO WEL ist dieser Prozess nicht zu beobachten, was darauf deutet, dass das auch hier freigesetztes Wasser an der Grenzfläche verbleibt. Weiterhin kann man feststellen, dass der O-Gehalt in der CBD-CdS Referenz im Vergleich zur WEL-Solarzelle nach einem DH-Test deutlicher und nicht nur am Rückkontakt sondern im gesamten Absorber ansteigt (vgl. Abb. 7.21 (b) und 7.22 (b)).

In den nächsten Abschnitten soll nun überprüft werden, inwieweit die beobachteten chemischen Änderungen in der Solarzelle sich auf deren elektronische Eigenschaften auswirken.

7.5.3 EINFLUSS EINES ‚DAMP HEAT’-TESTS AUF DIE LEISTUNGSMERKMALE DER SOLARZELLE

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

1.1 rf ZnO:Ga/ ILGAR-ZnO WEL/ Cd²⁺-CIGSSe

ILGAR-Prozesstemp.

100°C 75°C 55°C

rf ZnO:Ga/ rf i-ZnO/ Cd²⁺-CIGSSe post

DH

pre DH

nach

DH ls

60 min ls

30 min ls

30 min initial

Norm. Wirkungsgrad

Abbildung 7.23 Auf den Anfangszustand normierte Wirkungsgradmittelwerte (der 8 Zellen auf einem inch × inch Substrat) von WEL-Solarzellen bei denen die ILGAR-ZnO Schichten bei verschiedenen Prozesstemperaturen aufgebracht wurden, vor und nach einem DH-Test sowie nach diversen Ls-Zyklen. Zum Vergleich ist auch die DH-Stabilität einer rf ZnO:Ga/ rf i-ZnO/ Cd²⁺-CIGSSe - Solarzelle mit angegeben. Die Fehlerbalken stehen für die Standardabweichung vom Mittelwert.

-55 % liegt, was auf andere Mechanismen als auf die oben diskutierte Entwässerungs-/ Desintegrations-Problematik hydroxidhaltiger Schichten zurückgeführt werden muss. Die DH-Stabilität der WEL-Solarzellen dagegen korreliert mit dem Hydroxid-Gehalt in den ILGAR-ZnO WELs (∆η_DH/η_initial je kleiner, je kleiner der OH-Gehalt). Unter Beleuchtung erholt sich die Solarzellen-Effizienz, die Anfangswerte werden aber nicht wieder erreicht. Die Puffer/WEL-freien rf ZnO:Ga/ rf i-ZnO/ Cd²⁺ -CIGSSe – Solarzellen profitieren am meisten von diesem ‚lightsoaking’, so dass sich deren ∆η _DH/η_initial nach einem 60 min ‚lightsoaking’-Zyklus auf -34 % verbessert (Tabelle 7.4). Einen höheren Wirkungsgrad nach dem DH-Test haben dann nur noch die WEL-Solarzellen (∆η_DH/η_initial = -28 %), bei denen die ILGAR-ZnO Schicht bei 100°C abgeschieden wurde.

In Tabelle 7.4 sind die Anfangswirkungsgrade η_initial der verschiedenen Solarzellen mit den DH-induzierten Wirkungsgradverlusten zusammengefasst dargestellt. Den niedrigsten Anfangswirkungsgrad ((10.8 +/- 0.6) %) haben die Puffer/WEL-freien Solarzellen, was bereits in Abschnitt 6.9 diskutiert wurde.

