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Main Title: Transparente leitfähige Oxide (TCO) in Silizium-Heterostruktursolarzellen
Subtitle: Elektronische Eigenschaften des TCO/a-Si:H Kontakts
Translated Title: Transparent conductive oxides (TCO) in silicon-heterostructure solar cells
Translated Subtitle: electronic properties of the TCO/a-Si:H contact
Author(s): Rößler, Robert
Advisor(s): Korte, Lars
Referee(s): Rech, Bernd
Bär, Marcus
Szyszka, Bernd
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Solarzellen auf Basis von Heterostrukturen aus hydrogeniertem amorphem (a-Si:H) und kristallinem Silizium (c-Si) sind Thema aktueller Forschungsvorhaben in der Photovoltaik. Das Zellkonzept verbindet das Potential hoher Wirkungsgrade von c-Si Wafern mit der vergleichsweise einfachen Prozessierung bei geringen Temperaturen von a-Si:H mittels der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung. Durch die effektive Absättigung der c-Si Oberflächendefekte mit nominell undotierten a-Si:H-Schichten kann eine hohe offene Klemmspannung erreicht werden. Die Firma Panasonic erreichte mit diesem Konzept einen Solarzellenwirkungsgrad von 25,6 %. Als Vorderseitenkontakt werden in a-Si:H/c-Si Solarzellen transparente leitfähige Oxide (TCOs), wie das aluminiumdotierte Zinkoxid (ZnO:Al) oder das zinndotierte Indiumoxid (ITO), eingesetzt. Das TCO hat die Aufgabe eine ausreichend hohe Leitfähigkeit für den lateralen Transport gesammelter Ladungsträger sowie einen geringen spezifischen Kontaktwiderstand zu den Metallkontakten zu gewährleisten. Gleichzeitig muss eine hohe optische Transparenz sichergestellt sein. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit dem Einfluss der Beschichtungsmethode des TCOs auf die a-Si:H/c-Si Heterostruktur, sowie mit den elektronischen Eigenschaften des Kontakts zwischen dem TCO und dem p-dotierten amorphen Silizium ((p)a-Si:H). Untersucht wurden hierfür die TCOs ZnO:Al und ITO. Die Anwendung der Magnetron-Kathodenzerstäubung für die Beschichtung der a-Si:H/c-Si Solarzellen mit TCO kann durch auftretenden Teilchenbeschuss zu einer Schädigung der a-Si:H/c-Si Heterostruktur führen. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Auswirkung verschiedener Sputtermethoden (Radio Frequency, Direct Current und High Power Impuls Magnetron Sputtering) auf die a-Si:H/c-Si Grenzflächenpassivierung untersucht.Ferner wird die Wirkung des TCO/(p)a-Si:H Kontakts auf den Wirkungsgrad von a-Si:H/c-Si Solarzellen beschrieben. Es wird gezeigt, dass die TCO/(p)a-Si:H Kontaktbildung zu einer Reduzierung der Ladungsträgerlebensdauer für geringe Ladungsträgerdichten führt. Eine computergestützte Analyse dieser Beobachtung zeigt, dass der Effekt mit einer verminderten Feldeffektpassivierung am a-Si:H/c-Si Kontakt erklärt werden kann. Mit numerischen Simulationen kann dieser Mechanismus bestätigt werden,dessen Ursache in der Differenz der Austrittsarbeiten zwischen TCO und der (p)a-Si:H Schicht liegt. Durch den Kontakt mit dem TCO kommt es zur Bildung einer Raumladungszone, die die Diffusionsspannung am p/n Heterokontakt verringert. In deren Folge kommt es zur Reduzierung der offenen Klemmspannung und dem Füllfaktor der Solarzellen. Im Rahmen dieser Dissertation erfolgt darüber hinaus die Untersuchung des ZnO:Al bzw. ITO/(p)a-Si:H Kontakts mittels harten Röntgenstrahlen an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II.Die Bandanpassung der beiden Materialien ZnO:Al bzw. ITO zum (p)a-Si:H wirdbestimmt. Aus dieser Untersuchung wird ersichtlich, dass die (p)a-Si:H Schicht eine Verarmung an Ladungsträgern aufweist. Ferner werden die chemischen und elektronischen Oberflächeneigenschaften von ZnO:Al und ITO-Schichten an der TCO/(p)a-Si:H Grenzfläche sowie als Funktion der TCO-Schichtdicke beschrieben. Eine mittels Atomlagenabscheidung aufgebrachte undotierte ZnO-Schicht wird als Vergleichssystem für die Bestimmung chemischer Spezies untersucht. Die im Rahmen dieser Dissertation erzielten Ergebnisse stellen einen Ausgangspunkt für die Optimierung des TCO/(p)a-Si:H Kontakts in a-Si:H/c-Si Solarzellen dar.
