Numerical simulation and experimental investigations for mechanical scribing of Cu(In;Ga)Se2 thin-film solar cells

Abstract

In dieser Arbeit wird die mechanische Strukturierung von CIGS-Dünnschichtsolarzellen experimentell sowie mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode untersucht. Ziel ist es den Mechanismus des Materialabtrags während des Strukturierungsprozesses zu analysieren und zu verstehen. Dabei wird das Elastizitätsmodul von CIGS-Dünnschichten mit Hilfe von Nanoindentierung experimenten bestimmt. In den experimentellen Untersuchungen werden die Strukturierungen mit Hilfe einer Nadel durchgeführt, deren Normalkraft während des Strukturierungsprozesses konstant gehalten wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass das Abplatzen von CIGS-Dünnschichten beginnt, sobald die in Laufrichtung wirkende Maximalkraft der Nadel erreicht ist, welche ebenfalls experimentell bestimmt wurde. Aus den Untersuchungen konnte zudem die Scherfestigkeit der CIGS/Mo Grenzfläche bestimmt werden, welche für die numerischen Modellierungen genutzt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Anwachsen dieser Scherfestigkeit das Abplatzen reduziert. Hierbei verursachen abgerundete Nadel geringere Abplatzungen als Nadeln mit abgeflachten Spitzen. Um die Delamination der CIGS-Dünnschichten sowie deren Knicken während des Strukturierungsprozesses zu untersuchen, wurde ein dreidimensionales Finite-Elemente-Modell erstellt. Die Ergebnisse der Simulation zeigen, dass das Knicken bei Erreichen der in Laufrichtung wirkenden Maximalkraft der Nadel auftritt. Die aus der numerischen Modellierung gewonnen Werte der Maximalkraft fügen sich dabei gut in die experimentell bestimmten Ergebnisse ein. Durch die in der Simulation berechneten Zugspannungen konnte ebenfalls der nahezu kreisförmige Rissverlauf aus den experimentellen Untersuchungen aufgezeigt werden. Die Simulationsergebnisse stimmen dabei gut mit den experimentellen Befunden überein und können genutzt werden, um mechanische Strukturierungsprozesse zu optimieren. Abschließend wurde nach der Analyse der experimentellen sowie numerischen Ergebnisse ein Schema zur Erklärung des Mechanismus des mechanischen Strukturierungsprozesses von CIGS-Dünnschichten vorgeschlagen.

The mechanical scribing of CIGS thin-film solar cells is investigated by using experiments and finite element modeling. This thesis is aimed to analyze and understand the mechanism of material removal during the scribing process. The Young’s modulus of CIGS thin-film is determined with the help of nanoindentation experiments. In the experimental investigations, the scribing is done with the help of needle by keeping the force acting normal to the specimen as constant. The experimental results show that the chipping of CIGS thin-film starts when the maximum force along the scribing direction is reached. The value of this maximum force is also determined experimentally. The shear strength of CIGS/Mo interface is determined which is used to model the interface in finite element simulation. The chip area decreases with the increase in interface shear strength. Slightly rounded tip needle produces better scribes with relatively lower chip area as compared with the flat tip needle. A three dimensional finite element model is used to investigate the buckling and delamination of CIGS thin-film during the scribing process. The simulation results show that the buckling of CIGS thin-film starts when the maximum force along the scribing direction is reached. The value of this maximum force is also determined in simulation which fits well with the experimental results. The distribution and direction of first principal stresses in the CIGS film revealed the nearly circular shape of crack path which agrees with the experiments. The simulation results fit well with the experimental findings and these results can be used for the optimization of the mechanical scribing process and the design of scribing setups. A scheme of mechanism for the process of mechanical scribing is proposed after analyzing and understanding the experimental and simulation results.