Zur Mikrostruktur siliziumbasierter Dünnschichten für die Photovoltaik

Köhler, Florian; Rau, Uwe

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-44017

Zur Mikrostruktur siliziumbasierter Dünnschichten für die Photovoltaik = On the microstructure of silicon-based thin films for photovoltaics

Köhler, Florian

2012 & 2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Florian Köhler

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangI, 100 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Prüfungsjahr: 2012. - Publikationsjahr: 2013

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Uwe (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-12-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-44017
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/210440/files/4401.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Photovoltaik (FZ Jülich) (615610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mikrostruktur (Genormte SW) ; Dünnschichtsolarzelle (Genormte SW) ; Silicium (Genormte SW) ; Amorpher Zustand (Genormte SW) ; Nahordnung (Genormte SW) ; Ungeordnetes System (Genormte SW) ; Mikrokristall (Genormte SW) ; Siliciumcarbid (Genormte SW) ; Röntgendiffraktometrie (Genormte SW) ; Raman-Spektroskopie (Genormte SW) ; Physik (frei) ; lichtinduzierte Degradation (frei) ; Fehlordnung (frei) ; Siliziumkarbid (frei) ; XRD (frei) ; microstrucutre (frei) ; thin film silicon solar cell (frei) ; amorphous (frei) ; microcrystalline (frei) ; medium range order (frei) ; lattice defects (frei) ; silicon (frei) ; silicon carbide (frei) ; x-ray diffraction (frei) ; Raman spectroscopy (frei) ; light-induced degradation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die vorliegende Dissertation behandelt die Mikrostruktur dünner Schichten. Siliziumbasierte Materialien, die in der Photovoltaik Anwendung finden, werden dabei im Hinblick auf ihre strukturelle Ordnung und Unordnung charakterisiert. Ergebnisse der Ramanspektroskopie über die "medium range order" (MRO) in hydrogenisiertem, amorphem Silizium zeigen dabei Korrelationen mit Daten aus Röntgendiffraktogrammen. Nutzt man dieses Material als Absorberschicht in Solarzellen, unterliegen diese einer lichtinduzierten Degradation (Staebler-Wronski-Effekt). Die Resultate der durchgeführten Experimente zeigen, dass Solarzellen weniger degradieren, wenn ihre Absorberschichten größere Korrelationslängen und damit eine höhere MRO aufweisen. Steigt der Grad atomarer Ordnung weiter an, so lassen sich in der Schicht kristalline Bereiche identifizieren und das Material ist durch seinen kristallinen Volumenanteil Xc genauer charakterisierbar. Nicht nur in diesem Übergangsbereich, sondern auch bei kristallinen Volumenanteilen von bis zu 80% findet sich ein Zusammenhang zwischen Xc und den Korrelationslängen des umgebenden amorphen Siliziums. Man kann Xc sowohl mit Röntgenbeugung als auch mit Ramanspektroskopie ermitteln. Bei letzterer ist der Wirkungsquerschnitt jedoch abhängig von der verwendeten Wellenlänge, so dass z. B. bei einer Anregungswellenlänge von 647nm Xc ohne entsprechende Korrektur um 10% unterschätzt wird. Eine Anregungswellenlänge von 488nm dagegen liefert gute Übereinstimmungen mit Messdaten aus der Röntgenbeugung und erfordert daher keine solche Korrektur. Zu beachten ist jedoch, dass sich der Absorptionskoeffizient mit der Wellenlänge ändert, wodurch auch das angeregte Probenvolumen variiert. Dies ermöglicht wiederum eine gewisse Tiefenauflösung bei der Bestimmung von Xc. Eine solche ist notwendig, um die Homogenität des Materials in Wachstumsrichtung überprüfen zu können. Ein homogenes Schichtwachstum kann bei der Verwendung von mikrokristallinem Silizium als Absorberschicht in Solarzellen den Wirkungsgrad positiv beeinflussen. Die Tiefenauflösung durch Anregung der Ramanstreuung bei unterschiedlichen Wellenlängen liefert jedoch, ähnlich wie Röntgenbeugung unter verschiedenen Einfallswinkeln, einen komplizierten Mittelwert über das gemessene Schichtvolumen. Diese Arbeit stellt zwei weitere Methoden zur tiefenabhängigen Bestimmung von Xc vor, die dieses Problem umgehen. Zum einen wirde ein Ätzverfahren präsentiert bei dem man eine Schräge in das Material ätzt, um dann mikroskopisch Ramanspektren in unterschiedlichen Ätztiefen aufnehmen zu können. Zum anderen ermöglicht die erfolgreiche Realisierug einer in-situ-Ramanspektroskopie die Charakterisierung der Mikrostruktur bereits während des Schichtwachstums. Mit diesem Verfahren ist zudem noch eine aktive Prozesskontrolle durchführbar, bei der die Depositionsparameter so angepasst werden, dass sich der gewünschte kristalline Volumenanteil einstellt. Gewünscht ist bei der Deposition von Absorberschichten für Solarzellen ein Xc von etwa 55%-70%. Darüber hinaus wird in der Literatur behauptet, dass auch eine Vorzugsorientierung der Netzebenen in [110]-Richtung notwendig ist, um Solarzellen mit hohen Wirkungsgraden zu erhalten. Mit Hilfe der Röntgenbeugung sowie der Transmissionselektronenmikroskopie an verschiedenen, auch hocheffizienten, Solarzellen wurde keine solche Vorzugsorientierung festgestellt. Dieses Ergebnis stellt die Behauptung der Literatur infrage indem es zeigt, dass hohe Wirkungsgrade auch ohne Textur erzielt werden können. Siliziumkarbid besitzt viele Eigenschaften, die für Fensterschichten in Dünnschichtsolarzellen wünschenswert sind. Dünne Schichten dieses Materials wurden bereits in Solarzellen verwendet, jedoch ist über dessen Mikrostruktur nur wenig bekannt. Die hier untersuchten Proben bestehen - im Gegensatz zu mikrokristallinem Silizium - nicht aus einer Mischphase von amorphen und kristallinen Bereichen, sondern sind im Rahmen der Messgenauigkeit vollständig kristallin bzw. amorph. Ein Parameter, der bis dato in der Literatur als semi-quantitativer Wert für Xc verwendet wurde, korreliert nicht mit dem kristallinen Volumenanteil sondern mit einer Verspannung des Atomgitters. In diesem hochkristallinen Material spielen Gitterdefekte eine große Rolle. Die Auswertung von Röntgendiffraktogrammen zeigt eine Variation von Kristallitgrößen und der Vorzugsorientierung bei Al-dotierten Proben, die mittels HWCVD bei unterschiedlichen Depositionsdrücken hergestellt wurden. Diese Details in der Struktur spiegeln sich in Gitterdefekten wider und korrelieren mit der Absorption freier Ladungsträger sowie der elektrischen Leitfähigkeit. Die gewonnenen Ergebnisse zeigen dementsprechend Zusammenhänge zwischen den elektronischen Eigenschaften und der Mikrostruktur des Materials auf.

