Lichtmanagement in Silizium-Dünnschichtsolarzellen

Abstract

Texturiertes ZnO:Al im Frontkontakt ist ein wesentlicher Bestandteil des Lichtmanagements in Silizium-Dünnschichtsolarzellen wie a-Si:H/µc-Si:H-Tandems. Die Topographie des Frontkontaktes dient einem verbesserten Lichteinfang insbesondere zur Verlängerung des Lichtweges in der nur schwach absorbierenden mikrokristallinen µc-Si:H-Teilzelle. Zinkoxid lässt sich durch sein anisotropes Ätzverhalten mit einem nasschemischen Ätzverfahren so strukturieren, dass sich Krater auf der Oberfläche ausbilden. Je nach Herstellungsmethode variiert das Ätzverhalten der Schichten jedoch stark. Die vorliegende Dissertation untersucht dotiertes Zinkoxid mit unterschiedlicher Topographie als Frontkontakt in a-Si:H/µc-Si:H-Tandemsolarzellen in Hinblick auf den Lichteinfang in der µc-Si:H-Teilzelle. Die verbesserte Absorption führt zu einer Steigerung der Kurzschlussstromdichte.Aluminiumdotiertes Zinkoxid wurde mit verschiedenen Verfahren bei einer Temperatur von 330 °C gesputtert (vom metallischen Target reaktiv mit Mittelfrequenz, vom keramischen Target mit Radiofrequenz (RF) oder mit Gleichstrom (DC)) und nachträglich nasschemisch geätzt. Auch bordotiertes Zinkoxid, das mit chemischer Niederdruckgasphasenabscheidung hergestellt wurde, wurde eingesetzt. Zur Analyse des Lichtstreuverhaltens bei verschiedenen Topographien wurde neben Hazemessungen die winkelaufgelöste Lichtstreuung (ARS) verwendet. Auf diese Weise kann aus optischen Messungen die Rauheit und die laterale Strukturgröße xi der jeweiligen Topographie ermittelt werden. Es wurde eine Korrelation zwischen Haze und Ra-Rauheit nachgewiesen. Zur Ermittlung der lateralen Strukturgröße wurden zwei Methoden identifiziert.Das Maximum der ARS-Streufunktion verschiebt sich in Abhängigkeit von lateraler Strukturgröße und Wellenlänge. Größere laterale Strukturen führen zu einer Streuung in kleine Winkel. Eine größere Wellenlänge verschiebt das Maximum zu größeren Winkeln. Dies entspricht einem Mie-Streuverhalten. Aus der Position des Streumaximums kann die laterale Strukturgröße bestimmt werden. Die zweite Methode verwendet den linearen Zusammenhang zwischen xi und dem Quotienten aus Haze und Großwinkelstreuung (GW-ARS: 46 - 80°). Ebenso konnte aus der Großwinkelstreuung im Winkelbereich zwischen 46° und 80° auf den in der µc-Si:H-Teilzelle generierten Strom zurückgeschlossen werden. Eine neu definierte Figure of Merit beinhaltet deshalb neben dem spezifischen Widerstand und der Absorption auch die Großwinkelstreuung.In dieser Arbeit wurde eine laterale Strukturgröße von etwa 1 µm und einer Rauheit von etwa 100 nm als besonders vorteilhaft identifiziert. Die Kurzschlussstromdichte der µc-Si:H-Teilzelle konnte durch eine solche Ätztopographie um 51 % von 7.6 mA/cm² auf 11.5 mA/cm² gesteigert werden. Der optische Weg wurde bei einer Wellenlänge von 920 nm mindestens um den Faktor zwölf verlängert.Diese Topographie lässt sich mit Hilfe des RF-Sputterns und nachträglichem nasschemischen Ätzen erreichen. Eine vergleichbare Ätzstruktur kann durch einen Saatschichtansatz erzielt werden, bei dem eine nur 26 nm dicke RF-Saatschicht die Nukleation so beeinflusst, dass eine darauf DC-gesputterte Schicht quasiepitaktisch aufwächst. Durch eine bessere Ausrichtung der Kristallsäulen, größere Körner und eine reduzierte Defektdichte wurde die Elektronenmobilität der Saatschichtproben auf 49 cm²/Vs gesteigert. Im Vergleich zu den beiden Einzelschichten (RF und DC) mit einer Elektronenmobilität von 31 cm²/Vs wurde sie um 58 % erhöht. Die Kombination aus einer dünnen Saatschicht und einer DC-gesputterten Deckschicht ermöglicht es bei im Vergleich zu RF gesteigerter Depositionsrate, homogene Ätzstrukturen auf großen Flächen zu realisieren. Die Substrattemperatur des Sputterprozesses hat eine zentrale Bedeutung für die Ätzstruktur. Mit zunehmender Substrattemperatur werden die Ätzkrater größer, bei hohen Temperaturen bilden sich schließlich Plateaus zwischen sehr großen Ätzkratern aus, die sich nur noch schwer ätzen lassen. Das Temperaturfenster für eine optimale Ätztopographie liegt bei einer Targetdotierung von 1 wt.