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Main Title: Kristalline Silizium-Dünnschichten auf nanoimprintstrukturiertem Glas
Subtitle: Wachstum, Lichteinfang und Solarzellen
Translated Title: Crystalline silicon thin films on nanoimprinted glass
Translated Subtitle: growth, light trapping and solar cells
Author(s): Preidel, Veit
Advisor(s): Becker, Christiane
Rech, Bernd
Rudigier-Voigt, Eveline
Referee(s): Rech, Bernd
Topič, Marko
Becker, Christiane
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung strukturierter Siliziumschichten auf nanoimprintstrukturiertem Glas zur Erhöhung des Lichteinfangs in fest- und flüssigphasen-kristallisierten Silizium-Dünnschichtsolarzellen und beinhaltet eine detaillierte Analyse der Korrelation der optischen, elektrischen und strukturellen Si-Materialeigenschaften mit der jeweiligen Substrattextur. Im Bereich der Festphasenkristallisation wurden periodische Mikroloch- und Mikrokonusstrukturen realisiert, welche eine Erhöhung der maximal erreichbaren Kurzschlussstromdichte um bis zu 90 % ermöglichen. Mittels Transmissionselektronenmikroskopie und Elektronenspinresonanz wurde nachgewiesen, dass bei Verwendung von binären Substrattexturen, eine dem aktuellen Forschungsstand für festphasenkristallisiertes Silizium entsprechende Materialqualität erreicht werden kann. Im Bereich der Flüssigphasenkristallisation mittels Elektronenstrahl wurde ein Verfahren zur Herstellung beidseitig strukturierter Si-Dünnschichten entwickelt. Basierend auf diesem Verfahren wurden 10 μm dicke strukturierte Silizium-Dünnschichten realisiert, welche eine theoretisch maximal erreichbare Kurzschlussstromdichte von bis zu 38,2 mA/cm2 aufweisen. Es wurde herausgefunden, dass das eine ausgeprägte 2-µm periodische Substrattextur (Strukturhöhe = 1 µm) zu einer erhöhten Defektdichte und einer reduzierten Diffusionslänge führt. Si-Heterosolarzellen auf dieser stark ausgeprägten Substrattextur wiesen eine maximale Effizienz von 8,7 % und eine maximale Leerlaufspannung von 555 mV auf. Für Solarzellenteststrukturen auf einem moderat statistisch strukturierten Substrat (mittlere quadratische Rauigkeit = 45 nm) konnte eine maximale Leerlaufspannung von 616 mV und ein Effizienzpotential von 13,2 % demonstriert werden.
This works deals with the development of textured silicon thin films on nanoimprint-patterned glass for an application as light trapping structures in solid and liquid phase crystallized Si thin-film solar cells. A detailed analysis of the correlation of the optical, electrical and structural Si material properties and the respective substrate texture is presented. In the field of solid phase crystallization periodic Si microhole and microcone arrays were realized, which yield an enhancement of the maximum achievable short circuit current density of up to 90% compared to an unstructured reference layer. Using transmission electron microscopy and electron paramagnetic resonance, it is shown that on a binary substrate pattern a state of the art solid phase crystallized Si material quality can be obtained. In the area of e-beam induced liquid phase crystallization a technique for the realization of double-side textured Si thin films was developed. Based on this technique 10 µm thick, structured crystalline Si thin films on glass were fabricated exhibiting a maximum achievable short circuit current density of up to 38,2 mA/cm2. It was found that a pronounced 2 µm-periodic substrate texture (structure height = 1 µm) results in an increased defect density and a reduced diffusion length in the silicon. A Si:H/c-Si hetero junction solar cells on a pronounced substrate texture exhibited a maximum conversion efficiency of 8.7 % and a maximum open circuit voltage of 555 mV. In the case of solar cell test devices on a low surface roughness statistical texture (root mean square surface roughness = 45 nm) a maximum open circuit voltage of 616 mV and an efficiency potential of 13.2 % was obtained.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-65149
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4709
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4412
Exam Date: 18-Mar-2015
Issue Date: 18-Apr-2015
Date Available: 18-Apr-2015
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
600 Technik, Technologie
Subject(s): Festphasenkristallisation
Flüssigphasenkristallisation
Kristalline Silizium-Dünnschichtsolarzellen
Lichteinfang
Nanoimprintlithografie
Crystalline silicon thin-film solar cells
Light trapping
Liquid phase crystallization
Nanoimprint lithography
Solid phase crystallization
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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