Präparation von Bismutsulfid-Absorberschichten für Dünnschichtsolarzellen mittels physikalischer Gasphasenabscheidung

Angesichts der sich abzeichnenden Erschöpfung fossiler Ressourcen ist die Erforschung alternativer Energiequellen derzeit eines der meistbeachteten Forschungsgebiete. Durch ihr enormes Potential ist die Photovoltaik besonders im Fokus der Wissenschaft. Um großflächige Beschichtungsverfahren nutzen zu können, wird seit einigen Jahren auf dem Gebiet der Dünnschichtphotovoltaik intensiv geforscht. Jedoch sind die gegenwärtigen Solarzellenkonzepte allesamt durch die Verwendung giftiger (Cd, As) oder seltener Elemente (In, Ga) oder durch eine komplexe Phasenbildung in ihrem Potential beschränkt. Die Entwicklung alternativer Konzepte erscheint daher naheliegend.rnAufgrund dessen wurde in einem BMBF-geförderten Verbundprojekt die Abscheidung von Dünnschichten des binären Halbleiters Bi2S3 mittels physikalischer Gasphasenabscheidung mit dem Ziel der Etablierung als quasi-intrinsischer Absorber in Solarzellenstrukturen mit p-i-n-Schichtfolge hin untersucht.rnDurch sein von einem hochgradig anisotropen Bindungscharakter geprägtes Kristallwachstum war die Abscheidung glatter, einphasiger und für die Integration in eine Multischichtstruktur geeigneter Schichten mit Schichtdicken von einigen 100 nm eine der wichtigsten Herausforderungen. Die Auswirkungen der beiden Parameter Abscheidungstemperatur und Stöchiometrie wurden hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die relevanten Kenngrößen (wie Morphologie, Dotierungsdichte und Photolumineszenz) untersucht. Es gelang, erfolgreich polykristalline Schichten mit geeigneter Rauigkeit und einer Dotierungsdichte von n ≈ 2 1015cm-3 auf anwendungsrelevanten Substraten abzuscheiden, wobei eine besonders starke Abhängigkeit von der Gasphasenzusammensetzung ermittelt werden. Es konnten weiterhin die ersten Messungen der elektronischen Zustandsdichte unter Verwendung von Hochenergie-Photoemissionsspektroskopie durchgeführt werden, die insbesondere den Einfluss variabler Materialzusammensetzungen offenbarten.rnZum Nachweis der Eignung des Materials als Absorberschicht standen innerhalb des Projektes mit SnS, Cu2O und PbS prinzipiell geeignete p-Kontaktmaterialien zur Verfügung. Es konnten trotz der Verwendung besonders sauberer Abscheidungsmethoden im Vakuum keine funktionstüchtigen Solarzellen mit Bi2S3 deponiert werden. Jedoch war es unter Verwendung von Photoemissionspektroskopie möglich, die relevanten Grenzflächen zu spektroskopieren und die Ursachen für die Beobachtungen zu identifizieren. Zudem konnte erfolgreich die Notwendigkeit von Puffermaterialien bei der Bi2S3-Abscheidung nachgewiesen werden, um Oberflächenreaktionen zu unterbinden und die Transporteigenschaften an der Grenzfläche zu verbessern.rn

In view of the apparent depletion of fossil fuels, the search for alternative energies has become one of the most important fields of technical sciences. Due to their enormous resources, photovoltaics are particularly in focus. In order to use the benefits of large-area coating technology, intensive research on thin film photovoltaics has been done in recent years. However, the present solar cell concepts suffer from the usage of either poisonous (Cd, As) or rare elements (In, Ga) or from complex compound formation. Investigation of alternative concepts is therefore desirable.rnDue to this, the deposition of binary semiconductor Bi2S3 thin films by physical vapor deposition was optimized with the objective of integrating it as an intrinsic absorber into a p-i-n solar cell structure.rnBi2S3 exhibits highly anisotropic binding properties, which lead to a quasi-1-dimensional crystal growth behavior. The deposition of smooth and single phase thin films that are suitable for integration in multilayer systems was one the main challenges. The effects of both deposition temperature and gas phase composition were studied regarding relevant parameters (e.g. morphology, carrier density and photoluminescence). The preparation of polycrystalline thin films with suitable roughness and a doping level of n ≈ 2 1015cm-3on standard solar cell substrates could be successfully established. The major influence of gas phase composition could be proven here. During the project, the first measurements of the electronic density of states by means of hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) were conducted.rnIn order to finally prove the usability of Bi2S3in thin film photovoltaics, various compounds (SnS, Cu2O and PbS) were tested as p-type hetero contact materials. However, no efficient solar cells could be synthesized using Bi2S3, though deposition was conducted by a particularly clean vacuum-based method. By means of photoelectron spectroscopy, the relevant interfaces could be analyzed in detail, at which various effects regarding solar cells efficiency were successfully identified. Furthermore, the need for an additional buffer layer to improve surface reactions during Bi2S3 depositions could be proven.rn