Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3928
Kluth, Oliver
Texturierte Zinkoxidschichten für Silizium-Dünnschichtsolarzellen
IX, 150 S., 2001
Diese Arbeit behandelt die Entwicklung von oberflächentexturierten ZnO:Al-Schichten. Die
Herstellung der Filme erfolgt mittels rf- oder dc-Magnetron-Sputtern von keramischen bzw.
metallischen Targets sowie einem anschliessenden nasschemischen Ätzprozess in verdünnter
Salzsäure zur Aufrauhung der Oberfläche. Technologisches Ziel ist der Entwurf von
optimierten Lichtfallen für amorphe (a-Si:H) und mikrokristalline ([my]c-Si:H) Silizium-
Dünnschichtsolarzellen. Es wird eine umfassende Materialstudie des gesputterten ZnO:Al
vorgestellt, die sich auf den Zusammenhang zwischen Schichtwachstum, strukturellen
Schichteigenschaften und Oberflächenmorphologie nach dem Ätzen konzentriert. Der
Depositionsdruck und die Substrattemperatur haben den größten Einfluss auf die ZnO-
Materialeigenschaften. Bei kleinen Depositionsdrücken konnten hochleitfähige (p=2- 3 * 10-
4[Ohm]cm) und transparente ZnO:Al-Schichten abgeschieden werden. Die mit Rasterkraft- und
Rasterelektronen-Mikrokopie charakterisierte Oberflächenmorphologie der geätzten ZnO:Al-
Schichten werden ebenfalls durch den Depositionsdruck kontrolliert. Kompakte ZnO-
Schichten entwickeln aufgrund eines anisotropen Ätzprozesses eine Oberflächenstruktur
bestehend aus Kratern mit charakteristischer Verteilung, lateraler Grösse und Tiefe. Die
Erhöhung des Depositionsdrucks führt zu Schichten mit geringerer Dichte und demzufolge
kleineren Öffnungswinkeln und tieferen Kratern. Beim Überschreiten eines bestimmten
Drucks wird der Übergang zu einer hügeligen Oberflächenstruktur beobachtet, die für ZnO:Al
Schichten mit geringer Dichte typisch ist. Die experimentellen Materialergebnisse können im
Rahmen eines modifizierten Thornton-Modells verstanden werden. Sie dienen als Basis für
die Entwicklung von ZnO/Glas-Substraten und ZnO/Ag-Rückreflektoren mit angepasster
Oberflächenmorphologie für "superstrate" (p-i-n) and "substrate" (n-i-p) Silizium-
Dünnschichtsolarzellen. Auf diesen Substraten abgeschiedene Solarzellen erreichen
Anfangswirkungsgrade von 8,7% ([my].lC-Si n-i-p Zelle), 10,2% (a-Si/a-Si p-i-n- Tandemzelle)
und 11,2% (a-Si/[my]c-Si p-i-n-Tandemzelle).
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