Investigation of light propagation in thin-film silicon solar cells by dual-probe scanning near-field optical microscopy

  • Untersuchung der Lichtausbreitung in Silizium-Dünnschicht-Solarzellen mittels optischer Zweispitzen-Raster-Nahfeldmikroskopie

Lehnen, Stephan; Rau, Uwe (Thesis advisor); von Plessen, Gero (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek (2015)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Energie & Umwelt 270
Seite(n)/Artikel-Nr.: 120 S. : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird die Lichtausbreitung in mikrokristallinen Silizium Dünnschicht Solarzellen unter-sucht. Für diesen Zweck wurde ein optisches zwei Spitzen Nahfeld-Mirkoskop (SNOM ) entwickelt und aufgebaut. Das Mikroskop ist mit zwei getrennten Spitzen ausgestattet, welche eine lokale Beleuchtung und Detektion auf Sub-Wellenlängen Skalen ermöglichen. Durch Verwendung neuer Mess-Verfahren, welche ausschliesslich an zwei-Spitzen SNOMs verfügbar sind, kann die Lichtausbreitung in dünnen Schichten mit hoher Präzision gemessen werden.Im Rahmen dieser Arbeit werden die verschiedenen technischen Herausforderungen der Zwei-Spitzen-Nahfeldmikroskopie erläutert und technische Lösungen gezeigt. Die Zuverlässigkeit des Aufbaus wurde gründlich an Messungen der Lichtführung in flachen und texturierten mikrokristallinen Silizium Dünnschicht Solarzellen in nip-Konfiguration getestet. Die gemessenen Rohdaten wurden mit verschiedenen Verfahren ausgewertet. Dabei wurde beobachtet, dass die Abnahme der Lichtintensität in Schichtrichtung stark von lokalen Oberflächen Strukturen beeinflusst wird. Daher wurde ein neuartiger Zwei-Spitzen Scanmodus entwickelt, welcher die durch lokale Strukturen bedingten nicht konstanten Kopplungseffzienten kompensiert.Im Zwei-Spitzen Betrieb erreicht nur ein kleiner Teil der von der Beleuchtungsspitze emittierten Photonen letztendlich die Detektionsspitze. Daher werden die verschiedenen Verlustmechanismen, welche für die starke Dämpfung des propagierenden Lichts verantwortlich sind, mittels eines ray-tracing Ansatzes untersucht. Ray-tracing erlaubt es die verschiedenen Verlustmechanismen separat zu untersuchen. Die Simulation zeigt, dass für eine Wellenlänge von 750nm der Intensitätsabfall innerhalb der ersten 5µm von der radialen Verteilung des Lichts in der Schicht dominiert wird. In geringerem Abstand ist die Absorption der Hauptmechanismus für eine Abnahme der Lichtintensität. Die Lichtführung von Strahlen mit kleinem Einfallswinkel wird stark durch die hohe Transmission am Front-Interface gedämpft. Obwohl ray-tracing die Wellennatur des Lichtes vernachlässigt, ist der Ansatz in der Lage, den lateralen Intensitätsabfall in einer 1 µm dicken µc-Si:H Schicht zu reproduzieren.Der ray-tracing Ansatz wird ergänzt durch Simulationen mittels der Finite-Differenzen-Methode im Zeitbereich (FDTD ), welche die Feld-Verteilung auf Sub-Wellenlängenskala wiedergibt. Durch Einbeziehung der Beleuchtungs-Spitze in den simulierten Schicht-Stapel, konnte eine verbesserte Übereinstimmung von Simulation und Experiment erzielt werden. Auf Basis der FDTD Simulationen wird die Licht-Verteilung innerhalb und oberhalb des Schichtstapels untersucht und mit einem Halbraum-Modell verglichen, welches ein System ohne light-trapping Eigenschaften darstellt. Es wird gezeigt, dass zumindest für unbeschädigte, ideale Spitzen ein direkter Licht-Transfer zwischen Beleuchtungsspitze und Detektionsspitze, unter Umgehung der Absorber-Schicht, vernachlässigbar ist.Des Weiteren bieten die FDTD-Simulationen Zugang zu der Winkelverteilung der Emission einer, in Sub-Wellenlängenabstand über einer Oberfläche platzierten, SNOM-Spitze. Hierbei ergänzen die Simulationen die experimentell bestimmte Emissions-Charakteristik in Luft im Fernfeld. Es wird gezeigt, dass eine SNOM Spitze, die in Sub-Wellenlängenab-stand zu einer µc-Si:H Schicht platziert ist, einen großen Anteil von 64% der Intensität unter Winkeln einkoppelt, die größer als der Totalreflexionswinkel sind. Der mittels FDTD-Simulationen bestimmte Intensitätsabfall zeigt eine gute Überein-stimmung mit den gemessenen Daten. Eine Modulation des Intensitätsabfalls, welcher durch Interferenzen verursacht wird, die durch Mehrfach-Reflexionen in der Schicht entstehen, wird sowohl in den FDTD-Simulationen beobachtetet, als auch im Experiment. Die gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment zeigt, dass makroskopische Absorptionskoeffzienten geeignet sind, um die Lichtausbreitung auch auf mikroskopischen Skalen zu beschreiben.

Identifikationsnummern