Untersuchungen von Inhomogenitäten und kompositionellen Gradienten in Cu (In, Ga) Se2 mittels hoch orts-, hoch spektral- und hoch zeitaufgelöster Kathodolumineszenz

Abstract

The objective of this thesis is the novel application of different methods of highly spatially, spectrally, and time resolved cathodoluminescence microscopy to investigate different aspects of optical properties of Cu(In,Ga)Se2 thin film solar cells. This gives access to an improved understanding of the material and new ways to optimize the absorbers, which are otherwise inaccessible. A comparison of CuIn0;7Ga0;3Se2 layers and CuInSe2 absorbers exhibited larger average potential fluctuations for quaternary samples due to their higher probability to form point defects. Furthermore, polycrystalline samples showed shallower fluctuations than comparable singlecrystalline layers. Utilizing time resolved measurements, differences in charge carrier kinetics could be identified. It is dominated by transfer processes in all samples. Distinctions during luminescence decay revealed the screening of charged defects and filling of fluctuations to be most effective in the quaternary polycrystalline sample. The investigation of the surface of a gradually etched absorber with a double gradient and its cross section allowed to investigate the lateral and vertical luminescence distribution depth dependent. From vertical intensity profiles transport parameters like drift length in the quasi-electric-field of the gradient and mobility could be extracted. These parameters show a strong spatial dependence in the sub-My range. Additionally, from samples with differently pronounced gradients it was possible to visualize their impact on carrier transport and to correlate them to electric solar cell characteristics. The third emphasis of this thesis is on the direct correlation of structural properties of grain boundaries, especially their symmetry, gained in electron-backscatter diffraction measurements, to optical properties. For this purpose, a large number of grain boundaries in absorbers with various compositions was investigated to examine their influence on charge carrier transport. In all samples 3 grain boundaries, which are by far the majority of grain boundaries, are optically inactive. Whereas, a substantial number of non 3 grain boundaries display a spectral shift of up to 9 meV and a significant reduction of intensity. This indicates an increased non-radiative Shockley-Reed-Hall recombination. Thus, a clear connection between symmetry and optical properties of grain boundaries in Cu(In,Ga)Se2 could be revealed.

Ziel dieser Arbeit ist es, Methoden hoch orts-, spektral- und zeitaufgelöster Kathodolumineszenzmikroskopie auf verschiedene Aspekte optischer Eigenschaften von Cu(In,Ga)Se2-Dünnschichtsolarzellen auf neuartige Weise anzuwenden und so Zugang zu Möglichkeiten für Materialverständnis und -optimierung zu erlangen, die mit anderen Methoden unzugänglich sind. Zu diesen Aspekten zählen die viel diskutierten Potentialfluktuationen, vertikale Kompositionsgradienten und optische Eigenschaften von Korngrenzen. Ein Vergleich von quaternären CuIn0;7Ga0;3Se2- mit ternären CuInSe2-Schichten zeigt, dass zum einen die quaternären Schichten größere mittlere Potentialfluktuationen aufweisen, was aufgrund ihrer höheren Wahrscheinlichkeit zur Bildung von Punktdefekten anschaulich ist. Zum anderen zeigen polykristalline Absorber flachere Potentialfluktuationen als epitaktische Vergleichsschichten. Mit Hilfe zeitaufgelöster Messungen konnten die Unterschiede in der Ladungsträgerkinetik der Absorber herausgearbeitet werden. Sie ist bei allen Proben durch Transferprozesse der Ladungsträger geprägt. Differenzen im Abklingverhalten der Lumineszenz zeigen auf, dass das Abschirmen der geladenen Defekte bzw. das Auffüllen der Minima in der polykristallinen quaternären Probe am effektivsten geschieht. Die Untersuchung von schrittweise abgeätzten Proben und der Bruchkante eines Absorbers mit Doppelgradienten, erlaubte es, die tiefenabhängige Lumineszenzverteilung sowohl lateral als auch vertikal abzubilden. Aus Intensitätsprofilen war es möglich, Transportparameter wie die Driftlänge im quasi-elektrischen Feld des Gradienten und daraus die Mobilität zu bestimmen. Diese Parameter zeigten eine starke laterale Ortsabhängigkeit bereits im Sub- m-Bereich. Zusätzlich gelang es an Proben mit unterschiedlich ausgeprägten Gradienten, deren Auswirkungen auf den Ladungsträgertransport zu visualisieren und mit den elektrischen Kenndaten zu korrelieren. Der dritte Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der direkten Korrelation von strukturellen Eigenschaften, insbesondere der Symmetrie, einer großen Zahl von Korngrenzen, gewonnen aus Elektronenrückstreubeugungsmessungen, von Absorbern verschiedener Komposition mit deren Lumineszenzeigenschaften, um daraus Erkenntnisse über ihren Einfluss auf den Ladungsträgertransport zu gewinnen. 3-Korngrenzen zeigen sich optisch inaktiv. Der überwiegende Teil der weniger symmetrischen nicht- 3- Korngrenzen hingegen zeigt spektrale Verschiebungen von bis zu 9 meV und eine signifikante Reduzierung der Intensität. Sie deuten damit an der Stelle auf eine verstärkte nichtstrahlende Shockley-Reed-Hall Rekombination.