Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3897
Vetterl, Joachim
On the Physics of Microcrystalline Silicon Thin Film Solar Cells
X, 126 S., 2001
Mittels VHF-PECVD wurde dotiertes und undotiertes mikrokristallines Silicium
für Solarzellen-Anwendungen hergestellt. Zusätzlich wurden Herstellungsprozesse für Bauelemente
auf mit texturiertem Zinkoxid überzogenen Glassubstraten entwickelt. Dabei wurden die hohe
Wirkungsgrade von bis zu 8.7% für mikrokristalline Einzelzellen und 10% für Stapelsolarzellen
erzielt. Eine umfangreiche Variation verschiedener Hersetllungsparameter wurde durchgeführt,
wobei sowohl Materialeigenschaften wie kristalliner Volumenanteil, Leitfähigkeit und optische
Absorption als auch entsprechende Solarzellen-Kenndaten untersucht wurden. Es zeigte sich, daß
ein enger Zusammenhang zwischen der strukturellen Zusammensetzung des Material und den
Thansport- und Rekombinationseigenschaften existiert, der dazu führt, daß die optimale
Bauelementfunktion unerwarteter Weise nahe am Übergang zu amorphem Wachstum beobachtet wird.
Im einzelnen nimmt die Dunkelleitfähigkeit des Materials bei Annäherung an den Übergang von
kristalliner Seite her ab, wobei eine Zunahme der Solarzellen-Effizienz, bedingt durch eine
Erhöhung der Leerlaufspannung, zu verzeichnen ist. Gleichzeitig verringern sich die problematisch
hohen Rekombinationsverluste, wie sie unter hochkristallinen Wachstumsbedingungen auftreten
und einer hohen Defektdichte zugeschrieben werden können, deutlich. Die Obergrenze der
Optimierung wird bei Einsetzen des amorphen Wachstums erreicht. Dieser Übergang geschieht in
der Solarzelle aufgrund lokaler Epitaxie auf den dotierten Schichten sehr abrupt. Jenseits dieses
Punktes kommt es zu einer Überkompensation der vorteilhaften Zunahme der Leerlaufspannung
durch die deutlichen Verringerung der Generations- und Extraktionseffizienz von Ladungsträgern.
Folglich sind Bedigungen nahe des Übergangs zwischen kristallinem und amorphem Wachstum,
die im Bauelement noch in einer homogenen kristallinen Struktur resultieren, am besten geeignet
hohe Solarzellen- Wirkungsgrade zu erzielen.
VHF-PECVD was used to prepare doped and undoped microcrystalline silicon for
applications in thin-film solar cells. In addition, device preparation processes on glass substrates,
covered with texture-etched zinc-oxide films, were developed. High conversion efficiencies of up to
8.7% and 10% for single junction solar cells and stacked solar cells were achieved, respectively. The
deposition conditions of the intrinsic absorber layer were varied over a wide range and material
properties such as crystalline volume content, conductivity and optical absorption as well as
corresponding solar cell properties were investigated. It was found that the structural composition
of the materia1 is closely related to transport and recombination properties, resulting in optimum
device performance under unexpected conditions close to the transition to amorphous growth.
In particular, the dark conductivity of the materia1 decreases upon approaching this transition
starting from the highly crystalline range, e.g. by changing the dilution ratio of silane in hydrogen,
while the efficiency of corresponding solar cells improves due to increasing open-circuit voltages.
Simultaneously, the drawback of recombination losses observed for highly crystalline conditions,
which can be attributed to a high defect density, is much improved. The upper limit of the
efficiency improvement is reached at the set-in of amorphous growth. This transition occurs very
abruptly in the solar cells due to local epitaxy on the doped contact layers. Beyond this point the
beneficia1 increase of open-circuit voltage is overcompensated by a significant reduction of charge
carrier generation and extraction efficiency. It is concluded that growth conditions close to the
transition to amorphous growth, which in the solar cell still result in structura1ly homogeneous
and highly crystalline materia1, are most suitable with respect to the device performance.
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