Lichtmanagement in Silizium-Dünnschichtsolarzellen

Dünnschichtsolarzellen wie a-Si:H/µc-Si:H-Tandems. Die Topographie des Frontkontaktes dient einem verbesserten Lichteinfang insbesondere zur Verlängerung des Lichtweges in der nur schwach absorbierenden mikrokristallinen µc-Si:H-Teilzelle. Zinkoxid lässt sich durch sein anisotropes Ätzverhalten mit einem nasschemischen Ätzverfahren so strukturieren, dass sich Krater auf der Oberfläche ausbilden. Je nach Herstellungsmethode variiert das Ätzverhalten der Schichten jedoch stark. Die vorliegende Dissertation untersucht dotiertes Zinkoxid mit unterschiedlicher Topographie als Frontkontakt in a-Si:H/µc-Si:H-Tandemsolarzellen in Hinblick auf den Lichteinfang in der µc-Si:H-Teilzelle. Die verbesserte Absorption führt zu einer Steigerung der Kurzschlussstromdichte. Aluminiumdotiertes Zinkoxid wurde mit verschiedenen Verfahren bei einer Temperatur von 330 °C gesputtert (vom metallischen Target reaktiv mit Mittelfrequenz, vom keramischen Target mit Radiofrequenz (RF) oder mit Gleichstrom (DC)) und nachträglich nasschemisch geätzt. Auch bordotiertes Zinkoxid, das mit chemischer Niederdruckgasphasenabscheidung hergestellt wurde, wurde eingesetzt. Zur Analyse des Lichtstreuverhaltens bei verschiedenen Topographien wurde neben Hazemessungen die winkelaufgelöste Lichtstreuung (ARS) verwendet. Auf diese Weise kann aus optischen Messungen die Rauheit und die laterale Strukturgröße xi der jeweiligen Topographie ermittelt werden. Es wurde eine Korrelation zwischen Haze und Ra-Rauheit nachgewiesen. Zur Ermittlung der lateralen Strukturgröße wurden zwei Methoden identifiziert. Das Maximum der ARS-Streufunktion verschiebt sich in Abhängigkeit von lateraler Strukturgröße und Wellenlänge. Größere laterale Strukturen führen zu einer Streuung in kleine Winkel. Eine größere Wellenlänge verschiebt das Maximum zu größeren Winkeln. Dies entspricht einem Mie-Streuverhalten. Aus der Position des Streumaximums kann die laterale Strukturgröße bestimmt werden. Die zweite Methode verwendet den linearen Zusammenhang zwischen xi und dem Quotienten aus Haze und Großwinkelstreuung (GW-ARS: 46 - 80°). Ebenso konnte aus der Großwinkelstreuung im Winkelbereich zwischen 46° und 80° auf den in der µc-Si:H-Teilzelle generierten Strom zurückgeschlossen werden. Eine neu definierte Figure of Merit beinhaltet deshalb neben dem spezifischen Widerstand und der Absorption auch die Großwinkelstreuung. In dieser Arbeit wurde eine laterale Strukturgröße von etwa 1 µm und einer Rauheit von etwa 100 nm als besonders vorteilhaft identifiziert. Die Kurzschlussstromdichte der µc-Si:H-Teilzelle konnte durch eine solche Ätztopographie um 51 % von 7.6 mA/cm² auf 11.5 mA/cm² gesteigert werden. Der optische Weg wurde bei einer Wellenlänge von 920 nm mindestens um den Faktor zwölf verlängert. Diese Topographie lässt sich mit Hilfe des RF-Sputterns und nachträglichem nasschemischen Ätzen erreichen. Eine vergleichbare Ätzstruktur kann durch einen Saatschichtansatz erzielt werden, bei dem eine nur 26 nm dicke RF-Saatschicht die Nukleation so beeinflusst, dass eine darauf DC-gesputterte Schicht quasiepitaktisch aufwächst. Durch eine bessere Ausrichtung der Kristallsäulen, größere Körner und eine reduzierte Defektdichte wurde die Elektronenmobilität der Saatschichtproben auf 49 cm²/Vs gesteigert. Im Vergleich zu den beiden Einzelschichten (RF und DC) mit einer Elektronenmobilität von 31 cm²/Vs wurde sie um 58 % erhöht. Die Kombination aus einer dünnen Saatschicht und einer DC-gesputterten Deckschicht ermöglicht es bei im Vergleich zu RF gesteigerter Depositionsrate, homogene Ätzstrukturen auf großen Flächen zu realisieren. Die Substrattemperatur des Sputterprozesses hat eine zentrale Bedeutung für die Ätzstruktur. Mit zunehmender Substrattemperatur werden die Ätzkrater größer, bei hohen Temperaturen bilden sich schließlich Plateaus zwischen sehr großen Ätzkratern aus, die sich nur noch schwer ätzen lassen. Das Temperaturfenster für eine optimale Ätztopographie liegt bei einer Targetdotierung von 1 wt.% Al2O3 und einer Deposition auf Corning Eagle XG zwischen 327 °C und 330 °C.