Photolumineszenzspektroskopie

Beschreibung:

Die Photolumineszenzspektroskopie (PL) ist ein sehr empfindliches Verfahren zur Charakterisierung von Defekten und Fremdatomen in Halbleitermaterialien. Dabei wird das Messobjekt (Solarzelle, Halbleiter) durch einen Laserstrahl angeregt. Die generierten Ladungsträger rekombinieren (zum Teil) unter Aussendung von Licht. Dieses Lumineszenzlicht wird bezüglich seiner spektralen Zusammensetzung und Intensität analysiert. Daraus kann der Abhängigkeit der Lumineszenz von Anregungsintensität und Probentemperatur auf die spezifische Art der Rekombination und damit auf die beteiligten Defekte und Fremdatome geschlossen werden.

Eigenschaften unseres Photolumineszenzmessplatzes (mit Strahlengang für Raumtemperaturmessung):

  • Anregungsquelle: Halbleiter- Laserdiode und Helium-Neon Laser
  • Anregungswellenlänge: 668 nm, 632 nm
  • Anregungsintensität: 10 mW/cm2
  • Detektor: InGaAs-Diodenzeile
  • Detektion der Lumineszenz: 750nm < λ < 1600nm
  • Energieauflösung: 2 meV
  • Probentemperatur: 30K < T < 350 K (Closed-Cycle Kryostat)

Resultate:

CuInS2

Speziell am CuInS2 haben wir den Einfluss von Temperungen in Wasserstoff und Sauerstoff auf die PL untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass die Intensität einer bestimmten Emissionslinie stark beeinflusst werden kann. Durch Temperung in Wasserstoff steigt die Intensität der 1,445 eV-Linie um den Faktor 100 (!). Eine anschließende Sauerstoff- oder Lufttemperung reduziert die Intensität wieder. Dies lässt darauf schließen, dass die Dichte eines bestimmten Defekts, den wir als Vs identifiziert haben, durch Wasserstoff stark zunimmt und durch Sauerstoff reduziert werden kann[1].

CuInS2:(Zn,Mg)

Außerdem wurden an (Zink und Magnesium) dotierten CuInS2 Absorberschichten und Solarzellen Photolumineszenzmessungen durchgeführt. Wie in Abbildung 1 zu sehen ist taucht eine neue breite Emission mit sehr hoher Intensität im Spektrum auf. Das gleiche Spektrum finden wir für Mg dotierte Schichten.



Aufbau des Photolumineszenzsmessplatzes



PL-Spektrum einer Zink-Dotierten CuInS2 Absorberschicht im Vergleich mit einem CuInS2 Standardabsorber bei T=298 K. In dieser Darstellung ist die große Lumineszenzintensität der dotierten Probe deutlich erkennbar.


Temperexperimente haben gezeigt, dass sich eine Änderung des spektralen Verlaufs der Lumineszenz erst ab einer Schwellentemperatur (ca. 350 °C) einstellt[2].
Für den zugrunde liegenden Übergangsmechanismus werden verschiedene Modelle diskutiert. Wir vermuten eine strukturelle Änderung (Hinweise aus Ramanmessungen) des dotierten CuInS2 Absorbers, welche im Modell von fluktuierenden Potentialen in der Photolumineszenzanalyse erklärt werden kann[2,3].

Qualitätskontrolle:Um in einem frühen Stadium der Solarzellenherstellung eine Prognose zur Güte des fertigen Bauteils stellen zu können, kombinieren wir Photolumineszenz- und Ramanspektroskopie. Der Vergleich von Lumineszenzintensitäten des bandkantennahen und breiten Übergangs von CuInS2-Dünnschichten bei Raumtemperatur, sowie die Auswertung der Halbwertsbreite (FWHM) der A1-Mode (290 cm-1 bei CuInS2) aus Ramanmessungen, haben sich als nützliche Werkzeuge zur Qualitätskontrolle bewährt. Eine dominierende bandkantennahe Lumineszenz sowie geringe Halbwertsbreiten der A1-Mode kennzeichnen Absorberschichten mit hohen Wirkungsgraden[4].

Referenzen:

[1] K. Töpper, J. Bruns, R. Scheer, M. Weber, A. Weidinger and D. Bräunig. Appl. Phys. Lett. 71, 482 (1997)
[2] T. Enzenhofer, T. Unold, H. W. Schock. Physica Status Solidi A 203 (11) 2624-2629 (2006)
[3] T. Enzenhofer, T. Unold, R. Scheer, H. W. Schock. MRS Spring Meeting (2005, San Francisco)
[4] E. Rudigier, T. Enzenhofer, R. Scheer. Thin Solid Films 480-481, 327-331 (2005)