05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Mobility and homogeneity effects on the power conversion efficiency of solar cells(2008) Mattheis, Julian; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)The thesis on hand investigates the interplay between detailed radiation balances and charge carrier transport. The first part analyzes the role of limited carrier transport for the efficiency limits of $pn$-junction solar cells. The second part points out the influence of transport on the absorption and emission of light in inhomogeneous semiconductors. By incorporating an integral term that accounts for the repeated internal emission and reabsorption of photons (the so-called photon recycling) into the diffusion equation for the minority carriers, the first part of the thesis develops a self-consistent model that is capable of describing the power conversion efficiencies of existing devices as well as of devices in the radiative recombination limit. It is shown that the classical diode theory without the inclusion of photon recycling produces accurate results only if the minority carrier lifetime is at least ten times smaller than the radiative lifetime. The thesis shows that even in the radiative recombination limit, charge carrier transport is extremely important. The thesis thus presents a universal criterion that needs to be fulfilled by any photovoltaic material in order to obtain high power conversion efficiency. The numerical results are analyzed and compared to an analytical approximation. The thesis applies the developed model to solar cells made of crystalline silicon, amorphous silicon and Cu(In,Ga)Se$_2$ (CIGS). It shows that crystalline silicon solar cells neither have transport problems in the radiative recombination limit nor in existing devices. In Cu(In,Ga)Se$_2$ solar cells, mobilities are at most two orders of magnitude above the critical mobility and guarantee complete carrier collection only close to the radiative limit. The second part of the thesis investigates the role of carrier transport for the absorption and emission of light in semiconductors with band gap fluctuations. The chapter develops an analytical statistical model to describe the absorption and emission spectra of such inhomogeneous semiconductors. Particular emphasis is placed on the role of the length-scale of the band gap fluctuations. As it turns out, the crucial quantity with respect to the emission spectrum is the ratio of the charge carrier transport length and the length-scale of the band gap fluctuations. Both, absorption edge and emission peak are broadened by band gap fluctuations. Comparison with numerical simulations underlines the importance of the fluctuation length in relation to the diffusion length. The model is applied to experimental absorption and photoluminescence data of Cu(In,Ga)Se$_2$ thin films with varying gallium content. The ternary compounds CuInSe$_2$ and CuGaSe$_2$ exhibit the smallest magnitude of fluctuations with standard deviations in the range of $20-40 \meV$. The fact that the quaternary compounds show standard deviations of up to $65 \meV$ points to alloy disorder as one possible source of band gap fluctuations. All observed fluctuations occur on a very small length scale that is at least ten times smaller than the electron diffusion length of approximately $1 \mum$.Item Open Access Amorphous silicon based solar cells(2007) Al Tarabsheh, Anas; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)This thesis focuses on the deposition of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) films bymeans of plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD). This technique allows the growth of device quality a-Si:H at relatively low deposition temperatures, below 140 °C and, therefore, enables the use of low-cost substrates, e.g. plastic foils. The maximum efficiencies of a-Si:H solar cells in this work are η= 6.8 % at a deposition temperature Tdep = 180 °C and η = 4.9 % at a deposition temperature Tdep = 135 °C. Decreasing the deposition temperature deteriorates the structural and electronic quality of a-Si:H films. Therefore, the deposition conditions are carefully optimized at low temperatures. The mismatch in the mechanical properties of the plastic foils and the inorganic semiconductor layers have less effect on the a-Si:H films at low deposition temperatures. As a result, the deposition temperatures should be decreased to minimize mechanical deterioration of the films but without losing too much of the electronic properties of the films. A novel analytical description of the current density/voltage (J/V) characteristics of p-i-n solar cells well represents experimental J/V curves of a-Si:H solar cells. The extended model solves the continuity and transport equations for electrons and holes, and fully accounts for the contributions of the drift and the diffusion currents. Many analytical models neglect the contribution of the diffusion current in describing the a-Si:H solar cells. Other existing models assume the diffusion lengths of electrons and holes to be equal, resulting in a symmetric distribution of carrier concentrations around the center of the intrinsic layer of the p-i-n solar cells. Both restrictions strongly limit the ability of these analytical models to accurately reproduce the J/V-characteristics of real solar cells. In contrast to existing analytical models, the new analytical description solves the continuity and transport equations of carriers at each location within the i-layer for the whole range of applied voltages. The peculiar extension of this model over previous ones enables a more realistic description of solar cells. My novel analytical model implements i) different values of the diffusion lengths, or mobility-lifetime