Ion beam treatment of functional layers in thin-film silicon solar cells

Zhang, Wendi; Rau, Uwe

doi:1866-1793

Ion beam treatment of functional layers in thin-film silicon solar cells = Ionenstrahlbehandlung von funktionalen Schichten für Silizium-Dünnschichtsolarzellen

Zhang, Wendi (Author)

2013

VerantwortlichkeitsangabeWendi Zhang

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek 2013

UmfangXI, 191 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Energie & Umwelt ; 170

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Uwe (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-12-03

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-45361
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229981/files/4536.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Photovoltaik (FZ Jülich) (615610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Sputtern (Genormte SW) ; Dünnschichtsolarzelle (Genormte SW) ; Ionenstrahl (Genormte SW) ; Transparent-leitendes Oxid (Genormte SW) ; Wachstum (Genormte SW) ; Zinkoxid (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; zinc oxide (frei) ; ion beam treatment (frei) ; sputtering (frei) ; thin-film silicon solar cell (frei) ; growth (frei) ; textured glass (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In Dünnschichtsolarzellen aus Silizium müssen transparente, leitfhige Schichten folgende Anforderungen erfüllen: Hohe Leitfähigkeit als guter Kontakt; hohe Transparenz an der Frontseite der Solarzelle; und eine strukturierte Oberfläche, die das einfallende Licht effektiv streut. Durch Magnetronsputtern erzeugte und nasschemisch texturierte, mit Aluminium dotierte Zinkoxid (ZnO:Al) Schichten werden häufig als transparente Leiter eingesetzt. Das technologische Ziel dieser Dissertation ist es, durch Modifikation der Glas/ZnO:Al- oder ZnO:Al/Si-Grenzfläche mittels Ionenstrahl eine Alternative zur nasschemischen Ätzung zu finden, um das Licht in den dünnen Absorberschichten aus Silizium einzufangen. Die Studie konzentriert sich auf das texturierte Wachstum von ZnO:Al-Schichten auf Glassubstraten, die mit Ionenstrahlen vorbehandelt wurden, sowie auf die Herstellung von texturiertem Glas und deren Anwendung in Solarzellen. Zunächst wurden technologische Aspekte, wie Ätzraten der Glassubstrate und ZnO:Al-Schichten mit verschiedenen Ionenstrahlkonfigurationen, untersucht und die experimentellen Daten mit theoretisch berechneten Werten verglichen. Mittels Ionenstrahl vorbehandeltes Glas führte zu texturiertem Wachstum der ZnO:Al-Schicht während des Sputterprozesses. Solche ZnO:Al-Schichten weisen eine texturierte Oberfläche mit einer Rauheit von 40 nm auf, wobei die hohe Leitfähigkeit erhalten bleibt. Dünnschichtsolarzellen aus Silizium, die auf der rau gewachsenen („as-grown“) ZnO:Al-Schicht angefertigt wurden, zeigen, dass dieser vordere Kontakt einen ausgezeichneten Lighttrapping-Effekt bieten kann. Die höchste anfängliche Effizienz für amorphe Einzel Solarzellen aus Silizium auf as-grown rauen ZnO:Al-Schichten erreichte 9,4%. Die raue as-grown Morphologie konnte auf große konische ZnO:Al-Körner zurückgeführt werden, deren Nukleation durch das mit Ionen vorbehandelte Glas hervorgerufen wurde. Es wurde ein linearer Zusammenhang zwischen der Rauheit der as-grown ZnO:Al-Schicht und dem Anteil der offenen Sauerstoff-Bindungen („dangling bonds“) gefunden, die durch die Ionenstrahlbehandlung auf dem Glassubstrat erzeugt wurden. Basierend auf den experimentellen Beobachtungen wurde ein Modell entwickelt, das den Mechanismus der Nukleation und des Wachstums von ZnO:Al-Schichten auf Zn- und O-polaren ZnOEinkristallen, sowie auf unbehandelten und mit Ionenstrahl vorbehandelten Glassubstraten qualitativ erklärt. Der Einfluss der Ionenbehandlung von ZnO:Al-Oberflächen auf die Oberflächenbeschaffenheit, HCl-Ätzung, Siliziumwachstum und auf erneutes ZnO:Al-Wachstum wurde systematisch untersucht. Die Ionenstrahlätzung hat eine leicht glättende Wirkung auf die strukturierten ZnO:Al-Schichten. Durch längere Ionenstrahlätzung von nasschemisch geätztem ZnO:Al konnte die Oberflächentextur in das Glassubstrat übertragen und so strukturiertes Glas mit ähnlicher Oberfläche wie die der ZnO:Al-Schicht hergestellt werden. Strukturiertes Glas mit einer großen Bandbreite an Morphologien ist durch Variation der Ätzmaske der Bedingungen der Ionenstrahlbehandlung verfügbar. Die Kombination von as-grown texturierten ZnO:Al-Schichten und texturiertem Glas führte zu „doppelt strukturierten“Oberflächen, deren auswirkungen ebenfalls in Solarzellen getestet wurden. Die Ionenstrahlbehandlung ermöglichte die Herstellung von lichtstreuenden Oberflächen durch strukturiertes Glas und as-grown raue ZnO:Al-Schichten ohne nasschemisches Ätzen zwischen TCO-Präparation und Absorberdeposition. Weiterhin konnten neuartige „doppelt texturierte“Oberflächenstrukturen durch die Kombination beider Techniken erzeugt werden. Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 11,9% beweisen die exzellenten Eigenschaften der hergestellten Frontkontakte. Die Wachstumsuntersuchungen liefern weitere Einsichten in und ein neues Verständnis von ZnOStrukturenbildung und werden die künftige Optimierung der Eigenschaften von ZnO:Al-Schichten begünstigen.

