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Präparation und Charakterisierung von Dünnschichtmaterialsystemen für die Rückkontaktbildung bei polykristallinen CdTe-Dünnschichtsolarzellen

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Technische Universität
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Abstract

Die polykristalline CdTe-Dünnschichtsolarzelle ist infolge des enormen Kostenreduktionspotenzials auf dem Sprung zur ökonomischen Konkurrenzfähigkeit. Die dazu notwendige Weiterentwicklung mit dem Ziel erhöhter Energiewirkungsgrade einerseits und robusterer, billigerer Zellentechnologie andererseits setzt ein besseres wissenschaftliches Verständnis für die bisher weitgehend empirisch-phänomenologisch entwickelten Präparationsverfahren voraus. Auf diesen Erkenntnissen aufbauend kann dann im Folgeschritt eine zielgerichtete Modifizierung der Solarzelle erfolgen. Für die Funktionsweise der CdTe-Solarzelle ist die Herstellung stabiler Rückkontakte, die den verlustfreien Stromtransport gewährleisten, von essenzieller Bedeutung. Grundvoraussetzung dafür ist die Realisierung Ohm'scher Kontakte, was im Fall des CdTe nicht unproblematisch ist, da sich hier in der Regel sperrende Strom-Spannungs-Charakteristiken ergeben. Bisher ist die Herstellung guter Rückkontakte lediglich ansatzweise unter Verwendung eines nasschemischen Ätzprozesses vor der eigentlichen Metallabscheidung gelungen. Jedoch waren die Auswirkungen dieses Produktionsschrittes auf die Grenzflächeneigenschaften nur teilweise aufgeklärt. Daher wurden in dieser Arbeit zunächst die elektronischen Eigenschaften, die chemische Zusammensetzung, die Morphologie und die Struktur solcher nasschemisch behandelter CdTe-Absorberschichten beschrieben und in ihrer Bedeutung für die Rückkontaktbildung beurteilt. Insbesondere durch die Kombination verschiedenster Methoden, wie beispielsweise der Photoelektronenspektroskopie (PES) oder dem Rasterkraftmikroskop (AFM) zur Oberflächencharakterisierung einerseits sowie der Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) und der Elektronenstrahlmikrosonde (ESMA) zur ortsaufgelösten Analytik andererseits, konnte dabei eine systematische Untersuchung auf mikroskopischer Ebene erfolgen. Neben dem nasschemischen Ätzprozess wird zudem ein umfassender Überblick über die Eigenschaften aller technologisch relevanten Grenzflächen am Rückkontakt, welche sich auf der Basis der etablierten Produktionsfolge der Firma ANTEC ergeben, erarbeitet. In diesem Zusammenhang wurde insbesondere die Eignung einer zwischen CdTe-Absorber und Rückkontaktmetall als Diffusionsbarriere eingebrachten Sb2Te3-Zwischenschicht untersucht. Zur Erfassung der elektronischen Eigenschaften erfolgte die Bestimmung der verschiedenen Bandanpassungen in Verbindung mit den resultierenden Barrierenhöhen und Kontaktpotenzialen. Aufgrund der Abhängigkeit dieser Eigenschaften von der Grenzflächenchemie werden darüber hinaus auftretende chemische Reaktionen und Interdiffusionsprozesse berücksichtigt, zumal diese Vorgänge auch maßgeblichen Einfluss auf die Alterungsbeständigkeit der Solarzelle haben können. Außer der sequenziellen Analyse von Rückkontakten, deren Herstellung nach dem derzeitigen technologischen Stand erfolgte, wurden zum Vergleich sowie zur Definition von Referenzen ergänzende Modellexperimente mit in-situ präparierten CdTe-Schichten oder einkristallinen Proben durchgeführt. Des Weiteren konnten aus der systematischen Untersuchung unterschiedlicher CdTe/Metall-Grenzflächen fundamentale Abhängigkeiten bei der Rückkontaktbildung abgeleitet werden. Langfristig erscheint es aus technologischen Aspekten wünschenswert, den nasschemischen Ätzprozess, der eine Unterbrechung der kontinuierlichen Vakuumlinie erfordert, durch alternative Rückkontakte zu ersetzen. Ziel ist dabei die Herstellung verlustarmer und stabiler Kontakte durch möglichst einfache, kostengünstige Prozesse, welche mit der etablierten Fertigungstechnologie kompatibel sind. Die diesbezüglich denkbaren unterschiedlichen Strategien werden im Rahmen erster Vorexperimente vorgestellt und diskutiert. Diese Arbeit ist in ihrer Ausrichtung zwischen wissenschaftlicher Grundlagenforschung und technologischer Anwendung angesiedelt. Die resultierenden Erkenntnisse sollen Perspektiven für die Weiterentwicklung der CdTe-Solarzelle aufzeigen und somit langfristig die Herstellung ökonomisch konkurrenzfähiger Module ermöglichen.

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