products, of electrons and holes, and ii) realistic wavelength and depth dependencies of the photogeneration rate of charge carriers. The results of the model demonstrate that the location of the main recombination path of the photogenerated carriers inside the i-layer is voltage dependent, rather than being fixed at the middle of the i-layer as existing models assume. For a realistic description of the solar cell optics in calculating the J/V-characteristics, I fully account for the reflection of photons at the back contact. The model proves that the performance of a-Si:H solar cells which are illuminated through the p-layer is better than the one of cells illuminated through the n-layer. Testing corresponding J/V-characteristics from this model against experimental data of bifacial a-Si:H solar cells with transparent front and backside contacts, reveals that this extended analytical model well describes the output characteristics of real a-Si:H p-i-n solar cells. The model proves that the current collection of bifacial p-i-n solar cells is larger if the light enters through the p-layer because the mobility μn of electrons is larger than the mobility μp of holes. This thesis also investigates the dependence of the electrical and optical properties of a-Si:H films on the deposition conditions, and how those properties are enhanced by optimizing the deposition conditions. I apply the optimized layers to solar cells deposited on glass and on polyethylene terephtalate (PET) substrates. The incorporation of a buffer layer or a microcrystalline layer enhances the performance of the cells.Item Open Access Einfluss von Protonen- und Elektronenbestrahlungen auf die photovoltaischen Parameter von Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen(2004) Weinert, Kristin; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen von Elektronen- und Protonenbestrahlung auf die elektrischen Eigenschaften von Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen. Die Schwerpunkte liegen dabei in Bestrahlungsexperimenten mit Elektronen der Energie 1 und 3 MeV und mit Protonen der Energie 110, 210 und 290 keV. Den experimentellen Untersuchungen geht eine theoretische Berechnung der zu erwartenden Strahlenschäden voraus. Die theoretische Beschreibung von Strahlenschäden durch hochenergetische Elektronen in Cu(In,Ga)Se2 verlangt eine Unterscheidung in eine primäre, direkt durch eingestrahlte Elektronen verursachte und in eine, durch primär verlagerte Atome bewirkte, sekundäre Schädigung. Die Berechnung der Verlagerungsraten, welche die Anzahl der von den Gitterplätzen entfernten Atome der Cu(In,Ga)Se2-Schicht definieren, erfolgt für die Elektronenbestrahlung durch Anwendung eines analytischen Modells, das die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Festkörperatomen beschreibt. Ausgehend von den primären Verlagerungsraten lässt sich mit Hilfe eines Monte-Carlo-Programmes die Auswirkung der verlagerten Atome auf das umgebende Cu(In,Ga)Se2-Material untersuchen und damit die Gesamtverlagerungsrate im Cu(In,Ga)Se2 durch hochenergetischen Elektronen bestimmen. Die theoretische Verlagerungsrate beträgt für die Bestrahlung mit 1-MeV-Elektronen etwa 10 cm-1 und für die 3-MeV-Elektronenbestrahlung etwa 50 cm-1. Neben der durch die Elektronenbestrahlung verursachten Verlagerungsraten von Atomen im Cu(In,Ga)Se2 liefert das Monte-Carlo-Programm auch Informationen über die räumliche Verteilung von Vakanzen, die durch einen primären Treffer eines Elektrons an einem Atom im Cu(In,Ga)Se2 erzeugt wurden. Die Untersuchung dieser räumlichen Verteilung zeigt, dass ein primärer Treffer eines Elektrons durch den sekundären Verlagerungseffekt eine Vielzahl von Verlagerungen in einer eng lokalisierten Umgebung des primären Treffers verursachen kann. Die lokale Dichte dieser Verlagerungen ist so groß, das eine Interaktion der erzeugten Punktdefekte und damit die Bildung von Defektkomplexen, die aus mehreren Punktdefekten bestehen, sehr wahrscheinlich wird. Die in den Bestrahlungsexperimenten bestimmten Generationsraten für tiefe Defekte korrelieren nicht mit den theoretischen Verlagerungsraten, sondern mit den abgeschätzten Generationsraten für Defektkomplexe. Die Untersuchung der Auswirkungen von Protonenbestrahlungen auf Cu(In,Ga)Se2 erfolgt ebenfalls mit dem Monte-Carlo-Programm. Die in den Bestrahlungsexperimenten gewählten Protonenenergien verursachen theoretisch unter der Voraussetzung eines senkrechten Einfalls der Protonen eine maximale Verlagerungsrate in unterschiedlichen Tiefen des Cu(In,Ga)Se2-Absorbers: Die Bestrahlung mit 110-keV-Protonen schädigt vor allem eine Schicht des Cu(In,Ga)Se2-Absorbers, die sich unmittelbar an der Grenzfläche zum CdS befindet, während die Bestrahlung mit 210-keV-Protonen eher in der Mitte der Cu(In,Ga)Se2-Schicht und die Bestrahlung mit 290-keV-Protonen im Bereich des Rückkontakts die größte Schädigung verursacht. Aus der Gesamtzahl der in der Cu(In,Ga)Se2-Schicht erzeugten Vakanzen lassen sich die Verlagerungsraten für die Protonenbestrahlungen bestimmen. Die theoretischen Verlagerungsraten betragen 86000 cm-1 für die Bestrahlung mit 110-keV-Protonen, 119000 cm-1 für die 210-keV-Protonenbestrahlung und 143000 cm-1 für die 290-keV-Protonenbestrahlung. Die Betrachtung der räumlichen Verteilung der durch ein einzelnes Proton verursachten Verlagerungen zeigt, dass der sekundäre Verlagerungseffekt im noch viel stärkeren Maße als für die Elektronenbestrahlungen lokal begrenzte Gebiete mit einer sehr hohen Defektdichte erzeugt. Damit erscheint eine Wechselwirkung dieser Defekte und die Bildung von Defektkomplexen als sehr wahrscheinlich. Die durch die Protonenbestrahlung gebildeten Defektkomplexe können somit der Ursprung der in den Bestrahlungsexperimenten elektrisch gemessenen Störstellen sein.