Copper oxide material and device optimization for photovoltaics

Abstract

This study is aiming primarily at improving cuprous oxide based photovoltaic devices by identifying and overcoming performance-limiting loss mechanisms. It is focused mainly on the fundamental optimization of the cuprous oxide thin films and the device by tuning the deposition process and the device design by a choice of the heterojunction partner material. The device performance-limiting effect of the conduction band offset is explained and experimentally addressed by the choice of aluminum gallium nitride as the window layer. The successful attempt to passivate defects in the sputtered cuprous oxide thin films by hydrogen is demonstrated. Further investigation unveiled a hydrogen induced passivation of defects, that are located at the polycrystalline material s grain boundaries. The limiting mechanism of strong interface recombination was diminished by modifying the sputter deposition by introducing a semi-transparent electrode reducing the sputter deposition induced damage. Finally, the ability to vastly increase the conductivity up to the degeneracy of cuprous oxide by extrinsic doping with nitrogen is demonstrated. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist die Verbesserung von Kupferoxid basierenden photovoltaischen Bauelementen durch Identifikation und Überwindung von Leistungs-limitierenden Verlustmechanismen. Der Focus liegt hauptsächlich auf der fundamentalen Optimierung der Kupferoxid Dünnschichten, und für das Bauteil die Einstellung des Depositionsprozesses und des Designs durch die Wahl eines Heteroübergangs-Partnermaterial. Der Bauteil-Leistungs-limitierende Effekt der Leitungsbanddiskontinuität wird erklärt und experimentell adressiert durch die Wahl von Aluminium-Galliumnitrid als Fenstermaterial. Der erfolgreiche Versuch Defekte in durch Kathodenzerstäubung hergestelltem Kupferoxid zu passivieren wird gezeigt. Weitere Untersuchungen enthüllen eine Wasserstoff-induzierte Passivierung von Defekten, die sich an den Korngrenzen des polykristallinen Materials befinden. Der limitierende Mechanismus der starken Interfacerekombination wurde verringert durch eine Modifikation des Kathodenzerstäubgungsprozess mittels einer Depositionsschaden reduzierenden semi-transparententen Elektrode. Zuletzt wird die Möglichkeit die Leitfähigkeit von Kupferoxid bis zur Entartung durch extrisisches Dotieren mit Sticksoff zu erhöhen demonstriert.