Neue TCO für den Einsatz als transparenter Frontkontakt in Chalkopyrit-Dünnschicht-Solarzellen

In this thesis the applicability of high-mobility indium oxide based transparent conductive oxides (TCOs) as front contact in Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS) solar cells and modules was investigated. The unique trade-off between optical and electrical properties promises improved short circuit current densities compared to conventional CIGS device configurations, in particular in CIGS modules. By doping indium oxide films with hydrogen an amorphous growth can be achieved. A subsequent thermal treatment results in solid phase crystallization and high electron mobilities. In order to process CIGS modules the deposition process of hydrogen doped indium oxide was first scaled up using an in-line pulsed DC magnetron sputtering tool. The structural, electrical and optical properties were studied in dependence on the deposition conditions water vapor and oxygen partial pressure as well as on the annealing atmosphere. Furthermore, influences of sputtered Zn(O,S) and ZnO as well as spin coated sol-gel InxOy and GaxOy sub-layers on the structural and electrical properties of In2O3:H were investigated. It was found, that the poly-crystalline structure of ZnO promotes crystalline growth of In2O3:H films during deposition and thus results in poor electrical properties. In contrast an amorphous sublayer, such as, here, Zn(O,S) or GaxOy had no adverse effect on the properties of In2O3:H films. The rough structure of CIGS layers, in particular spiky grain edges and sharp recessions induced void formation in indium oxide TCOs deposited by sputtering or reactive plasma deposition, regardless of their crystallinity fraction after deposition or the deposition conditions in general. Due to the presence of voids the films exhibit low electron mobilities, which did not improve sufficiently after annealing. The consequently increased sheet resistance resulted in a limited fill factor when applied in CIGS modules. We therefore developed strategies to improve the electron mobility of the indium oxide based TCOs when grown on rough CIGS samples and tested the applicability in CIGS devices. Furthermore, the influence of the thermal treatment, as required in order to crystallize the amorphous grown indium oxide films, on the solar cell performance was studied. The investigations point out challenges and provide appropriate strategies and possible solutions for the successful implementation of TCOs with high mobility in CIGS devices in order to demonstrate the potential for improving CIGS solar cell and module efficiencies.In dieser Arbeit wurde die Anwendbarkeit von Indiumoxid-basierten transparenten leitfähigen Oxiden (TCOs) mit hoher Elektronenbeweglichkeit als Frontkontakt in Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS) Solarzellen und -Modulen untersucht. Der spezifisch gute Kompromiss zwischen optischen und elektrischen Eigenschaften verspricht im Vergleich zu herkömmlichen Konfigurationen, insbesondere bei CIGS-Modulen, verbesserte Kurzschlussstromdichten. Durch Dotierung von Indiumoxidschichten mit Wasserstoff kann ein amorphes Wachstum erreicht werden. Eine anschließende thermische Behandlung führt zu Festphasenkristallisation und hohen Elektronenbeweglichkeiten. Zur Herstellung von CIGS-Modulen wurde der Abscheidungsprozess von wasserstoffdotiertem Indiumoxid zunächst unter Verwendung einer in-line gepulsten DC-Magnetron-Sputteranlage skaliert. Die strukturellen, elektrischen und optischen Eigenschaften wurden in Abhängigkeit von den Abscheideparametern Wasserdampf- und Sauerstoffpartialdruck, sowie der Atmosphäre der Wärmebehandlung untersucht. Weiterhin wurden Einflüsse von gesputterten Zn(O,S) und ZnO sowie von spin-beschichteten Sol-Gel InxOy und GaxOy Unterschichten auf die strukturellen und elektrischen Eigenschaften von In2O3:H untersucht. Es wurde festgestellt, dass die polykristalline Struktur von ZnO das kristalline Wachstum von In2O3:H-Filmen schon während der Abscheidung fördert und somit zu schlechten elektrischen Eigenschaften führt. Im Gegensatz dazu hatte eine amorphe Unterschicht, wie hier Zn(O,S) oder GaxOy keine negativen Auswirkungen auf die diesbezüglichen Eigenschaften von In2O3:H-Filmen. Die raue Struktur der CIGS-Schichten, insbesondere scharfe Kornränder und spitze Täler, induzieren die Bildung von Hohlräumen in den durch Sputtern oder reaktiver Plasmaabscheidung abgeschieden Indiumoxid-TCOs, unabhängig von deren Kristallinität nach der Abscheidung oder den Abscheidebedingungen im Allgemeinen. Durch das Auftreten der Hohlräume wiesen die Schichten eine geringe Elektronenbeweglichkeit auf, die sich nach dem Tempern nicht ausreichend verbesserte. Der damit verbundene erhöhte Schichtwiderstand führte beim Einsatz in CIGS-Modulen zu einem begrenzten Füllfaktor. Wir entwickelten daher Strategien zur Verbesserung der Elektronenbeweglichkeit der auf Indiumoxid basierenden TCOs für den Einsatz in rauen CIGS-Proben und testeten deren Anwendbarkeit in Bauteilen. Weiterhin wurde der Einfluss der thermischen Behandlung auf die Eigenschaften der Solarzelle untersucht. Das Tempern ist erforderlich, um die amorph gewachsenen Indiumoxidschichten zu kristallisieren. Die Untersuchungen weisen auf Probleme hin und liefern entsprechende Strategien und Lösungsmöglichkeiten für die erfolgreiche Implementierung von TCOs mit hohen Beweglichkeiten in CIGS-Bauteilen, um das Potenzial zur Verbesserung der CIGS-Solarzellen- und Modulwirkungsgrade aufzuzeigen.BMWi, 0325762G, Transparente Leitende Schichten (TCO) für CIGS Absorber/TCO4CIG