Characterization of alkaline-doped wide bandgap chalcopyrite Cu(In,Ga)Se2 thin films and solar cells

Abstract

In dieser Arbeit werden alkali-dotierte Cu(In,Ga)Se 2 (CIGSe) Solarzellen mit großer Bandlücke hergestellt und anschließend opto-elektronisch sowie mittels Simulationen charakterisiert. Es stellt sich zunächst heraus, dass der Effizienzverlust von CIGSe Solarzellen bei steigender Bandlücke hauptsächlich auf eine zunehmende Rekombination an der CIGSe/CdS Heterogrenzfläche zurückzuführen ist. Es wird dann gezeigt, dass die damit einhergehende Verringerung der Leerlaufspannung durch nachträgliche Dotierung des CIGSe Absorbers mit schweren Alkalimetallen wie Kalium, Cäsium und Rubidium deutlich reduziert werden kann. Auf Grundlage von Simulationen mittels Synopsys TCAD wird geschlossen, dass bei dieser Nachbehandlung eine neue Oberflächenschicht auf dem CIGSe Absorber gebildet wird, die sehr dünn ist und eine sehr tiefe Valenzbandkante relativ zum CIGSe Absorber aufweist. Infolge dessen sinkt die Lochdichte an der Grenzfläche, was die Rekombination verringert und somit die Leerlaufspannung erhöht.

In this work, alkaline-doped wide band-gap Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) solar cells are prepared and characterized opto-electronically as well as by means of simulation. It turns out first that the efficiency loss of CIGSe solar cells upon band gap increase is due to an enhanced recombination at the CIGSe/CdS hetero-interface. It is then shown that the associated loss in open-circuit voltage can be reduced significantly by a subsequent doping of the CIGSe absorber with heavy alkalis like potassium, rubidium, and caesium. Based on simulations with Synopsys TCAD, it is concluded that a new surface layer must form during this post-treatment ontop of the CIGSe absorber. This surface layer must be very thin and must have a very deep valence band edge relative to the CIGSe absorber. In consequence of this deep valence-band edge, the holes at the interface are depleted which reduces the recombination and increases the open-circuit voltage.