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Plasmaunterstützte CSS-Abscheidung von CdS-Fensterschichten für CdTe-Solarzellen

Dissertation
 
: Hirsch, Daniel

Halle, 2018, 127 S.
Halle-Wittenberg, Univ., Diss., 2018
Deutsch
Dissertation
Fraunhofer FEP ()
PECSS; gepulste Hohlkathode; CdTe-Solarzelle; CdS-Schicht; Sauerstoffpassivierung

Abstract
In dieser Dissertation ist eine Möglichkeit aufgezeigt, wie die Effizienz von CdTe-Solarzellen mit CdS-Fensterschicht erhöht werden kann. Die Strategie basiert darauf, die Transparenz der CdS-Fensterschichtdurch Reduzierung der Schichtdicke zu erhöhen. Dies führt zu einer Steigerung der Kurzschlussstromdichte der Solarzelle. Jedoch ist die Leerlaufspannung der CdTe-Solarzelle mit dünner CdS-Schicht gering. Somit besteht die Herausforderung darin, dieser Reduzierung der Leerlaufspannung entgegenzuwirken. Dafür wird die CdS-Schicht mit Plasmaunterstützung abgeschieden. Eine Bogenentladung basierend auf dem Prinzip von gepulsten Hohlkathoden wird in den CSS („Close Spaced Sublimation“)-Tiegel integriert. Eine solche PECSS („Plasma Enhanced CSS“)-Einrichtung wird konzipiert, umgesetzt und ihre Funktionalität nachgewiesen. Es zeigt sich, dass die Kontamination durch die zusätzlich verwendeten Bauteilegering ist und die Funktionalität der Solarzelle nicht beeinflusst. Es wird der Einfluss der drei Prozessparameter Sauerstofffluss, Argonfluss und Entladungsstrom des Plasmas auf die elektrischen Werte der CdTe-Solarzelle untersucht. Es werden Solarzellen analysiert, bei denen die Fensterschicht mittels PECSS im nichtreaktiven Modus abgeschieden ist. Diese Zellen weisen eine geringe Effizienzsteigerung im Vergleich zur Referenzsolarzelle auf. Die aufgrund des Plasmaeinflusses reduzierte Schichtdicke verursacht eine geringe Erhöhung der Kurzschlussstromdichte. Andererseits wirkt sich die Präsenz von Argon im Beschichtungsprozess negativ auf die Leerlaufspannung der Solarzelle aus. Durch Verringerung des Argonflusses wird dem Verlusteffektentgegengewirkt, sodass eine Leerlaufspannung von über 800 mV erreicht wird. Bei der Anwendung des reaktiven PECSS-Modus treten sauerstoffbedingt chemische Reaktionen auf. Folglich macht sich eine starke Abnahme der CdS-Schichtdicke während der Fensterschichtabscheidung bemerkbar. Die geringere Schichtdicke begründet die Erhöhung der Kurzschlussstromdichte von 21 mA/cm2auf über 27 mA/cm2. Die dünne CdS-Schicht agglomeriert jedoch während der Chloraktivierung, wodurch eine defektreiche Grenzfläche CdTe-TCO entsteht. Es wird gezeigt, dass die Erhöhung des Sauerstoffflusses im PECSS-Prozess eine Erhöhung der Leerlaufspannung aufgrund geringerer Rekombination von Ladungsträgern zur Folge hat. Daher wird angenommen, dass die Defekte am Heteroübergang durch Sauerstoff im Plasma passiviert werden. Aufgrund der Passivierungswirkung des Sauerstoffs ist beim Einsatz der PECSS-Technologie ohne Rückkontaktanpassung eine absolute Wirkungsgradsteigerung gegenüber den Referenzsolarzellen um etwa 1,6 % festzustellen. Eine Erhöhung des Entladungsstroms der Bogenentladung führt zu einer Dickenerhöhung der CdSSchicht, welche die Agglomeration der Schicht während der Chloraktivierung unterdrückt. Dies hat eine Steigerung der Leerlaufspannung zur Folge. Durch die Dickenzunahme wird die Transparenz der Fensterschicht und somit die Kurzschlussstromdichte der Solarzelle leicht gegenüber den Solarzellen mit agglomerierter Fensterschicht reduziert. Eine absolute Wirkungsgradsteigerung im Vergleich zur Referenzsolarzelle um über zwei Prozent ist jedoch zu erreichen.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-507054.html