Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3471 Herstellung und Charakterisierung von a-Si:H / c-Si Heterostruktur-Solarzellen Diese
Arbeit widmet sich einem Solarzellentyp mit kristallinem Silicium als Basismaterial und
mit Silicium als Emittermaterial, das nicht einkristallin aus der Gasphase abgeschieden
wird (PECVD-Depositionsverfahren). Den amorphen oder mikrokristallinen
Emittermodifikationen ist gemeinsam, das sie bei niedrigen Temperaturen präpariert
werden. In der Hauptsache wird amorphes hydrogeniertes n-dotiertes Silicium - a-Si:H(n) -,
deponiert auf kristallinem p-typ Silicium - c-Si(p) -, eingesetzt. Zunächst wird die
technologische Entwicklung einer einfachen Solarzellenstruktur vorgestellt. Ziel dieser
Entwicklungsarbeit ist eine reproduzierbar präparierbare Solarzelle mit einfacher
Schichtenfolge, die gleichzeitig eine Referenz für komplexere Strukturen darstellt. Im
Zentrum des Interesses stehen die Solarzellenparameter. Ein
"Präparationsrezept" wird angegeben, mit dem ca. 11 % Wirkungsgrad erreicht
werden. Stromdichte-Spannungskennlinien (jV) ohne Beleuchtung zeigen einen
temperaturkonstanten Diodenqualitätsfaktor n; in Vorwärtsrichtung wird der Transport
durch die typischen Eigenschaften des pn-Übergangs dominiert.
Kapazitäts-Spannungsprofile (CV) ergeben lineare CV-Profile (1/C/C linear zu V); dies
gilt in einem weiten Temperaturbereich und sowohl im Dunkeln als auch unter Beleuchtung.
Die Kapazität ist nur schwach frequenzabhängig; die Defektzustandsdichte an der
Grenzfläche ist gering. Dies ermöglicht relativ hohe Leerlaufspannungen der Solarzellen
(V[alpha] über 600 mV). Dagegen ist der Füllfaktor (FF) gering (ca. 60 %); es
zeigt sich ein Kreuzungspunkt von Hell- und Dunkelkennlinien (Kennlinienpaare gleicher
Temperatur). Bekannt ist dieses Phänomen von Solarzellen, bei denen der Photostrom ein
Driftstrom ist. In Abhängigkeit von der Temperatur und der Bestrahlungsstärke zeigen die
jV-Hellkennlinien zwei Wendestellen, üblicherweise benannt als "S-Gestalt".
Hier zeigen Modellierungsrechnungen, daß ein positiver Bandoffset im Leitungsband
[Delta]Ec (Leitungsband im a-Si:H höher als im c-Si) von ca. 0.2 eV zwischen
kristallinem und amorphem Silicium dieses Verhalten erkl„ren kann. Man erhält (vor
allem bei tieferer Temperatur) eine Umverteilung des Potentialabfalls vom c-Si zum a-Si.
In diesem Fall kann schon ein relativ geringer Bandoffset eine Barriere darstellen: Es
ergibt sich ein spannungsabhängiger "Stau" der photogenerierten Ladungsträger
(Elektronen). Eine positive Biasspannung reduziert nämlich den verbliebenen
Potentialabfall im c-Si-Leitungsband weiter. Deshalb gilt das Superpositionsprinzip nicht
einmal näherungsweise. Anhand einiger Proben mit "umgekehrter" Dotierfolge -
amorphe p-Schicht und kristalline n-typ Basis - wird untersucht, ob sich auch dort der
Einfluß der Bandanpassung nachweisen läßt. Qualitativ werden dieselben Einflüsse
nachgewiesen: Kreuzungspunkt der Hell- und Dunkelkennlinien und S-Gestalt werden gezeigt.
Dies entspricht der Erwartung bei positivem Valenzbandoffset (Valenzband im a-Si:H tiefer
als im c-Si). Die Kennliniensimulation von Solarzellen stellt keine fundamentale Methode
dar, um den Offset der Bänder zu ermitteln; vielmehr wird die bauelementspezifische
Wirkung des Offsets weiter untersucht: Die Abweichung vom Superpositionsprinzip nimmt bei
Legierung des amorphen n-typ Siliciums mit Kohlenstoff zu und bei Legierung mit Germanium
ab. Die Veränderungen der Bandlücken mit Legierungen lassen eine entsprechende Erhöhung
bzw. Verringerung des Bandoffsets erwarten. In diesen Fällen werden ebenso wie bei
mikrokristallinen Emitterschichten die CV-Profile und die jV-Dunkelkennlinien durch eine
erhöhte Defektdichte am Interface geprägt. Eine intrinsische Zwischenschicht kann in
diesen Fällen die Dunkelkennlinien verbessern, jedoch wird insgesamt nicht der
Wirkungsgrad erreicht, der mit der oben erwähnten einfachen Schichtenfolge realisiert
wird.
Kolter, Magnus
Herstellung und Charakterisierung von a-Si:H/c-Si Heterostruktur-Solarzellen
132 S., 1997
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