Mikroskopisches Transportmodell für reale Solarzellenstrukturen: Einfluss struktureller Unordnung und Defekte auf Ladungsträgertransport und - dynamik in CuIn1-xGaxSe2

Das vorgestellte Projekt hat zum Ziel, die Mikrostruktur in dünnen Schichten des Chalkopyrit­halb­leiters Cu(In,Ga)Se₂ aufzuklären und ein Mikrostrukturmodell aufzustellen. Das Mikro­struktur­mo­dell beschreibt die lokalen optoelektronischen Eigenschaften dieses Verbin­dungs­halb­leiters, der durch einen hohen Unordnungsgrad charakterisiert ist. Das Mikrostrukturmodell soll veri­fi­ziert werden, indem die Ergebnisse im Rahmen des Projektes durchgeführter orts-zeit-spektralaufgelöste Lumin­eszenz­­ex­pe­rimente sowie Ladungstransportexperimente mit der Methode der Finiten-Elemente simuliert werden. Durch die Kombination von Experiment und Simulation soll die Beeinflussung des La­dungs­trä­gertransports durch den Unordnungsgrad des Mischsystems Cu(In,Ga)Se₂ eingehend erforscht wer­den. Die Arbeiten zum Einfluss von Unordnung sind grundlegender Natur und lassen sich auf andere Ma­terialsysteme übertragen.

Cu(In,Ga)Se₂ Schichten werden in modernen Dünnschichtsolarzellen mit Laborwirkungs­graden von über 20% eingesetzt. Aufgrund von Fluktuationen der chemischen Zusammensetzung und der Defekt­dich­ten (Punkt- und Flächendefekte) sind diese Schichten stark ungeordnet. Bislang sind der Grad der Un­ord­nung nicht ausreichend quantifiziert und der Einfluss der Unordnung auf den Ladungstransport weit­gehend unverstanden.
Gegenstand des experimentellen Projektteils ist die Ermittlung lokaler Inhomogenitäten, deren Ab­hän­gig­keit von der chemischen Komposition und deren Einfluss auf den Ladungsträger­transport. Der Un­ord­nungsgrad kann durch Wahl der Präparationsbedingungen wie kristallines/amorphes Substrat, che­mische Zusammensetzung, Korngröße systematisch variiert werden. Für das Projekt werden Pro­ben­se­rien mit zunehmendem Unordnungsgrad heran­ge­zo­gen. In einer Eingangs­analyse werden zunächst ma­kroskopische Parameter wie integrale De­fekt­­dichten, Korngrößen etc. bestimmt. Im Hauptteil des Proj­ektes werden sodann mittels orts-zeit-spektral-aufgelöster Kathodolumineszenz die lokalen struk­tu­rellen und opti­schen Ei­gen­schaften temperatur- und anregungsabhängig erforscht. Zusätzlich sollen mit­tels Time-of-Flight Messungen die lokale Lebensdauer und Diffusionslänge der Über­schuss­la­dungs­­träger in Strukturen mit steigendem Unordnungsgrad und steigender Komplexität bestimmt wer­den. Die gewonnenen Ergebnisse fließen in die Entwicklung eines mikroskopischen Trans­portmodells ein. Auf der Basis dieses Modells simulieren 3-dimen­sionale Finite-Elemente-Rechnungen die Ergeb­nis­se zum Ladungstransport und verifi­zie­ren das Mikro­struktur­modell. Gleichzeitig werden Solar­zel­len­parameter berechnet und mit dem Experiment verglichen.