Table Of ContentAndreas Stadler
Analysen für Chalkogenid-Dünnschicht-Solarzellen
VIEWEG+TEUBNER RESEARCH
Andreas Stadler
Analysen für
Chalkogenid
Dünnschicht
Solarzellen
Theorie und Experimente
VIEWEG+TEUBNER RESEARCH
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1.AUflage2010
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©Vieweg+Teubner I GVNFachverlageGmbH,Wiesbaden2010
Lektorat: UteWrasmann I SabineSchöller
Vieweg+Teubnerist TeilderFachverlagsgruppe SpringerSeience-Business Media.
www.viewegteubner.de
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Umschlaggestaltung: KünkelLopkaMedienentwicklung,Heidelberg
Druck und buchbinderischeVerarbeitung:STRAUSSGMBH,Mörlenbach
Gedruckt auf säurefreiemund chlorfreigebleichtem Papier.
PrintedinGermany
ISBN 978-3-8348-0993-3
I
AnalysenfürChalkogenid-Dünnschicht-Solarzellen 5
1 Inhalt
2 Einleitung 7
2.1 DieNutzungdesSonnenlichts 7
2.2 Literaturzur Einleitung 10
3 Theorie 11
3.1 OptischeGrundlagenfürGrenzflächenundVoluminavonFestkörpern 11
3.1.1 Transmissions-tund Reflexionskoeffizientenr 11
3.1.2 Transmissions-T,Absorptions-AundReflexionsgradeR 21
3.2 UVjVisjNIR-SpektroskopieanEin-undZwei-Schicht-Systemen 34
3.2.1 PhysikalischeGrößenfürEin-Schicht-Systeme 34
3.2.2 DaserweiterteEin-Schicht-System 56
3.2.3 DasexakteZwei-Schichten-System 61
3.2.4 GrundlegendeszumVermessenvonMehr-Als-Zwei-Schichten-Systemen 67
3.3 DerVergleichmitdemKeradecjSwanepoel-Modell 67
3.3.1 ParameterdesSubstrats 67
3.3.2 DiewellenlängenabhängigeTransmissionsrateT(nsch,asch,dsch)nachKeradec 68
3.3.3 Brechungsindexnsa,undAbsorptionskoeffizientaSchnachSwanepoel 71
3.4 QuantenmechanischesModell 77
3.4.1 Quantenmechanisches ModellfüreinEin-Schicht-System 77
3.4.2 QuantenmechanischesModellfürZwei-Schichten-Systeme 82
3.5 ElektrischeBestimmungdesspezifischenWiderstandesdünnerSchichten 84
3.5.1 Van-der-PauwMethode 84
3.5.2 Lineare Vier-Spitzen-Methode 86
3.5.3 Zwei-Spitzen-Methode 88
3.5.4 EinflussdesSubstratsund derMeßspitzen 90
3.6 Dotierstoftkonzentrationen,Beweglichkeitenund Stoßzeiten 90
3.6.1 Dotierstoftkonzentrationenn,pund EnergieniveausE 90
3.6.2 Beweglichkeit1.1undStoßzeit" 99
3.7 Strom-Spannungs-MessungenanSolarzellen 103
3.7.1 TheoretischeStrom-Spannungs-Kennlinieund Ersatzschaltbild 103
3.7.2 Einflussdes LichtspektrumsaufdieI(U)-Kennlinie 110
6 IEinleitung
3.7.3 Alterung 117
3.8 LiteraturzurTheorie 119
4 Experimente 121
4.1 DasMaterialsystemderSulfide 121
4.1.1 AllgemeineszuSulfidenfürdiePhotovoltaik 121
4.1.2 AuswahlderMaterialien,ProduktionsverfahrenundAnalysemethoden 122
4.1.3 UntersuchteMaterialien 123
4.2 UV/Vis/NlR-SpektroskopieantransparentenundopakenSchichten 125
4.2.1 TransparenteisolierendeGlas-und BSG-Substrate 125
4.2.2 Transparente,leitendeOxideTCO(TransparentConductingOxides) 127
4.2.3 Opake,absorbierendeSulfide 141
4.3 ElektrischeBestimmungdesspezifischenSchichtwiderstandes 157
4.3.1 AluminiumdotierteZinkoxid(ZnO:AI)Schichten 158
4.3.2 Zinnsulfid (Sn,Sy)Schichten 159
4.4 Strom-Spannungs-MessungenanSolarzellen 161
4.4.1 SolarzellenmitZinnsulfid Sn.S,Absorberschichten 161
4.5 LiteraturzudenErgebnissen 174
5 Zusammenfassung 181
5.1 ZusammenfassungderErgebnisse 181
5.2 LiteraturzurZusammenfassung 190
6 Anhänge 191
AnhangA:ExaktesLöseneinesPolynoms3.Grades 191
