Phasenbildung am System Cu-Zn-Sn-(In,Ga)-S-Se untersucht mit Echtzeitmethoden für Chalkogenid-Dünnschichtsolarzellen

Abstract

In dieser Arbeit werden verschiedene Wachstumsbedingungen zur Präparation von Kesterit und Kesterit- Chalkopyrit Mischkristallen in einem zweistufigen Co-Verdampfungsprozess analysiert. Die Kombination von in-situ IR-Laserlichtstreuung und in-situ Röntgendiffraktometrie ermöglicht die direkte Analyse des Phasenwachstums der wachsenden Halbleiter. Für Cu2ZnSnSe4 werden Prozessoptimierungen durch Variationen des Substrattemperaturprofils analysiert. Die Bildung sekundärer Phasen ist dabei im Fokus. Der Wirkungsgrad der Solarzellen konnte so von 4,1 % auf 5,0 % gesteigert werden. Die Präparation von Cu2ZnSnSe4-CuInSe2 Mischkristallen zeigt, dass die Integration von kleinen Indium Anteilen die Bildung eines einphasigen Halbleiters mit relativ großem Homogenitätsbereich nahe am Cu2ZnSnSe4 ermöglicht. Die Effizienz kann dabei von 5.0 % auf 6,5 % gesteigert werden. Die Präparation von Cu2ZnSnSe4-CuGaSe2 Mischkristallen ergibt vergleichbare Ergebnisse, allerdings sinkt die Effizienz dieser Solarzellen schon ab einem Gallium-Anteil von 0,04 um relative 45 %. Die weitere Mischung von Cu2ZnSnSe4-CuInSe2 mit relativ 9% Schwefel als zweitem Chalkogenid-Atom ermöglicht eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrads auf 7,1 %, bei ähnlichem Mischungsverhalten.

In this work, various growth conditions for the preparation of kesterite and kesterite-chalcopyrite mixed crystals are analyzed in a two-step co-evaporation process. The combination of in-situ IR laser light scattering and in-situ X-ray diffractometry allows the direct analysis of the phase growth of the growing semiconductors. For Cu2ZnSnSe4, process optimizations are analyzed by variations of the substrate temperature profile. The formation of secondary phases is the focus here. The efficiency of the solar cells could thus be increased from 4.1 % to 5.0 %. The preparation of Cu2ZnSnSe4-CuInSe2 mixed crystals shows that the integration of small indium fractions allows the formation of a single-phase semiconductor with a relatively high homogeneity region close to Cu2ZnSnSe4. The efficiency can be increased from 5.0 % to 6.5 %. The preparation of Cu2ZnSnSe4-CuGaSe2 mixed crystals results in comparable results, but the efficiency of these solar cells drops by a relative amount of 45 % from a minor gallium fraction of 0.04. The further mixture of Cu2ZnSnSe4-CuInSe2 with relatively 9 % sulfur as a second chalcogenide atom allows a further increase in the efficiency to 7.1 %, with a similar mixing behavior.