This thesis deals with the microstructure of thin films. Silicon-based material applied in photovoltaics is characterized in terms of structural order and disorder. Results on the “medium range order” (MRO) of hydrogenated amorphous silicon obtained by Raman spectroscopy shows correlations with X-ray diffraction data. Applying this material as an absorber layer of a solar cell, it is prone to light-induced degradation leading to a decrease in efficiency after prolonged illumination (Staebler-Wronski effect). The experimental results show that this degradation is reduced for material with higher MRO. Considering the point that the structural order of the material is high enough to observe small crystallites, it can be characterized by its crystalline volume fraction Xc. An increase of Xc together with the correlation lengths of the surrounding amorphous phase can not only be found near this transitional region but also up to Xc = 80%. Xc itself can be obtained using X-ray diffraction and Raman spectroscopy. For the latter however, the scattering cross section depends on the excitation wavelength so that for example Xc is underestimated for 10% at 647nm without appropriate correction. In contrast, using 488nm as the excitation wavelength, a good agreement with X-ray diffraction is obtained so that no correction is necessary. While the absorption coefficient varies with the excitation wavelength, one has to keep in mind that the probed volume also changes. This however, enables a depth-resolved measurement of Xc. A sufficient depth resolution is essential to probe the homogeneity in the growth direction while a homogeneous absorber layer can have a positive influence on the solar cell performance. However, using Raman spectroscopy at different wavelengths or X-ray diffraction at different incident angles, the result is always a complicated average of the probed volume. This thesis presents two further methods to determine a depth-resolved Xc. On the one hand, a special etching procedure is introduced that enables to record Raman spectra in different etching depths. On the other hand, it is possible to characterize the crystalline volume fraction during the deposition using in-situ Raman spectroscopy. This method additionally allows for a process control as the deposition parameters can be changed in order to obtain the desired values for Xc. For the deposition of absorber layers in microcrystalline silicon solar cells, the range of desired values of Xc is around 55%-70%. Beyond this, it is often claimed in the literature that a preferred orientation of crystallites in [110]-direction is important for highly efficient solar cells. Using X-ray diffraction and transmission electron microscopy, it is shown in this thesis that highly efficient solar cells can also be obtained without a significant texture questioning the claims of literature. Crystalline silicon carbide shows various properties that are desirable for the window layer in solar cells. Thin films of microcrystalline silicon carbide were already applied in silicon-based thin film solar cells, but only few is known about its microstructure. In contrast to microcrystalline silicon, the investigated samples to not consist of a mixture of an amorphous and a crystalline phase. In fact, they are either crystalline or amorphous within measurement accuracy. A parameter that is often used in the literature to characterize Xc, could instead be correlated to stress within the structural lattice. In this highly crystalline material, lattice defects play an essential role. An evaluation of X-ray diffraction data shows variations of the crystallite size and the degree of texture with the applied deposition pressure. In detail, the resulting lattice defects correlate with the near infrared absorption due to free charge carriers and with the electrical conductivity. As a consequence, the obtained results show correlations between the electronic properties and the microstructure of the material.

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