% Al2O3 und einer Deposition auf Corning Eagle XG zwischen 327 °C und 330 °C. A front contact of textured ZnO:Al is an important part of the light management in silicon thin film solar cells like a-Si:H/µc-Si:H tandem cells. The topography of the front contact leads to light trapping and an elongated light path, which is important especially in the low absorbing µc-Si:H bottom cell. Zink oxide has an anisotropic etching behavior. Therefore it can be textured by wet chemical etching. Etch craters are achieved, whose topography strongly depends on the deposition method and parameters.In the present thesis different topographies of doped zinc oxide front contacts in a-Si:H/µc-Si:H tandem solar cells are examined regarding the light trapping ability in the µc-Si:H bottom cell. Here higher absorption leads to an increased short circuit current density. Different magnetron sputtering techniques were used to deposit ZnO:Al at a deposition temperature of 330 °C, which are reactive mid frequency from a metallic target, radio frequency (RF) and direct current (DC) from a ceramic target. These films were wet chemically etched after deposition. Also ZnO:B was applied in solar cells, which was deposited by low pressure chemical vapor deposition.To analyze the light scattering behavior of the different topographies the haze value and angular resolved light scattering (ARS) were determined. In this way roughness and lateral structure size xi could be measured optically. A correlation between haze an roughness was verified. To evaluate the lateral structure size two methods were identified. The angle of the ARS maximum shifts to smaller angles for larger xi and to larger angles for bigger wavelengths, which corresponds to a Mie scattering behavior. The angular position of the maximum scatter signal gives the lateral structure size. The second method uses the linear dependency between xi and the large angular scattering (GW-ARS) between 46° and 80°.By this GW-ARS the generated short circuit current of the µc-Si:H bottom cell can be estimated. Therefore a new defined figure of merit includes the GW-ARS in addition to resistivity and absorption.In this work a lateral structure size of approximately 1 µm and a roughness of approximately 100 nm were identified as optimum topography. The short circuit current density of the µc-Si:H bottom cell was increased by such a topography by 51 % from 7. 6 mA/cm² (flat ZnO:Al) to 11.5 mA/cm² (optimum). At a wavelength of 920 nm the optical path length was elongated at least by a factor of twelve. The optimum topography can be obtained by RF sputtering and subsequent wet chemical etching. A comparable etching topography is achieved by a seed layer approach, where a 26 nm thin RF seed layer influences the nucleation of a thick DC sputtered film. The DC film grows quasi-epitaxial on top of the seed layer, which leads to a narrower alignment of the crystal columns, larger grains and a reduced defect density. Therefore the electron mobility was increased to 49 cm²/Vs. In comparison the single RF and DC films only have an electron mobility of 31 cm²/Vs if sputtered with a power density of 3.8 W/cm². The combination of a thin seed layer, which controls nucleation, and a DC sputtered cover layer enables the deposition of ZnO:Al films on large areas with homogeneous etch topography at medium deposition rates.The substrate temperature during sputtering has a large influence on the etch behavior. With increasing substrate temperature the etch craters become broader and at high temperature above 330 °C flat plateaus are forming between large craters, which are quite resistive against etch attacks. For a target doping of 1 wt.% Al2O3 and a Corning Eagle XG glass substrate the deposition temperature window for the optimum etch topography is between 327 °C and 330 °C.