In silicon thin-film solar cells, transparent conductive layers have to fulfill the following requirements: high conductivity as effective contact, high transparency to transmit the light into the cell, and a textured surface which provides light scattering. Magnetron sputtered and wet-chemically textured aluminum doped zinc oxide (ZnO:Al) films are widely used as the transparent conductor. The technological goal of this dissertation is to develop an alternative to the wet etching process for light trapping in the thin silicon absorber layers through modification of the glass/ZnO:Al or ZnO:Al/Si interfaces by ion beam treatment. The study focuses on the textured growth of ZnO:Al films on ion beam pretreated glass substrates, and the preparation and application of textured glass for light trapping. The technological aspects such as the etch rates of the glass substrate and ZnO:Al films with different ion beam configurations were studied. The experimental etch rates are compared with simulated and theoretically predicted values. With regard to the ion beam treatment of glass substrate, the influence of the ion pretreated glass on the growth of ZnO:Al films was investigated. The ZnO:Al films grown on ion beam pretreated glass substrates exhibit self-textured morphology with surface roughness of 40 nm while remaining highly conductive. Silicon thin-film solar cells prepared on the as-grown rough ZnO:Al films show that this front contact can provide excellent light trapping effect. The highest initial efficiencies for amorphous single junction solar cells on as-grown rough ZnO:Al films was 9.4%. The as-grown rough morphology was attributed to large conical ZnO:Al grains initiated from the ion pretreated glass surface. It was found that the roughness of the as-grown rough ZnO:Al film is proportional to the number of O dangling bonds created by ion beam treatment on the glass substrate. A growth model was proposed to explain the growth mechanism of ZnO:Al films on Zn- and O-polar ZnO single crystals, as well as on untreated and ion beam treated glass substrates. With regard to the ion beam treatment of ZnO:Al films, the influence of the ion treatment on the surface morphology, HCl etching, silicon growth, and additional ZnO:Al growth was investigated. Ion beam etching has a smoothening effect on the textured ZnO:Al films. Using sputtered and wet chemically etched ZnO:Al as ion beam etching mask, textured glass with features similar to the ZnO:Al films were obtained. Textured glass with a wide range of morphologies was prepared by varying the etching mask and the ion beam treatment conditions. Finally, as-grown textured ZnO:Al films prepared on ion beam treated textured glass, which exhibit ’double textured’ features, were produced and applied in solar cells. The ion beam treatment enabled the preparation of light scattering surfaces by textured glass and as-grown rough ZnO:Al films without the need of wet etching between TCO preparation and absorber deposition. Further, new ’double textured’ surface structures could be created by the combination of both techniques. Solar cells with efficiency of 11.9% proved the applicability as-grown textured ZnO:Al for light trapping. The growth studies provided deeper insights and a new understanding of ZnO structure formation and will govern optimization of ZnO:Al film properties.

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