Optimising thin-film solar cells by computer simulations
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Abstract
CIGS-Dünnschichtsolarzellen verbinden hohe Effizienz mit niedrigen Kosten
und sind damit eine aussichtsreiche Photovoltaik-Technologie. Das Verständnis
des Absorbermaterials CIGS ist allerdings noch lückenhaft und benötigt
weitere Forschung. In dieser Dissertation werden Computersimulationen
vorgestellt, die erheblich zum besseren Verständnis von CIGS beitragen.
Es wurden die beiden Systeme Cu(In,Ga)Se2 und (Cu,In,Vac)Se betrachtet.
Die Gesamtenergie der Systeme wurde in Clusterentwicklungen ausgedrückt,
die auf der Basis von ab initio Dichtefunktionalrechnungen erstellt
wurden. Damit war es möglich Monte Carlo (MC)-Simulationen durchzuführen.
Kanonische MC-Simulationen von Cu(In,Ga)Se2 zeigen das temperaturabhängige
Verhalten der In-Ga-Verteilung. In der Nähe der Raumtemperatur
findet ein Übergang von einer geordneten zu einer ungeordneten Phase statt.
Unterhalb separiert das System in CuInSe2 und CuGaSe2. Oberhalb
existiert
eine gemischte Phase mit inhomogen verteilten In- und Ga-Clustern.
Mit steigender Temperatur verkleinern sich die Cluster und die Homogenität
nimmt zu. Bei allen Temperaturen, bis hin zur Produktionstemperatur der
Solarzellen (¼ 870 K), ist In-reiches CIGS homogener als Ga-reiches CIGS.
Das (Cu,In,Vac)Se-System wurde mit kanonischen und großkanonischen
MC-Simulationen untersucht. Hier findet sich für das CuIn5Se8-Teilsystem
ein Übergang von einer geordneten zu einer ungeordneten Phase bei T0 =
279 K.
Großkanonische Simulationen mit vorgegebenen Werten für die chemischen
Potentiale von Cu und In wurden verwendet, um die Konzentrations-
Landschaft und damit die sich ergebenden Stöchiometrien zu bestimmen.
Stabilitätsbereiche wurden für stöchiometrisches CuInSe2 und für die Defektphasen
CuIn5Se8 und CuIn3Se5 bei einer Temperatur von 174 K identifiziert.
Die Bereiche für die Defektphasen sind bei T = 696 K verschwunden.
Die Konzentrations-Landschaft
reproduziert auch die leicht Cu-armen
Stöchiometrien, die bei Solarzellen mit guten Effizienzen experimentell beobachtet
werden. Die Simulationsergebnisse können verwendet werden, um
den industriellen CIGS-Produktionspr