CIGS-Dünnschichtsolarzellen: Prozessierung mit Schwefel optimiert Zellleistung
Ab-initio-Rechnungen zeigen, dass der Leitungsband-Offset bei intensiver Schwefelung stark reduziert wird
16.09.2021 von K. Albe
Sulfurierungsprozesse con Cu(In,Ga)Se 2 -Dünnschichtsolarzellen wurden in den letzten Jahren als Alternative zur bestehenden Ga-Gradierung intensiv untersucht. In einer gemeinsamen Arbeit mit experimentellen Gruppen zeigen wir, wie die Leistung von CIGS-Dünnschichtsolarzellen verbessert werden kann.
Der Hauptvorteil der Einstellung eines Schwefelgradienten in CIGS-Zellen besteht darin, dass wir durch Ersetzen von Se durch S nicht nur eine Aufwärtsverschiebung des Leitungsbandminimums erreichen, wie dies durch die Verwendung der Ga-Abstufung erreicht wird, sondern auch eine Abwärtsverschiebung des Valenzbandmaximums. Mehrere bestehende Studien besagen, dass Schwefel sehr oft in zu hohen Konzentrationen in Cu(In,Ga)Se2-Absorber eingebaut wird, was zu einer verschlechterten Leistung der Solarzelle führt. Wir zeigen in diesr Studie, dass der intensive Schwefelungsprozess in Verbindung mit dem Ga-Gradienten zu verbesserten elektrischen Eigenschaften des Puffer/Absorber-Heteroübergangs führt. Die Ga und S-Gradientenan der Absorberoberfläche zu einer starken Reduzierung der p-Dotierung und damit zu einer Veränderung des Banddiagramms. Unseree Arbeit belegt auch, dass der intensive Schwefelungsprozess von starken strukturellen und chemischen Veränderungen begleitet wird, d. h. von der Bildung einer S-reichen CuIn(S,Se)2-Verbindung an der Absorberoberfläche. Schließlich wurden all diese experimentellen Ergebnisse durch Ab-initio-Rechnungen der Leitungsband- und Valenzband-Offsets zwischen Absorber und Puffer ergänzt, die unter Verwendung der Dichtefunktionaltheorie erhalten wurden. Somit eröffnet die vorliegende Arbeit neue Möglichkeiten für die Synthese von Cu(In,Ga)(Se,S)2-Solarzellen mit überlegener Zellleistung unter Verwendung eines intensiven Schwefelungsprozesses.
