The Role of Cd and Ga in the Cu(In,Ga)S2/CdS Heterojunction Studied with X-Ray Spectroscopic Methods
Photovoltaische Zellen mit dem Aufbau Glas/Mo/Cu(In,Ga)S2/CdS/i-ZnO/n+-ZnO gehören zur Zeit zu den erfolgreichsten Dünnschicht Solarzellen. Dabei dient das Cu(In,Ga)S2 (CIS) als Absorber, das CdS als Pulverschicht und das ZnO als Fensterschicht Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Cu(In,Ga)S2/CdS Halbleiter-Heteroüberganges sowohl als Komponente dieser Solarzelle wie auch als isoliertes Materialsystem. Die Eigenschaften dieses Überganges wurden während des Herstellungsprozesses mittels chemischer Badabscheidung und nach Fertigstellung untersucht. Dem Cu(In,Ga)S2/CdS Übergang werden innerhalb der Solarzelle verschiedene Effekte zugeschrieben: Gitter- oder Bandanpassung zwischen Absorber und Fensterschicht, chemische Oberflächenpassivierung des Absorbers durch die Abscheidung von CdS auf CIS, wobei die Oberflächendefektdichte reduziert wird. Das Cd könnte auch das Fermi Niveau an der CIS Oberfläche fixieren oder zu einer Typinversion an der Oberfläche von p-Typ nach n-Typ führen. Um dies zu untersuchen, wurden neben herkömmlichen Methoden wie Röntgen- und Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie und inverser Photoelektronenspektroskopie, auch neue Methoden zum ersten Mal auf das System angewandt. Diese waren near-UV constant final state yield spectroscopy für die Valenzbanddiskontinuität an der Grenzfläche zwischen CIS und CdS und Near Edge X-ray Absorption Fine Structure, um die Entwicklung der Lage der CIGS Leitungsbandkante mit zunehmendem Ga-Gehalt zu verfolgen. Dazu wurden die Vor- und Nachteile der etablierten und neuen Methoden gegenübergestellt und diskutiert. Es wurde festgestellt, dass die Deposition von CdS weder das Fermi Niveau an einer Position der CIS Oberfläche fixiert, die wichtig ist für die Solarzelle, noch die Oberfläche dotiert obwohl eine Cd-haltige CIS Schicht (CIS:Cd) durch die Abscheidung gebildet wird. Da sie in HCl unlöslich ist, kann es sich nicht um CdS handeln. Weil vermutet wird, dass sich Cd im CIS auf Kationenplätzen befindet, höchstwahrscheinlich auf Cu-Leerstellen, sollten die Cd-S Bindungen im CIS anders als im CdS sein, weil sich CdS in HCl leicht lösen lässt. Weitere Experimente konnten nicht ausschließen, dass Cd in das CIS hineindifundiert, konnten aber wohl zeigen, dass Cu vom CIS in das CdS hineindiundiert, die Oberfläche einer normalen ~35nm CdS Pufferschicht aber nicht erreicht. Die Valenzbanddiskontinutität zwischen CIGS und CdS war unabhängig von Ga-Gehalt und betrug 1.35 eV±0.20 eV. Die Lage des Leitungsbandes wies wiederum eine Ga-Abhängigkeit auf und verschob sich zu niedrigeren Bindungsenergien hin mit zunehmendem Ga-Gehalt. ~8% Ga an der CIGS Oberfläche weitete die Oberflächenbandlücke des Materials um ~150meV auf, bezogen auf reines CIS. Diese Bandaufweitung verschlechtert die Leitungsbandanpassung zwischen CIGS und CdS, obwohl die Beimischung von Ga die Leerlaufspannung der Solarzelle um ~100mV erhöht.
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