AnhangB:ExaktesLöseneines Polynoms4.Grades 195
AnhangC:PerkinEimerLambda750 UV/Vis/NIRSpektrometer 197
Anhang D:Strom-Spannungs-MeßplatzmitSonnensimulator 199
AnhangE:Verbindungen,ausschließlichmitZinkZnund Sauerstoff0,entsprechendder
InorganicCrystalStructureDatabaselCSD2009/1 201
AnhangF:Verbindungen,ausschließlichmitZinkZn,Sauerstoff0undAluminiumAl
entsprechendderlnorganicCrystalStructureDatabaseICSD2009/1.. 203
AnhangG:Verbindungen,ausschließlichmitZinkZn,Sauerstoff0,StickstoffNundAluminium
Alentsprechendder InorganicCrystalStructureDatabaselCSD2009/1 204
AnhangH:Verbindungen,ausschließlichmitZinnSnundSchwefelS,entsprechendder
InorganicCrystalStructureDatabaselCSD2009/1 205
Anhang I:Verbindungen,ausschließlichmitBismutBiund SchwefelS,entsprechendder
InorganicCrystalStructureDatabaselCSD2009/1 206
7 Schlagwortverzeichnis 207
AnalysenfürChalkogenid-Dünnschiclit-Solarzellen 17
2 Einleitung
2.1 DieNutzungdesSonnenlichts
Sonne.Sieistdas Zentralgestirn unseres Planetensystems.das nachihrSonnensystemgenannt
wird. DieSonne ist fürdieErdevon fundamentaler Bedeutung.Vielewichtige Prozesseaufder
Erdoberfläche,wiedasKlimaunddasLebenselbst. wärenohnedieStrahlungsenergiederSonne
nichtdenkbar.Sostammenetwa99,98 %des gesamten Energiebeitragszum Erdklimavonder
Sonne, der winzige Rest wird aus geothermalen Wärmequellen gespeist. AmAquator ist die
Sonnencinstrahlungamstärksten,sienimmtzuden Polen hinetwasab.Zudemistsieabhängig
vonTages-uod)abres-,;('it- Zuwendung der Erdobernäcbezurh-,;w.AbwendungvonderSonne,
vgl. Abb. Z.l, und der Erdatmosphäre - witlerungshedingter optischer Widerstand für das
Sonnenlicht,vgl.Tab.Z.1.
DieLuftmasse(airmass,AM),welchedieSonnenstrahlenbeiwolkenfreiemHimmeldurchlaufenmüssen
umaufdieErdoberflächezugelangen.istalsoVonderTage."undlahreszeitabhängig:d.h.ahhängigVom
ElnfallswinkcljedesSonnenlichtszurBrdobertlachc.DereinemEinfallswinkellsentsprechendeAM·
WertlässtsichüherAM= I/Sillr, herechnen.AM" Dist definiertfür dasSpektrumaußerhalbder
Erdatmosphäre (extraterrestrisches Spektrum) im Weltraum. Die Strahlungsleistungsdichte
beträgt dort pe " 1367 WJm' (Solarkonstante). AM" 1 erhält man für das Spektrum der
senkrechtaufdie Erdoberfläche fallenden Sonnenstrahlen,d.h.dieSonne mussdafürgcnauim
Zenit stehen, r, = 90·, AM= i/sillr, =1. DieStrahlen legen hierbeiden kürzestenWegdurch
dieAtmosphäre zurErdoberflächezurück.FürAM" 1.5ergibtsicheinZenitwinkelvonetwa rs"
41,S·, Die gesamte Strahlungsleistungsdichte des entsprechenden Spektrums beträgt hierbei
.•
PE"'. " 1000WJm'.vgl.Abb.2.1.AusdiesemGrunde wurdeAM" 1,5alsStandardwertfürdie
vcrmcssungvonSolarmoduleneingeführt
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r~,.3,O
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1~.$
I
8 Einleitung
Abb. 2.1: DieLuftma"e (air ma". AM) welche die Sonnemtrahlen durchlaufen mü"en umaufdie
ErdoberflächezugelangenIstvonTages-und labreszeit abhängig.Diederlabreszeitzugeordneten AM·
WerteerrechnensichausdemEinfallswinkely.überAM= l/sinys'
Tab.2.1:StrahlungsleistungsdichtePE"'.(AM1.S)desSonnenhchtsaufderErdoberfläcbeinAbhängigkeit
von der Bewölkung.d,h, in Abhängigkeit vom opllschen Widerstand. den die Atmospbäre für das
SonnenlichtaufseinemWegZurErdoberflächedarstellt[2.1].
