Unraveling the structural and optoelectronic effects of Rb on Chalcopyrite solar cells

Abstract

In dieser Arbeit werden die Effekte einer RbF-Nachbehandlung (PDT) auf die Struktur, Morphologie und optoelektronischen Eigenschaften von Cu(InGa)Se2 (CIGSe) Absorberschichten untersucht. Diese Effekte hängen stark von der Wechselwirkung des Rb mit Punktdefekten im CIGSe ab: Rb sammelt sich an Korngrenzen und passiviert dort Defekte, modifiziert die Leitfähigkeit des CIGSe (über eine Wechselwirkung mit Na) und bildet eine RbInSe2:Na-Schicht in Cu-verarmten Bereichen an der Oberfläche des CIGSe. Das Ausmaß dieser Effekte hängt von der Anzahl der verfügbaren Cu-Leerstellen, d.h. der Zusammensetzung des CIGSe, ab. Der Einfluss der RbInSe2-Schicht auf die Bauteileffizienz erweist sich als ambivalent: Sie bildet eine Barriere für den Photostrom, wirkt aber auch als homogeneres Substrat für die CdS-Pufferschicht. Diese Effekte werden experimentell und durch Bauteilsimulationen verifiziert und die Ergebnisse zur Optimierung des PDTs und einer Steigerung der Effizienz auf 20,9 % genutzt.

In this work, the effects of an RbF post-deposition treatment (PDT) on the structure, morphology, and optoelectronic properties of Cu(InGa)Se2 (CIGSe) absorber layers are investigated. These effects are strongly dependent on the interaction of Rb with point defects in the CIGSe: Rb accumulates at grain boundaries passivating defects there, modifies the conductivity of the CIGSe (via interaction with Na), and accumulates in Cu-depleted regions at the surface of the CIGSe forming a RbInSe2:Na-layer. The extent of these effects depends on the number of available Cu-vacancies, i.e. the composition of the CIGSe. The impact of the RbInSe2-layer on the device’s efficiency turns out to be ambivalent: it creates a detrimental barrier for the photo-current but also acts as a more homogeneous substrate for the CdS buffer layer. All effects of the PDT are verified experimentally and by device simulations and the results are used to optimize the PDT achieving a device-efficiency of 20.9 %.