Inhomogene Cu(In,Ga)Se2 Solarzellen

Abstract

Bei Dünnschichtsolarzellen, z.B. solchen aus Cu(In,Ga)Se2, ist der Unterschied zwischen Dicke der Zelle und lateraler Ausdehnung extrem groß. Bei elektronischen Bauelementen mit solch hohem Aspektverhältnis ist es nahezu unmöglich, auf der gesamten Fläche exakt dieselbe Struktur und chemische Zusammensetzung zu erhalten. Fluktuiert beispielsweise die chemische Zusammensetzung lateral, so ändern sich dadurch auch die lokalen elektronischen Eigenschaften.

Diese Arbeit untersucht die Auswirkungen lateraler Fluktuationen der lokalen Leerlaufspannung von Solarzellen. Ein theoretischer Teil stellt ein Modell vor, bei welchem einzelne, unterschiedliche Solarzellen über ohmsche Widerstände zu einem Netzwerk verbunden werden, welches die Gesamtzelle repräsentiert. Es zeigt sich, dass die Leerlaufspannung der Gesamtzelle deutlich kleiner ist als die durchschnittliche Leerlaufspannung der Verteilung. Je stärker die Fluktuationen sind, desto höher ist dieser Verlust. Gleichzeitig zeigt sich jedoch, dass ein lokaler Serienwiderstand die Verluste zumindest teilweise kompensieren kann. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass die Schicht intrinsischen Zinkoxids, die in Cu(In,Ga)Se2 -Solarzellen zwischen Absorber- und Fensterschicht liegt, die Funktion eines solchen lokalen Serienwiderstandes übernimmt.

Messungen temperaturabhängiger Strom/Spannungskenlinien zeigen, dass das Modell inhomogener Solarzellen in der Lage ist, den Verlauf des Sperrsättigungsstroms und der Leerlaufspannung über der Temperatur zu erklären. Das Auftreten von, in Cu(In,Ga)Se2 -Solarzellen sehr hohen, Idealitätsfaktoren als Folge von Fluktuationen der Leerlaufspannung in Verbindung mit lokalen resistiven Elementen kann das Modell ebenfalls einfach erklären. Insbesondere die Temperaturabhängigkeit der Idealitäten wird verständlich. Die Standardabweichung der Verteilung, als Maß für die Fluktuationen, wird mit sigma = 140 mV angepasst.

Ein weiterer Teil beschreibt die Entwicklung und den Aufbau eines neuartigen Detektors für Rasterelektronenmikroskope, der die lokale Leerlaufspannung in Solarzellen bestimmen kann (Elektronenstrahlinduzierte Spannung, EBIV). Die Leerlaufspannungen in Cu(In,Ga)Se2 -Solarzellen sind deutlich um einen Mittelwert verteilt. Die typische Längenskala, unter der die Fluktuationen auftreten, ist im Bereich von 50 µm. Messungen der Elektonenstrahlinduzierten Röntgenstrahlung zeigen, dass für Schwankungen in der Leerlaufspannung Fluktuationen in der chemischen Zusammensetzung der Elemente Cu, In, Ga und Se nicht verantwortlich sind. Dagegen belegen Messungen mit Sekundärionen Massenspektrometrie, dass Na, welches während des Herstellungsprozesses der Solarzelle in die photovoltaisch aktive Schicht diffundiert, ebenfalls lateralen Schwankungen unterliegt. Diese Schwankungen sind mit den Fluktuationen der Leerlaufspannung deutlich korreliert.

Thin-Film solar cells such as Cu(In,Ga)Se2 solar cells exhibit a large aspect ratio of thickness and lateral dimension. Electronic devices with such an extreme aspect ratio hardly have homogeneous structure and chemical composition throughout the whole area. The structural and compositional inhomogeneities cause fluctuations in the local electronic properties.

This work analyzes the implications of lateral inhomogeneities of the local open circuit voltage. A theoretical part introduces a new model, which connects discrete solar cells with different open circuit voltages via ohmic resistances in parallel to a network. This network represents the inhomogeneous solar cell. The open circuit voltage of the entire device is remarkably lower than the mean open circuit voltage of the distribution. The stronger the fluctuations, the stronger is the loss compared to the average. However, a local series resistance reduces the deterioration caused by fluctuations. Experiments show, that the layer of intrinsic ZnO, located between the absorber and the transparent front contact in Cu(In,Ga)Se2 solar cells, plays the role of such a local series resistance.

Measurements of temperature dependent current/voltage curves show, that the model of inhomogeneous solar cells explains the temperature dependence of the saturation current and the open circuit voltage. It also explains large ideality factors, found in Cu(In,Ga)Se2 solar cells, as a result of inhomogeneities combined with local resistances. In particular, the temperature dependence of these ideality factors is correctly predicted. The standard deviation sigma of the distribution of the local open circuit voltages as a measure of inhomogeneity is found as sigma = 140 mV.

The last part presents the development and the implementation of a new measurement technique for scanning electron microscopes (EBIV, electron beam induced voltage). This technique allows the measurement of the local open circuit voltage of solar cells with a µm resolution. The open circuit voltages of solar cells based on Cu(In,Ga)Se2 are distributed around a mean value. The typical length scale of the fluctuations is in the range of 50 µm. The analysis of the electron beam induced X-rays emitted by the sample shows, that the fluctuations in the voltage are not caused by fluctuations in the composition of Cu, In, Ga, and Se. Instead, Secondary Ion Mass Spectrometry measurements identify the distribution of the local Na-content as the likely origin for the voltage fluctuations.