Kapazitätsspektroskopie an Cu(In,Ga)Se 2 -Solarzellen mit unterschiedlichem
Galliumgehalt
Im Zuge der angestrebten Erhöhung der Leerlaufspan- nung gilt das Forschungsinteresse nun nicht mehr nur Cu(In,Ga)Se2mit dem üblichen Standard-Galliumgehalt (Verhältnis Ga/(In+Ga) = 0.28), sondern mehr und mehr auch dem gesamten In-Ga-Legierungssystem. Unsere Untersuchungen sind vornehmlich auf die in den Materia- lien auftretenden charakteristischen Defekte und deren Veränderung mit variierendem Ga/(In+Ga)-Verhältnis (GGI) ausgerichtet. Als Messtechniken verwenden wir Admittanz- spektroskopie und die Transiente Störstellenspektroskopie (DLTS): Majoritäten- und Minoritäten-DLTS, wobei im Folgenden genauer auf Ergebnisse von Majoritäten- DLTS-Messungen eingegangen werden soll.
Die Untersuchungen wurden an Solarzellen mit unter- schiedlichem GGI durchgeführt, die den ganzen Legie- rungsbereich abdecken. Zur Sicherstellung eines definier- ten Ausgangszustandes wurden die Proben jeweils vor Beginn der Messung 1 h bei 350 K in Heliumatmosphäre belassen[1]. Generell ist festzustellen, dass die Kapazitäts- transienten sich nicht durch eine oder mehrere diskrete Exponentialfunktionen anpassen lassen. Eine weitere Eigen- schaft der Proben ist, dass die Transientenform bei hohen Temperaturen stark von der Anzahl der Messpulse (Meta- stabilitäten) abhängt. Aufgrund dieser Aspekte sind die erhaltenen Emissionsraten und Aktivierungsenergien, die durch Gewichtung mit Hilfe der Boxcar-Funktion ermittelt wurden, als Richtwerte zu verstehen.
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V. Mertens J. Parisi
Universität Oldenburg verena.mertens@
uni-oldenburg.de
M. Köntges R. Reineke-Koch ISFH
FVS•PV-UNI-NETZ Workshop 2003
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Wenn nicht anders beschrieben, wurden folgende Parameter für die DLTS-Messungen verwendet:
Rückwärtsspannung UR= -1.5 V, Pulshöhe U1= 1.5 V, Pulslänge Pl = 1 s.
Die Spektren für die Galliumgehalte 0.10, 0.28, 0.50 und 0.75 sehen einander recht ähnlich und enthalten überra- schenderweise recht wenige Signale. Ältere Messungen an noch weniger optimierten Proben wiesen vor allem in Bezug auf die Nicht-Standardzusammensetzungen noch deutlich mehr Defekte auf. Einige von ihnen scheinen nun durch den weiter verbesserten Herstellungsprozess nicht mehr oder zumindest nicht mehr in detektierbaren Kon- zentrationen vorhanden zu sein.
In den Spektren treten nun noch drei verschiedene Signale auf. Man erkennt ein Majoritätensignal im Bereich höherer Temperaturen, dem teilweise ein Minoritätensignal kleiner Amplitude bei etwas geringeren Temperaturen benachbart
ist. Im Bereich von Temperaturen unterhalb 200 K sind ein 273
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Abbildung 1:
Majoritäten-DLTS- Spektrum einer Solar- zelle mit GGI = 0.10.
Messparameter:
Rückwärtsspannung UR= -1.5 V, Pulshöhe U1= 0.6 V, Pulslänge Pl = 1s FVS•PV-UNI-NETZ Workshop 2003
50 100 150 200 250 300 350 Temperatur [K]
DLTS-Signal [%]
Boxcar-Frequenz 2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
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Minoritäten- und ein Majoritätensignal beobachtbar, welche im Folgenden als Max1T und Min2T bezeichnet werden sollen. Letztere besitzen recht auffällige Eigenschaf- ten: Bei zwei verschiedenen Verfahren zur Bestimmung eines Störstellenkonzentrationsprofils ergeben sich wider- sprüchliche Ergebnisse. Eine DLTS-Messreihe mit Variation der Pulshöhe U1ergab, dass die Amplitude des negativen Signals im DLTS-T-Spektrum bei Zunahme von U1ansteigt, währenddessen die Amplitude des positiven Signals abnimmt.
Im Widerspruch dazu ist bei einer Variation der Rückwärts- spannung bei gleichbleibender relativ geringer Pulshöhe (alternative Methode zur Ermittlung eines Konzentrations- profils) stets nur das positive Signal Max1T zu sehen. Die Kapazitätstransienten selbst zeigen darüber hinaus stets nur das Minoritäten oder das Majoritätensignal. Dieses Verhal- ten spricht gegen zwei zufällig sehr nah beieinanderliegen- de Störstellen, da solche Transienten aufweisen würden,
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Abbildung 2:
Pulshöhenvariationsmess ung an einer Solarzelle mit GGI = 0.10.
Weitere Messparameter:
Rückwärtsspannung UR= -1.5 V, Pulslänge Pl = 1 s FVS•PV-UNI-NETZ Workshop 2003
0 50 100 150 200 Temperatur [K]
DLTS-Signal [%]
Boxcar-Frequenz:
288.7 Hz
U1= 0.3V U1= 0.6V U1= 0.9V U1= 1.2V U1= 1.5V 2
0
-2
-4
-6
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die aus einer Überlagerung einer positiven und negativen Transiente bestünden. Um das Auftreten dieser Signale zu klären, sind noch weitere Untersuchungen notwendig. Bis jetzt wird als Ursache ein Einfluss des Leckstroms vermutet.
Die Spektren der Randkompositionen GGI = 0.0 bezieh- ungsweise GGI = 1.0 unterscheiden sich etwas von den zuvor beschriebenen. Sie zeigen zwar in ähnlicher Weise das (bereits beschriebene gekoppelte) Auftreten des Majo- ritäten- und des Minoritätensignals Max1T und Min2T, jeweils abhängig von den verwendeten Messparametern, doch treten zusätzlich noch weitere Signale auf.
Mit Hinblick auf die bereits gemachten Erfahrungen bei den mittleren GGI-Verhältnissen, ist jedoch eine Reduzie- rung der auftretenden Defektsignale durch weitere Op- timierung des Herstellungsverfahrens hier ebenfalls wahrscheinlich.
Die Untersuchungen mittels Transienter Störstellenspek- troskopie ergeben demnach keine systematischen Verände- rungen der Defektspektren bei Erhöhung des Ga/(Ga+In)- Verhältnisses. Die Findung der Ursache, welche die Signale Max1T und Min2T hervorruft, könnte jedoch zu einem tieferen Verständnis der Vorgänge in CIGS-Solarzellen beitragen.
Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung
(Projekt 01SF0021). Besonderer Dank gilt M. Powalla und R. Kniese vom Zentrum für Sonnenenergie- und
Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in
Stuttgart für die Bereitstellung der Proben. 275
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