.... Wm" Sonnenschein leichtbewölkt slarkbewölkt
SommH 600...1000 300...600 100...300
Winter 300..,500 150...300 50 ...150
Sonnenstrahlen. die aufdie Erdoberfläche treffen können reflektiert, absorbiertodermitunter
auch transmittiert werden. Reflektierter und transmittierter Anteil passieren wiederholt die
Atmosphäre und machen somit unseren Planeten Erde im Weltall sichtbar. Der absorbierte
Anteilermöglicht aufder Erde Leben. So nutzen die Pflanzen mit ihren ganz unterschiedlich
ausgebildetenBlätterndasSonnenlichtfür ihrWachstum(Photosynthese).FürunsMenschenist
esvontechnologischemund wirtschaftlichemInteressedieoptischeEnergiedesSonnenlichts in
andereEnorgteforruon.wiemochamscbc-.thermische-oderelektrischeEnergieumzuwandeln.
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10 ccccse,
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1.' 2 2.'
Ein eV
I
AnalysenfürChalkogenid-Dünnschicht-Solarzellen 9
Abb.2.2:a) SiliziumSolarzellen.b)AbsorptionskoeffizientenverschiedenerAbsorbermaterialien.nach
[2.2].ZusehensindsowohlderreineHalbleiterSilizium (Si)alsauchdieVerbindungshalbleiter(GaAs,
CuGaSe,undCulnSe,).
Inder Photovoltaik,d.h.imFallder Wandlungvonoptischer-inelektrische Energie,verwendet
man La.reine Halbleiter (z.B.SiliziumSi)oder Verbindungshalbleiter (z.B.Galliumarsenid GaAs
oderCulrrSe-].
Bekannt ist bereits die CI(G)S-Technologie, die primär auf chemischen Verbindungen von
Kupfer,Indium(Gallium) und wahlweiseSchwefeloderSelensowieeinigenweiterenElementen
basiert.Hierander Universität inSalzburgwerdendiephotovoltaischen Eigenschaftenan einer
anderenGruppechalkogenerVerbindungshalbleitererforscht,den Sulfosalzen.FürdieAuswahl
der Materialkombinationen und die Herstellung des Ausgangsmaterials ist Prof. Dr. Herbert
Dittrich verantwortlich. Die Produktion der Schichten und Solarzellen mit in situ
Sputterprozessen übernahm Dr. Hermann-Josef Schimper (DI Uwe Brendel). Dr. Dan Topa
analysiert die atomaren Strukturen der Sulfosalz Dünnschichten. worauf hier nicht weiter
eingegangen werden soll. Der Autor bedankt sich für die Unterstützung durch die Christian
Doppler Forschungsgesellschaft.
Dieses Buch befasst sich mit der optoelektrischen Analyse von transparenten und opaken
Schichten und der damit hergestellten Solarzellen.Theoretisch werden die Analyseverfahren
UV/Vis/NIR Spektroskopie (Spektroskopie im ultravioletten, im sichtbaren und im nahen
infraroten Wellenlängenbereich), elektrische Schichtwiderstandsmessung und I(U) Messung
(Strom-Spannungs Messung) für Solarzellen nachvollziehbar erarbeitet. Hiermitwird dann für
dieTCO-Schicht (TransparentConductingOxide) aluminiumdotiertes Zinkoxid(ZnO:AI)und für
die binären Sulfid-Absorberschichten Zinn- (SnS) und Bismutsulfid (BhS3) eine Auswahl
experimentellerErgebnissebeispielhaftanalysiert.
