Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4083
Roschek, Tobias
Microcrystalline Silicon Solar Cells Prepared by 13.56 MHz PECVD
VIII, 106 S., 2003
Thema dieser Arbeit war die Entwicklung von Dünnschichtsolarzellen auf
der Basis von mikrokristallinem Silizium mittels PECVD (plasma-enhanced chemical vapor
deposition) bei 13.56 MHz Anregungsfrequenz und hohen Depositionsraten. Mittels
umfassender Solarzellenstudien, die von Materialcharakterisierungen begleitet wurden,
konnten wir die wichtigsten Bedingungen, die zu hoher Materialqualität bei hohen Depositionsraten
notwendig sind, herausarbeiten. Bei der Entwicklung von Solarzellen in verschiedenen
Druckbereichen stellte sich heraus, dass ein hoher Depositionsdruck entscheidend
für hohe Materialqualität bei hohen Depositionsraten ist. Plasmen bei hohem Druck
(>10 Torr) ließen sich nur bei kleinen Elektrodenabständen zünden. Weitere wichtige Faktoren
für gute Solarzellen waren ein hoher Gesamtgasfluss und eine Substrattemperatur,
die einen Wert von ~200 °C nicht überschreitet. Alternativ wurden Zellen mittels gepulster
Plasmaanregung abgeschieden. Bis zu Depositionsraten von ~5 Å/s wurden ähnlich
gute Ergebnisse wie mittels konventioneller Abscheidung erreicht, bei höheren Raten nahm
der Wirkungsgrad der Solarzellen stark ab. Zusammenfassend ist zu sagen, dass wir das
Ziel hochwertige mikrokristalline Solarzellen bei hohen Depositionsraten herzustellen erreichten.
Die größten technologischen Erfolge waren Solarzellen mit Wirkungsgraden von
9.1 %, 9.0 % und 8.9 % bei Depositionsraten von 1,3 und 4 Å/s. Bei Depositionsraten
von 9 Å/s konnten immer noch Wirkungsgrade von 7.9 % erreicht werden. Weiterhin erarbeiteten
wir ein Verständnis dafür, welche Plasmabedingungen zu hoher Materialqualität
bei hohen Depositionsraten führen.
Topic of this thesis was the development of thin film solar cells based on
microcrystalline silicon prepared by 13.56 MHz PECVD (plasma-enhanced chemical vapor
deposition) at high deposition rates. Comprehensive solar cell studies, which were
accompanied by material studies, resulted in the identification of the most important
prerequisites for high quality solar cells at high growth rates. During the development
of solar cells in various pressure regimes, a high deposition pressure emerged as key parameter
for good solar cell performance at high deposition rates. Plasma ignition at high
deposition pressures (>10 Torr) was only possible at low electrode distances. Other important
factors were a high total gas flow and a substrate temperature, which should not
exceed ~200 °C. As alternative approach deposition by pulsed plasma excitation was
investigated. At deposition rates up to ~5 Å/ls efficiencies comparable to continuous excitation
were achieved, at higher rates the efficiency significantly decreased. In summary
we succeeded in developing high quality solar cells at high deposition rates. Highlights
were solar cells with 9.1, 9.0 and 8.9 % efficiency for deposition rates of 1,3 and 4 Å/s,
respectively. At 9 Å/s still a high efficiency of 7.9 % was achieved. Furthermore we
gained an understanding of the prerequisites regarding the plasma properties to achieve
high growth rates and high quality material.
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