Für die WEL-Solarzellen wird der höchste ηinitial von (13.8 +/- 0.3) % für eine Prozesstemperatur von 75°C erreicht (25 Dips), was die Ergebnisse aus dem Abschnitt 7.1.2 bestätigt. Die beste DH-Stabilität findet man allerdings für Zellen, bei denen die WEL bei 100°C aufgebracht wurde. Trotz des relativ niedrigeren Anfangswirkungsgrades von (12.5 +/- 1.0) % zeigen diese Zellen die höchsten postDH-Effizienzen. Eine weitere Erhöhung der Prozesstemperatur für eine noch bessere DH-Stabilität führt

Tabelle 7.4

Durchschnittliche Anfangswirkungsgrade (der 8 Zellen auf einem inch × inch Substrat) und DH-induzierter Wirkungsgradverlust von WEL-Solarzellen mit ILGAR-ZnO Schichten, die bei verschiedenen Prozesstemperaturen präpariert wurden. Zum Vergleich sind auch die Werte für eine rf ZnO:Ga/ rf i-ZnO/ Cd²⁺ -CIGSSe – Solarzelle angegeben. Die Fehler stehen für die Standardabweichung vom Mittelwert.

Prozesstemp. [°C] ηinitial* [%] ∆ηDH/ηinitial* [%]

rf ZnO:Ga/ rf i-ZnO/ Cd²⁺-CIGSSe** - 10.8 +/- 0.6 - 34

rf ZnO:Ga/ ILGAR-ZnO WEL/ Cd²⁺-CIGSSe**

55 13.0 +/- 0.4 - 41 75 13.8 +/- 0.3 - 38 100 12.5 +/- 1.0 - 28

* nach 30 min ‚lightsoaking’; ** Cd²⁺/NH3-behandelter CIGSSe-Absorber (Anhang A 2.1)

aufgrund der drastisch einbrechenden η_initial-Werte von Solarzellen mit ILGAR-ZnO WEL (Abschnitt 7.1.2) auch zu relativ niedrigen Zell-Effizienzen nach einem DH-Test. Folglich wird als Kompromiss zwischen DH-Stabilität und η_initial eine Prozesstemperatur von 100°C gewählt.

DH-STABILITÄT DER WEL-SOLARZELLEN IM VERGLEICH ZU CBD-CdS R^EFERENZEN

Im Folgenden soll nun die DH-Stabilität von WEL-Solarzellen mit diesbezüglich optimierten ILGAR-ZnO Schichten (25 Dips, 100°C) mit der von CBD-CdS Referenzen verglichen werden.

In Abbildung 7.24 ist die Entwicklung der (normierten) PV-Parameter entsprechender Solarzellen vor und nach einem DH-Test sowie nach diversen ‚lightsoaking’-Zyklen zu sehen. Die WEL-Solarzellen zeigen bereits vor dem DH-Test im Gegensatz zu den CBD-CdS Referenzen einen leichten

‚lightsoaking’-Effekt, der hauptsächlich auf einer Verbesserung des Füllfaktors beruht. Nach einem 30-minütigen ‚lightsoaking’-Zyklus wird sogar ein höherer mittlerer Wirkungsgrad von (13.8 +/- 0.5) % gegenüber (13.4 +/- 0.7) % für die CBD-CdS Referenz erreicht (Tabelle 7.5). Nach dem DH-Test brechen U_OC, FF und folglich auch η beider Bauteile ein, für die WEL-Solarzellen (∆η_DH/η_initial = -38 %) ist dieser Effekt im Vergleich zu CBD-CdS gepufferten Referenzen (∆η_DH/η_initial = -20 %) allerdings ausgeprägter.

Auf die Kurzschlussstromdichte beider Solarzellen haben die DH-Bedingungen einen weitaus geringeren Einfluss. Während J_SC der CBD-CdS Referenzen nur leicht sinkt, profitiert offensichtlich die Kurzschlusstromdichte der WEL-Solarzellen sogar vom DH-Test. Unter Beleuchtung (30 min Ls) erholen sich die WEL-Solarzellen (∆ηDH/ηinitial = -28 %), erreichen jedoch trotz der größeren ‚lightsoaking’-Empfindlichkeit nicht die Effizienzen der CBD-CdS Referenzen (∆η_DH/η_initial = -17 %).

