IPV

Verantwortlich: Dr. W. Beyer, IPV, w.beyer@fz-juelich.de

Aufgaben und Ziele

Das Vorhaben umfasst Grundlagenforschung an Halbleiterschichten und deren Grenzflächen sowie die technologische Entwicklung von Solarzellenstrukturen auf der Basis von amorphem und mikrokristallinem Silizium und Silizium-Legierungen. Im Grundlagenbereich beziehen sich die Arbeiten auf die Präparation amorpher, mikrokristalliner und polykristalliner Silizium-Schichten sowie oberfächenstrukturierter, transparenter, leitfähiger Oxidschichten, die Verbesserung der optischen und elektronischen Eigenschaften, die Stabilität amorpher und mikrokristalliner Silizium-Schichten und auf die Erforschung der Grenzflächen. Die Technologie beinhaltet die Entwicklung von Solarzellen und großflächigen Modulen mit hohenWirkungsgraden sowie von Sensoren.

Wichtige Ergebnisse im Jahr 2003

Herstellungsprozesse, Wachstum und Material

Mit Hot Wire CVD wurde mikrokristallines Silizium bei 250°C unter Variation des Draht-Substrat Abstandes sowie der Drahttemperatur und –geometrie hergestellt. Für Schichten mit guten elektronischen Eigenschaften wurde die Depositionsrate um einen Faktor 4 erhöht.

Mit in-situ Ellipsometrie gelingt eine semi-quantitative Bestimmung des kristallinen Volumenanteils während des Wachstums von mikrokristallinem Silizium.

Mikrostrukturuntersuchungen durch Effusion von implantiertem Helium ergeben für amorphes Germanium ähnlich wie bei amorphem Silizium eine hohe Konzentration an isolierten Voids (Hohlräumen), wenn Standard-Depositionsbedingungen (Plasmadeposition bei einer Substrattemperatur von 200°C) angewandt wurden. Dagegen zeigen die Messungen für (amorphe) Silizium-Germaniumlegierungen die Anwesenheit einer zusammenhängenden Voidstruktur.

Der Einfluss der Al-Dotierung auf die elektrischen und optischen Eigenschaften von ZnO:Al Schichten wurde untersucht. Der spektrale Bereich sehr hoher Transparenz konnte in den nahen Infrarotbereich erweitert werden. Die Streuung der Ladungsträger an ionisierten Störstellen begrenzt die Elektronenbeweglichkeit in diesen Schichten.

Leitfähige und transparente Zinkstannatschichten (ZTO) wurde mit dem Sputterverfahren hergestellt. Diese ZTO Schichten zeigen in XRD eine amorphen Struktur und trotzdem Elektronenbeweglichkeiten bis 32 cm²/Vs.

In der Dünnschicht-Siliziumtechnologie sind Ätzprozesse sowohl als Prozessschritt, als auch zur Reinigung der Depositionskammern von Bedeutung. Ein Standardprozessgas ist Schwefelhexafluorid, das aber auf Grund seines hohen Potentials zum Aufheizen der Atmosphäre im "Kyoto-Protokoll" als umweltschädlich erwähnt wird. Als Ersatzstoff wurde Stickstofftrifluorid untersucht, insbesondere in Verdünnung mit Edelgasen. Hohe Ätzraten wurden erzielt und bei hohem Beladungsfaktor wurde eine Gasausnutzung nahe 100% beobachtet. Auf Grund dieser Eigenschaften könnte sich Stickstofftrifluorid als Ersatz für Schwefelhexafluorid eignen, obwohl es teurer ist. Bauelementsimulation Mit Hilfe von analytischen Lösungen der Halbleitergleichungen können die wesentlichen Zusammenhängen zwischen Materialeigenschaften und Solarzelleneigenschaften mikrokristalliner Dioden erklärt werden. Dies konnte durch einen Vergleich mit Ergebnissen basierend auf numerischen Simulationen gezeigt werden. Solarzellen Deposition von mikrokristallinem Silizium mit VHF-PECVD bei hohem Druck und hoher Leistung liefert Solarzellen mit hohen Wirkungsgraden von 8,7% bei Depositionraten von 1,4 nm/s. Die höchsten offenen Klemmenspannungen bei gleichzeitig hoher Kurzschlussstromdichte erreicht man mit Solarzellen, die am Übergang von mikrokristallinem zum amorphen Wachstum hergestellt werden. Hier wurden die weltweit höchsten offenen Klemmenspannungen von fast 600 mV bei AM 1,5 mit Solarzellen erzielt, die mit der HW Methode hergestellt worden waren. Mikrostrukturuntersuchungen zeigen, daß in der aktiven mikrokristallinen Siliziumschicht eine sehr homogen verteilte amorphe Phase mit einem Volumenanteil von mehr als 50% präsent ist. Die in der amorphen Phase erzeugten Ladungsträger werden sehr effizient in die kristalline Phase transferiert und nutzen dort die besseren Transporteigenschaften. In diesen Zellen findet man eine schwache Degradation durch den sogenannten Staebler-Wronski-Effekt, der auf die ungeordnete Phase beschränkt ist.

Solarzellen mit mikrokristallinem Silizium zeigen In- und Metastabilitäten bei Behandlung in Wasser und Luft. Während kompaktes Material stabil gegenüber atmosphärischen Einflüssen ist, zeigen Solarzellen mit hochkristalliner, poröser Struktur dramatische Änderung ihrer Eigenschaften.

Auf a-Si:C:H wachsen Siliziumschichten mit amorpher Struktur unter Bedingungen, die sonst hochkristallines Material liefern. Solche Solarzellen haben eine hohe offene Klemmenspannung von 988 mV.

Für a-Si/a-SiGe Solarzellen mit optimierte Si-Pufferschichten und a-SiGe Schichtdicken von nur 100 nm wurde ein stabiler Wirkungsgrad von 9,4% erzielt.

Solarmodulentwicklung

Es wurde eine umfangreiche Meßtechnik zur Charakterisierung von Solarmodulen bestehend aus Flasher, Klimaschrank, Filterrad-DSR-Messplatz und DC-Sonnensimulator in Betrieb genommen. Durch eine Modifikation des Lichtspektrums des Flashers können die Kenndaten von amorphen, mikrokristallinen und Tandemsolarmodulen mit einer Abweichung von ca. 2% im Vergleich zum DC-Sonnensimulator ermittelt werden. Der stabile Wirkungsgrad von kleinflächigen Solarmodulen (Apertur-Fläche: 64 cm₂) aus amorphem und mikrokristallinem Silizium wurde auf 10,2 % verbessert. Die Rolle des Gesamtgasflusses bei der Herstellung von Solarzellen aus mikrokristallinem Silizium wurde untersucht. Basierend auf den Ergebnissen wurde ein Prozess entwickelt, der nur sehr kleine Wasserstoffflüsse bei der Herstellung erfordert und damit Kostensenkungen verspricht. Sensoren Ein interferometrischer Sensor wurde entwickelt, der das Intensitätsprofil einer stehenden Welle detektiert. Dieser Sensor besteht aus zwei transparenten nip-Dioden mit einer i-Schichtdicke von nur ca. 40 nm und einem Phasenschieber. Durch ein optimiertes Design der Vielschichtstruktur konnte eine Phasenlage zwischen den beiden sinusförmigen Photoströmen von 87° eingestellt werden.