Verspannungen in polykristallinen CuInS 2 -Schichten: Auswirkungen auf die optischen Eigenschaften
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- Ralph Diefenbach
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1 Verspannungen in polykristallinen CuInS 2 -Schichten: Auswirkungen auf die optischen Eigenschaften Jens Eberhardt Institut für Festkörperphysik, Friedrich-Schiller-Universität Jena Motivation: Warum Dünnschichtsolarzellen aus CuInS 2 (CIS)? Proben & Messmethoden Theorie zu Verspannungen Ergebnisse der Messungen Interpretation Zusammenfassung 1. Photovoltaik Symposium, Bitterfeld-Wolfen
2 CuInS 2 (CIS) ein Chalkopyrithalbleiter Chalkopyrit (CuFeS 2, CuInS 2, CuInSe 2 ) Diamant (Si, Ge, C) Zinkblende (ZnS, GaAs) Cu In S kubisch kubisch tetragonal J. Eberhardt, 1. PV-Symposium, Wolfen, 15.November
3 Warum CIS-Dünnschichtsolarzellen aus dem S-System? CuInS 2 mit 1,5 ev günstige direkte Bandlücke ohne Gallium Modulwirkungsgrad in Pilotproduktion 7,6% (65x125 cm 2 ) aber einfacher Herstellungsprozess Verspannungen können Absorberwachstum und damit Effizienz und Stabilität der Zelle beeinflussen J. Eberhardt, 1. PV-Symposium, Wolfen, 15.November
4 Inhalt Motivation: Warum Dünnschichtsolarzellen aus CuInS 2 (CIS)? Proben & Messmethoden Theorie zu Verspannungen Ergebnisse der Messungen Interpretation Zusammenfassung J. Eberhardt, 1. PV-Symposium, Wolfen, 15.November
5 Proben & Messmethoden Variable 1: Dicke CIS Variable 2: Dicke Mo Verspannung induziert durch therm. Ausdehnungskoeffizienten! Photolumineszenz (PL) + Photoreflexion (PR) bei 80K Energie freier Exzitonen = Maß für Verspannung J. Eberhardt, 1. PV-Symposium, Wolfen, 15.November
6 Inhalt Motivation: Warum Dünnschichtsolarzellen aus CuInS 2 (CIS)? Proben & Messmethoden Theorie zu Verspannungen Ergebnisse der Messungen Interpretation Zusammenfassung J. Eberhardt, 1. PV-Symposium, Wolfen, 15.November
7 Theorie zu Verspannungen Valenzbandstruktur der Chalkopyrite folgt aus Valenzbandstruktur verspannter Zinkblende-HL Theoretische Beschreibung durch Hopfields* Quasi-kubisches Modell: Δ cf Δ so = = Kristallfeldaufspaltung Spin-Bahn-Aufspaltung *J.J. Hopfield: J. Phys. Chem. Solids 15 (1960) 97 J. Eberhardt, 1. PV-Symposium, Wolfen, 15.November
8 Valenzbänder als Funktion der Verspannung Relative Valenzbandenergien* Valenzbandaufspaltung Größe des Kristallfeldes = Maß für Verspannung *G.L. Birr, G.E. Pikus: Symmetry and Strain-Induced Effects in Semiconductors: (Wiley, New York, 1974) J. Eberhardt, 1. PV-Symposium, Wolfen, 15.November
9 Inhalt Motivation: Warum Dünnschichtsolarzellen aus CuInS 2 (CIS)? Proben & Messmethoden Theorie zu Verspannungen Ergebnisse der Messungen Interpretation Zusammenfassung J. Eberhardt, 1. PV-Symposium, Wolfen, 15.November
10 PL polykristalliner CIS-Schichten PL-Spektren polykristalliner CIS-Schichten von exziton. Lumineszenz dominiert intensitätsschwache Lumin. flacher Störstellen keine Beiträge tiefer Störstellen (E < 1.4 ev) J. Eberhardt, 1. PV-Symposium, Wolfen, 15.November
11 Exzitonenenergie als Funktion der... a) CIS-Schichtdicke b) Mo-Schichtdicke J. Eberhardt, 1. PV-Symposium, Wolfen, 15.November
12 Verspannungsabhängige Exzitonenenergie Exzitonenenergie wächst mit CIS-Schichtdicke wachsende Relaxation Exzitonenenergie verringert sich mit Mo-Schichtdicke: wachsende tensile Verspannung J. Eberhardt, 1. PV-Symposium, Wolfen, 15.November
13 Energetische Aufspaltung als Funktion der Verspannung 200 nm CIS ohne Mo 200 nm CIS auf 500 nm Mo J. Eberhardt, 1. PV-Symposium, Wolfen, 15.November
14 Inhalt Motivation: Warum Dünnschichtsolarzellen aus CuInS 2 (CIS)? Proben & Messmethoden Theorie zu Verspannungen Ergebnisse der Messungen Interpretation Zusammenfassung J. Eberhardt, 1. PV-Symposium, Wolfen, 15.November
15 Quantitative Verspannungsanalyse I Valenzbandaufspaltung: theoretisch + gemessen Vergleich von Theorie und Experiment Kristallfeld = Maß für Verspannung tensile Verspannung wächst J. Eberhardt, 1. PV-Symposium, Wolfen, 15.November
16 Quantitative Verspannungsanalyse II Exzitonenenergie: theoretisch + gemessen Exzitonen messen Verspannung tensile Verspannung wächst J. Eberhardt et al. J. Appl. Phys. 102, (2007) J. Eberhardt, 1. PV-Symposium, Wolfen, 15.November
17 Inhalt Motivation: Warum Dünnschichtsolarzellen aus CuInS 2 (CIS)? Proben & Messmethoden Theorie zu Verspannungen Ergebnisse der Messungen Interpretation Zusammenfassung J. Eberhardt, 1. PV-Symposium, Wolfen, 15.November
18 Zusammenfassung erstmals quantitative Analyse von Verspannungen in CIS-Absorberschichten* Verspannungen können Absorberwachstum beeinflussen Experimente zeigen Relaxation der tensilen Verspannung mit a) wachsender CIS-Schichtdicke b) kleinerwerdender Mo-Schichtdicke Vergleich von Theorie und Experiment zeigt exzellente Übereinstimmung Grad der Verspannung kann quantitativ aus den optischen Eigenschaften abgeleitet werden *J. Eberhardt et al. J. Appl. Phys. 102, (2007) J. Eberhardt, 1. PV-Symposium, Wolfen, 15.November
19 Danksagung Heiner Metzner Udo Reislöhner Thomas Hahn Janko Cieslak Kristian Schulz Wolfgang Witthuhn Jürgen Kräußlich (IOQ) Rüdiger Goldhahn Florian Hudert (Uni Konstanz) Institut für Festkörperphysik der Friedrich-Schiller-Universität Jena Institut für Physik der Technischen Universität Ilmenau Stiftung Nagelschneider, Land Thüringen J. Eberhardt, 1. PV-Symposium, Wolfen, 15.November
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