Um einen Einfluss von Randeffekten bzw. DH-induzierter Kontaktkorrosion auf die Bestimmung der DH-Stabilität auszuschließen, wurde der Kontakt zur Mo-Rückelektrode sowie die Strukturierungslinien, welche die Zellfläche definieren, erneuert (‚neuko’). Letzteres reduziert die Zellfläche von 0.50 cm² auf 0.43 cm². Diese ‚neuko’-Behandlung wirkt sich auf die Leistungsmerkmale beider Zelltypen positiv aus (Abb. 7.24 −> ‚neuko’). Für die WEL-Solarzelle ist die Verbesserung jedoch größer, so dass die Zellen nach einem zusätzlich 60-minütigen ‚lightsoaking’-Zyklus nun mit den CBD-CdS gepufferten Solarzellen annähernd gleichauf liegen. Sie erreichen einen DH-induzierten Wirkungsgradverlust von ∆η _DH/ηinitial_WEL = -17 % im Vergleich zu ∆η _DH/ηinitial_CdS = -15 % (Tabelle 7.5)

rf ZnO:Ga/ rf i-ZnO/

CBD-CdS/ CIGSSe neuko

ls 60 min

ls 60 min

ls 30 min

ls 30 min vor ls

nach DH

initial

postDH

preDH

η FF V_OC J_SC

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

rf ZnO:Ga/ ILGAR-ZnO/

Cd²⁺-CIGSSe neuko postDH

preDH

vor ls

nach DH ls 60 min

ls 60 min

ls 30 min

initial ls 30 min

Norm. PV Parameter (a) (b)

Abbildung 7.24 Auf den Anfangszustand normierte, gemittelte PV-Parameter (der 8 Zellen auf einem inch × inch Substrat) von WEL-Solarzellen mit ILGAR-ZnO bzw. CBD-CdS gepufferten Referenzen vor und nach 100 h DH sowie nach diversen ‚lightsoaking’ (Ls)-Zyklen und nach Erneuerung des Kontaktes zum Mo und der Strukturierungslinien, welche die Zellfläche definieren (‚neuko’). Die Absolutwerte sind in Tabelle 7.5 zu finden.

Tabelle 7.5

Gemittelte PV-Parameter (Durchschnitt der 8 Zellen auf einem inch × inch Substrat; vermessen unter Standartestbedingungen) und auf den Anfangszustand bezogene durchschnittliche Wirkungsgradänderung von WEL-Solarzellen mit ILGAR-ZnO bzw. CBD-CdS Referenzen nach verschiedenen Behandlungen. Die Fehler stehen für die Standardabweichung vom Mittelwert.

preDH preDH postDH postDH

‘neuko’ preDH preDH postDH postDH

‘neuko’

ls [min] 0 30 30 60 0 30 30 60

JSC [mA/cm²] 33.9 +/-0.5

34.0 +/- 0.4

34.9 +/- 0.7

34.9 +/- 0.5

32.2 +/- 0.9

32.5 +/- 0.8

32.0 +/-0.8

31.9 +/-0.7 UOC [mV] 562

+/- 13

569 +/- 5

493 +/- 14

523 +/- 7

583 +/- 2

586 +/- 3

536 +/- 7

535 +/- 4 FF [%] 67.1

+/- 4.1

71.2 +/- 0.4

53.8 +/- 1.3

59.2 +/- 0.9

70.2 +/- 1.9

70.4 +/- 2.3

63.5 +/- 0.8

65.9 +/-1.2 η [%] 13.0

+/- 0.5

13.8 +/- 0.5

9.3 +/- 0.6

10.8 +/- 0.3

13.2 +/- 0.6

13.4 +/-0.7

10.9 +/- 0.3

11.2 +/- 0.3

∆ηDH/ ηinitial [%] 0 +6 - 28 - 17 0 +2 -17 -15

rf ZnO:Ga/ ILGAR-ZnO/ Cd⁺-CIGSSe rf ZnO:Ga/ rf i-ZnO/ CBD-CdS/ CIGSSe

Der Vergleich der Dunkelkennlinien einer WEL-Solarzelle nach dem DH-Test und nach einer

