Atomic scale defects in thin film solar cell materials from ab initio calculations

CIGS und CZTS Verbindungen werden als Lichtabsorbermaterialien in effiziente und kostengünstige Dünnschichtsolarzellen weithin akzeptiert. Zur weiteren Steigerung der Effizienz von CIGSe und CZTSe Dünnfilmvorrichtungen ist es äußerst wichtig, die Auswirkungen diverser Defekte in diesen Materialien zu verstehen. Da die experimentellen Untersuchungen oft von der Komplexität dieser Vorrichtungen behindert werden, wurde in dieser Arbeit eine detaillierte Studie durchgeführt um die Bildungsenergien und Aktivierungsenergien der alkalischen Verunreinigungen in CuInSe2 (die Masse CIGSe Absorberschicht ), CuIn5Se8 (der Cu-arme geordnete Vakanz-Verbindung) und Cu2ZnSnSe4 (die Masse CZTSe Absorberschicht ) zu berechnen. Ich habe eine umfangreiche Reihe von Berechnungen mit dem HSE06-Hybridfunktional durchgeführt, um die Rolle von Alkalimetallen (wie Li, Na und K) in CuInSe2-, CuIn5Se8-, und CZTSe- Lichtabsorbermaterialien zu untersuchen. Die Brechnungen der Bildungsenergie zeigen, dass vor allem Na-Defekte in CISe entweder in Form von Zwischengitterdefekten, die durch Kationen koordiniert sind, oder in Hantelform in das Cu-Untergitter aufgenommen werden. Die Bildungsenergie von interstitiellen K-Defekten sind im Vergleich zu Na-Defekte höher, wodurch gezeigt wird, dass die Bildung von interstitiellen K-Defekten aufgrund ihrer großen Atomradius eher unwahrscheinlich ist. Sowohl Na als auch K bevorzugen im CuIn5Se8 die ursprüngliche Kupferfehlstellen zu besetzen, entweder als Punktdefekte oder als Hanteln. Ähnlich wie in CuInSe2, ist der günstigste Weg um Na-, K- und Li-Verunreinigungen in CZTSe zu inkorporieren das Bilden von substitionellen Defekten in die Kupferuntergitter. Im Allgemeinen sind die Bildungsenergien von Na-bezogenen Defekten immer niedriger als die entsprechenden K-Verunreinigungen in allen untersuchten Inklusionsstellen, in beiden CISe und CZTSe. Neben den statischen Berechnungen wurde die kinetischen Eigenschaften von Punktdefekten in CISe und CZTSe durch die „Climbing-Image-Nudged-Elastic-Band-Method“ (CI-NEB) ebenfalls untersucht. Diese Berechnungen zeigen, dass in beiden Verbindungen, CISe und CZTSe, der VCu-intrinsische Defekt ein wichtiger Beitrag zur Massentransportmechanismus der Vakanzen leistet. Da Na- Zwischengitterdefekte eine sehr niedrige Diffusionsbarriere sowohl in den CISe als auch in den CZTSe Materialien aufweisen, ist deren Diffusion selbst bei relativ niedrigen Temperaturen noch möglich.CIGSe and CZTSe compounds are widely accepted as light absorber layer in efficient and inexpensive thin film solar cells. To further boost the efficiency of CIGSe and CZTSe thin film devices, it is crucial to understand the effects of various defects in these materials. Since the experimental investigations are often hampered by the complex nature of the device, in this thesis a detailed study have been performed to calculate the formation energies and activation energies along the diffusion path of alkaline impurities in CuInSe2 (the bulk CIGSe absorber layer), CuIn5Se8 (the Cu-poor ordered vacancy compound) and Cu2ZnSnSe4 (the bulk CZTSe absorber layer). I have carried out hybrid functional computations on Na and K extrinsic defects in CuInSe2 and CuIn5Se8, and Li, Na and K defects in the CZTSe solar cell material. The formation energy calculation shows that in CISe Na is mostly incorporated either in form of interstitial defects coordinated by cations, or into dumbbells in the Cu sublattice. However, due to its large atomic radius K does not form interstitial defects. In CuIn5Se8, both Na and K prefer to occupy the pristine Cu vacancy sites either as point defects, or by forming dumbbells. In CZTSe similar to CuInSe2, the most favourable way to incorporate Na, K and also Li impurities is to form substitutional defects in the copper sub-lattice. In general, the formation energy of Na-related defects are lower than the corresponding K impurities in all studied sites in both CISe and CZTSe. Besides the static calculations, the migration of point defects in CISe and CZTSe have been also investigated through the climbing image nudged elastic band (CI-NEB) method. These calculations reveal that in both CISe and CZTSe, the VCu native defect contributes to the vacancy mediated mass transport mechanism. Since Na interstitials have a very low diffusion barrier both in the CISe and CZTSe materials, their diffusion is feasible even at relatively low temperatures