Solar cells based on heterojunctions between hydrogenated amorphous (a-Si: H) and crystalline silicon (c-Si) are a subject of current research in photovoltaics. The cell concept combines the potential high efficiency of c-Si wafers with the simple processing of a-Si:Hat low temperatures using plasma enhanced chemical vapor deposition. Due to the effective passivation of c-Si surface defects using nominally undopeda-Si:H layers, a high open circuit voltage can be achieved. The company Panasonic reached with this concept a solar cell efficiency of 25.6 %. The front side contact in a Si:H/c-Si solar cells is realized with the use of a transparent conductive oxides (TCOs), such as aluminum-doped zinc oxide (ZnO: Al), or the tin-doped indium oxide (ITO). The TCO has to ensure a sufficiently high conductivity for the lateral transport of collected charge carriers and a low specific contact resistance to the metal contacts. At the same time a high optical transparency must be ensured. This present dissertationis concerned with the influence of the deposition method of TCOs on a Si:H/c-Si heterojunctions, as well as the electronic properties of the contact between the TCO and the p-doped amorphous silicon ((p)a-Si:H). For this propose the TCOs ZnO: Al and ITO were examined. The application of magnetron sputtering for the coating of a-Si:H/c-Si solar cells with a TCO can lead to a degradation of the a-Si:H/c-Si passivation quality due to particle bombardment. In this work, the influence of various sputtering methods (radio frequency, direct current and high power impulse magnetron sputtering) on the passivation quality is studied. Further, the impact of the TCO/(p)a-Si:H contact on the solar cells efficiency is discribed. It is shown that the TCO/(p)a-Si:Hcontact formation leads to a reduction of the charge carrier lifetime for low charge carrier densities. A computer-assisted analysis of this reduction in charge carrier lifetime shows that the effect can be explained with a reduced field effect passivation at the a-Si:H/c-Si heterointerface. The mechanism can be confirmed with numerical simulations. The identified cause is the difference in work functions between the TCO and the (p) a-Si: H layer.The contact of the TCO with the (p)a-Si:H layer leads to the formation of a space charge region which can reduce the built-in voltage at the a-Si:H/c-Si heterojunction. As a consequence a reducedopen circuit voltage and fill factor of solar cells can be observed. In this thesisthe ZnO:Al and ITO/(p)a-Si:H contact is investigated using hard X-rays from the synchrotron radiation source BESSY II. With these measurements the band alignment of the two materials ZnO:Al and ITO to (p)a-Si:H is determined. From this study it is apparent that there is a depletion of charge carriers in the (p)a-Si:H layer. Further, the chemical and electronic properties of the ZnO:Al and ITO surfaces as well as the TCO/(p)a-Si:H interface are described as a function of TCO layer thickness. A atomic layer deposited undopedZnO-layer is examined for comparison. The results obtained in this dissertation provide a starting point for the optimization of the TCO/(p)a Si:H contact to reach higher fill factors ina-Si:H/c-Si solar cells.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-56279
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4471
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4174
Exam Date: 13-Mar-2014
Issue Date: 2-Sep-2014
Date Available: 2-Sep-2014
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Amorphes Silizium
Heterostruktur
Indiumoxid
TCO
Zinkoxid
Heterostructures
amorphous silicon
zincoxide
indiumoxide
TCO
a-Si:H
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