Spektrale und transiente Eigenschaften der Lumineszenz von Cu2ZnSn(S,Se)4-Dünnschichten
Kretzschmar, Steffen - Technische Universität Berlin (2017)
Um die auf der Pariser Klimakonferenz 2015 vereinbarten Ziele zu erreichen, muss die photovoltaische Energieerzeugung weltweit deutlich ausgebaut werden, da diese unter den regenerativen Energiequellen das höchste Potenzial hat, den wachsenden globalen Bedarf an elektrischer Energie zu decken. Dafür werden Solarzellen benötigt, die aus Elementen bestehen, die in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen und möglichst ungiftig sind. Dünnschichtsolarzellen auf Basis des Materialsystems Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZT(S,Se)) erfüllen diese Voraussetzungen. Der bislang erreichte Wirkungsgrad von 12,6% reicht jedoch nicht aus, um konkurrenzfähige Solarmodule herzustellen. Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads verlangt ein detailliertes Verständnis der Verlustprozesse in der Solarzelle und insbesondere der Defektphysik des Absorbers.
Diese Arbeit liefert auf der Grundlage stationärer und zeitaufgelöster Photolumineszenzspektroskopie (PL und TRPL) sowie Photolumineszenz-Anregungsspektroskopie (PLE) neue Erkenntnisse über die Rekombinationsprozesse in CZT(S,Se)-Dünnschichten. Dafür werden Absorberschichten mit einer Cu-armen und Zn-reichen Zusammensetzung und variierendem Schwefel-Gehalt untersucht.
Stationäre PL-Messungen bei 7K unter Variation der Anregungsintensität über mehrere Größenordnungen bilden die Grundlage für die quantitative Modellierung der Verschiebung des PL-Maximums zu höheren Emissionsenergien bei steigender Anregungsintensität. Es wird gezeigt, dass die gängige Erklärung dieser Verschiebung mit der zunehmenden Abschirmung fluktuierender elektrostatischer Potenziale einer quantitativen Überprüfung nicht standhält. Stattdessen kann ein Modell, das von stark verbreiterten Defektzuständen ausgeht, die sukzessive aufgefüllt werden, die experimentellen Beobachtungen erklären. Zusätzliche PLE-Messungen unterstützen diese Interpretation.
Zeitaufgelöste PL-Messungen bei 7K machen deutlich, dass die Überschussladungsträger vor ihrer Rekombination in lokalisierte Zustände relaxieren, die von stark verbreiterten Donator- und Akzeptor-Defektbändern gebildet werden. Die auf Basis dieser Messungen ermittelten Akzeptorkonzentrationen zeigen, dass in den hier untersuchten Cu-armen und Zn-reichen Proben keine starke Dotierung, die in der Literatur vielfach zur Erklärung der Rekombinationsmechanismen herangezogen wird, vorliegt.
Anhand temperaturabhängiger PL- und TRPL-Messungen wird der Wechsel der strahlenden Rekombinationskanäle mit steigender Anregungsintensität untersucht. Dabei wird bei Raumtemperatur an der CZTS-Probe Free-to-bound-Rekombination beobachtet, währen die strahlende Rekombination der CZTSe-Probe von Band-Band-Rekombination dominiert wird. Diese Beobachtung ist eine Erklärung für das höhere Leerlaufspannungsdefizit in CZTS- gegenüber CZTSe-Solarzellen. Darüber hinaus werden in den temperaturabhängigen PL-Messungen abnehmende Defektionisierungsenergien bei zunehmender Anregungsintensität beobachtet, die sich mit dem Modell des sukzessiven Auffüllens der Defektzustände bei steigender Anregungsintensität begründen lassen. In Raumtemperatur-TRPL-Messungen schließlich werden an CZTSSe und CZTSe erstmalig Abklingzeiten im 100ns-Bereich beobachtet, die sich durch Trapping- und Detrapping-Prozesse erklären lassen.