Einfluss von Protonen- und Elektronenbestrahlungen auf die photovoltaischen Parameter von Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen

Abstract

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.

This thesis investigates the influence of electron and proton irradiation on the electrical properties of Cu(In,Ga)Se2 solar cells. It mainly focuses on the irradiation experiments with 1- and 3-MeV electrons as well as 110-, 210- and 290-keV protons. In addition, this work includes theoretical considerations on irradiation damage. The theoretical determination of high-energy electron damage in Cu(In,Ga)Se2 bases on the differentiation in a primary damage caused directly by the incident electrons and in a secondary damage caused by primary displaced atoms of the Cu(In,Ga)Se2. An analytical model yields the primary displacement rates corresponding to the number of electron induced displacements. Based on these primary displacement rates the number of secondary displacements in Cu(In,Ga)Se2 is calculated using a Monte-Carlo program. The value of the total displacement rate in Cu(In,Ga)Se2 is 10 cm-1 for 1-MeV electron irradiation and 50 cm-1 for 3-MeV electron irradiation. Beside the number of displaced atoms the Monte-Carlo program determines the local distribution of the electron-induced vacancies. Investigation of the local defect distribution demonstrates that only one electron can produce several displacements in a narrow vicinity to the primary electron hit. These narrow regions in the Cu(In,Ga)Se2 absorber layer with high displacement density provide the conditions for defect interaction and for the formation of defect complexes. The low-energy proton irradiation damage is also calculated using the Monte-Carlo program. Protons incident perpendicularly through the window layers generate a layer of high defect density within the Cu(In,Ga)Se2 absorber layer. Irradiation with 110-keV protons damages a layer in the Cu(In,Ga)Se2 absorber close to the CdS/Cu(In,Ga)Se2 interface. The 210-keV proton irradiation generates a damaged layer in the middle of the Cu(In,Ga)Se2 absorber, whereas the damaged layer after 290-keV proton irradiation is situated near the back contact. The calculation of the displacement rate under proton irradiation yields 86000 cm-1 for 110-keV protons, 119000 cm-1 for 210-keV protons and 143000 cm-1 for 290-keV protons. Resulting from the program computed local distribution of defects, small volumes with a very high defect density exists in the Cu(In,Ga)Se2 absorber layer. Thus, low-energy proton irradiation results in the formation of defect complexes. The 1-MeV electron irradiation causes a reduction of the conversion efficiency dominated by the loss of open circuit voltage. In contrast to 1-MeV irradiation the 3-MeV electron irradiation gives rise to a degradation of all solar cell parameters (open circuit voltage, short circuit current and fill factor). Up to an irradiation fluence of 2×1017 cm-2, only the open circuit voltage and fill the factor decreases. For higher fluences the short circuit current dramatically drops down to 10 percent of the initial value at a fluence of 2×1018 cm-2. Measurements of the external quantum efficiency unveal a wavelength independent decrease of the current. Thus, the current degradation under 3-MeV electrons is not caused by a reduced electron diffusion length, but by a recombination path of the holes near the CdS/Cu(In,Ga)Se2 interface. A new defect appears with an activation energy of 500 meV in the Admittance spectra of the 3-MeV electron irradiated samples. This new defect could be the origin of the increased hole recombination. The experimental defect generation rates of deep defects resulting from the Admittance measurements, are 0.004 cm-1 for the 1-MeV electron irradiation and 0.02 cm-1 for the 3-MeV electron irradiation. The difference between the theoretical displacement rate and the experimental defect generation rate is two orders of magnitude. This fact implies that the single defects caused by the irradiation are not the same as these detected by the Admittance spectroscopy. The defects affecting the admittance spectroscopy should be complexes consisting of several point defects.