Zeitabhängige Leerlaufspannung und Dotierdichte von Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen

Abstract

In dieser Arbeit werden zeitabhängige Änderungen der Leerlaufspannung und der Dotierdichte des Absorbers bei Rotlichtbeleuchtung in Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen untersucht. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass sich die Leerlaufspannung bei Rotlicht und Raumtemperatur linear auf der logarithmischen Zeitskala verhält und dass die Dotierdichte gemäß eines Potenzgesetzes monoton steigt. Hieraus wird abgeleitet, dass die Solarzelle durch Volumen-Rekombination limitiert ist, falls die Leerlaufspannungen bei Rotlicht steigt. Ferner ist die Solarzelle durch Grenzflächenrekombination (CdS/CIGSe) limitiert, falls die Leerlaufspannung bei Rotlicht fällt. Die Verknüpfung beider zeitabhängiger Messungen ergibt, dass das Zeitverhalten der Leerlaufspannung durch das Zeitverhalten der Dotierdichte geprägt ist, so dass weitere Effekte wie zeitabhängige Änderungen von rekombinationsaktiven Defekten in der Regel ausgeschlossen werden können. Um die zeitabhängigen Messung dieser Arbeit mit etablierten theoretischen Modellen vergleichen zu können, werden zeitabhängige Lösungen der Kupfermigration sowie des Lany-Zunger-Modells formuliert. Die Deutung der experimentellen Befunde führt zum Ausschluss der Kupfermigration als Ursache der Dotierdichteänderung, da die zu erwartenden Änderungen durch Kupfermigration im Experimentierzeitraum insbesondere bei niedrigeren Temperaturen zu gering sind. Auch das Lany-Zunger-Modell, in welchem lediglich der metastabile (VSe − VCu)-Defektkomplex berücksichtigt wird, kann die experimentellen Befunde nicht ohne Weiteres erklären. Unter der Annahme verschiedener metastabiler Defekte mit unterschiedlichen Übergangsraten, Energiebarrieren oder Defektdichten, wird das Lany-Zunger-Modell verallgemeinert. Mit Hilfe dieses verallgemeinerten Modells können die zeitabhängigen Experimente verstanden weden.

In this work, time dependent changes of the open-circuit voltage and the doping density of the absorber under red-light illumination of Cu(In,Ga)Se2 solar cells are investigated. The experimental results show that the open-circuit voltage is linear on a logarithmic time scale under red-light illumination at room temperature and that the doping density increases according to a power law. From this it can be concluded that solar cells with increasing open-circuit voltage under red light are dominated by volume recombination, whereas solar cells with decreasing open-circuit voltage under red light are dominated by interface recombination (CdS/CIGSe). The combination of both time dependent measurements shows that changes in the open-circuit voltage are induced by changes in the doping density, which means that changes of recombination-active defects, in general, can be excluded. To compare the time dependent measurements with established theoretical models, time dependent solutions of copper migration as well as of the Lany-Zunger model are introduced. The interpretation of the experimental findings leads to the elimination of the copper-migration model, because the expected changes by copper migration during the experimental time scales, especially at lower temperatures, are too low. Also the Lany-Zunger model including only the metastable (VSe −VCu) defect complex is not able to explain the experimental findings. Assuming metastable defects with different metastable properties, e.g. transition rates, energy barriers or defect densities, the Lany-Zunger model is generalized. Using this, all experimental findings can be understood.