‚neuko’-Behandlung in Abbildung 7.25 visualisiert eine Verbesserung von RS und RP, was mit dem Ansteigen von FF und U_OC korreliert. Dies deutet auf eine DH-induzierte Kontaktkorrosion und der Ausbildung von Rekombinationspfaden entlang der Zell-Definitions-Linien und vermutlich weiteren negativen Randeffekten. Ein ähnlicher Effekt auf RS und RP kann auch für die CBD-CdS Referenzen festgestellt werden, was jedoch nicht in einer Verbesserung von UOC resultiert. Die positive Wirkung auf FF ist ebenfalls schwach (vgl. Abb. 7.24 (a) und (b)). Die Auswertung einiger Dunkelkennlinien hinsichtlich der Bestimmung der R_S- bzw. R_P-Werte gemäß Gleichung [5.22] ergibt für beide Solarzell-Strukturen ungefähr eine Verdopplung des Parallelwiderstandes durch die ‚neuko’-Behandlung bei, wie erwartet, höheren Absolutwerten für die CBD-CdS Referenzen (Abschnitt 7.2.2). Die Änderungen im Serienwiderstand sind auch aufgrund der durch die DH-Bedingungen stark beeinflusste Form der J(U)-Kennlinien (siehe auch Abschnitt 7.5.5) nicht so eindeutig. Berücksichtigt man das auf den Gleichungen [5.23] beruhende 5 %-Kriterium (∆η_rel < 5 % für R_S < 0.5 Ω/cm² und R_P > 840 Ω/cm², Abschnitt 5.1.4) und die R_P-Werte von entsprechenden Solarzellen vor einem DH-Test (R_P (ZnO WEL) = 890 Ω/cm²

< RP (CdS-Puffer) = 1290 Ω/cm²; Tabelle 7.2), dann kann man das Ausbleiben einer signifikanten

-0.5 0.0 0.5 1.0

10^-3 10^-2 10^-1 10⁰ 10¹ 10²

post DH

'neuko' R_S

R_P

rf ZnO:Ga/ ILGAR-ZnO Cd²⁺-CIGSSe Stromdichte [mA/cm2 ]

Spannung [V]

Abbildung 7.25 PostDH-Dunkelkennlinie einer WEL-Solarzelle mit ILGAR-ZnO vor und nach

‚neuko’-Behandlung (Erneuerung des Kontaktes zum Mo und der Strukturierungslinien, welche die Zellfläche definieren).

Verbesserung von U_OC und FF der CBD-CdS Referenzen durch die ‚neuko’-Behandlung auf das ohnehin bessere RP zurückführen. So hat der Anstieg eines von vornherein großen Parallelwiderstandes keine so große Auswirkung auf UOC, FF und damit der Solarzell-Effizienz, wie die Verdopplung eines vergleichsweise geringen R_P. Somit ist ein weiterer kritischer Punkt für die DH-Stabilität von zukünftigen Solar-Modulen identifiziert, da bei diesen durch Strukurierungslinien die integrierte Verschaltung erreicht wird (Abschnitt 2.2.1). Bei einer entsprechend guten Verkapselung sollte dies jedoch kein Problem darstellen, solange die intrinsische Materialstabilität gewährleistet ist. Dass die CIGSSe-Solarzelle mit WEL-Fensterstruktur auch im Hinblick auf Stabilität gleichwertig zu den CBD-CdS gepufferten Referenzen ist, wurde hiermit demonstriert.

Um die DH-induzierten Degradationsmechanismen genauer zu analysieren, werden in den nächsten Abschnitten postDH-Zellen hinsichtlich möglicher elektronischer Änderungen im Bauteil charakterisiert. Es wird der Einfluss der DH-Bedingungen auf den dominierenden Rekombinations-Prozess und die spektrale Stromsammlung untersucht.

Im Dokument Neuartige Cd-freie Fensterstruktur für Chalkopyrit-Dünnschichtsolarzellen (Seite 159-163)