Lichtstreuende Oberflächen, Schichten und Schichtsysteme zur Verbesserung der Lichteinkopplung in Silizium-Dünnschichtsolarzellen

  • Light-scattering Surfaces, Layers and Layer Systems for improved Lighttrapping in Silicon Thin-Film Solar Cells

Berginski, Michael; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2007, 2008)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Kurzfassung

Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Lichtausbeute und den optischen Verlustmechanismen in Dünnschichtsolarzellen aus hydrogenisiertem amorphen (a-Si:H) und mikrokristallinen (µc-Si:H) Silizium. Dabei steht die Optimierung des Aluminium-dotierten Zinkoxid-Frontkontakts (ZnO:Al) im Mittelpunkt der Untersuchungen. Die Anforderungen an diesen Frontkontakt werden mit den beiden notwendigen Voraussetzungen (hohe Transmission und hohe elektrische Leitfähigkeit) noch nicht ausreichend erfüllt. Wegen des vor allem im nahen Infrarot geringen Absorptionsvermögens der dünnen Siliziumschichten (ca. 1 µm) sind Mechanismen zur effektiven Wegverlängerung (Lighttrapping) der Photonen in der Absorberschicht unerlässlich. In dieser Arbeit kommen von einem keramischen Target rf-magnetron-gesputterte ZnO:Al-Filme zum Einsatz. Diese Filme können durch einen nasschemischen Ätzschritt in verdünnter Salzsäure so aufgeraut werden, dass eine besonders effiziente Lichtstreuung hervorgerufen wird. Eine umfassende materialwissenschaftliche Untersuchung mit Charakterisierung der ZnO:Al-Filme hinsichtlich ihrer elektrischen, optischen und strukturellen Eigenschaften wird vorgestellt. In Abhängigkeit der beiden Depositionsparameter – Substrat-Temperatur und Targetdotiermenge – werden drei Parameterpaarbereiche mit grundlegend verschiedenen Film-Typen identifiziert. Des Weiteren wird der Einfluss einer Temperatur-Nachbehandlung im Vakuum auf die ZnO:Al-Eigenschaften untersucht. Im Falle der standardmäßig verwendeten Referenz-Frontkontakte nimmt die Ladungsträgerdichte bei nahezu konstanter Beweglichkeit um einen Faktor von ca. drei ab. Entsprechend erhöht sich die Transparenz im langwelligen Spektralbereich signifikant. Damit stellen die im Vakuum getemperten ZnO:Al-Schichten ein experimentelles Modellsystem dar. Durch Variation der Temper-Intensität kann die Transmission graduell auf Kosten der Leitfähigkeit gesteigert werden. Dabei ist die Oberflächentopographie konstant und somit entkoppelt von den ansonsten über die Depositionsparameter fest mit dem Ätzverhalten verknüpften elektro-optischen Eigenschaften. Durch den Einsatz dieses experimentellen Modellsystems in Silizium-Dünnschichtsolarzellen wird der Zusammenhang zwischen Ladungsträgerdichte bzw. Transparenz des Frontkontakts und der Zellstromdichte studiert. Für den Einsatz in Solarmodulen balanciert demnach eine Frontkontakt-Ladungsträgerdichte von ca. 2,0e20 cm-3 die elektrischen und optischen Anforderungen optimal. Erste a Si:H/µc-Si:H/µc-Si:H-Stapelzell-Module mit einem anfänglichen Aperturwirkungsgrad von 11,1% bei einer Aperturfläche von 64 cm2 bestätigen das Wirkungsgrad-Steigerungspotential gegenüber den Referenz-Frontkontakten in der Größenordnung von 5% relativ. Aus der Materialeigenschaften-Studie werden ZnO:Al-Depositionsparameter-Paare identifiziert, die die optimal balancierten elektro-optischen Eigenschaften kombiniert mit einer effizienten Lichtstreuung ohne den zusätzlichen Nachbehandlungsschritt ermöglichen. Mit entsprechenden Frontkontakten werden im Rahmen dieser Arbeit Stromdichten in mikrokristallinen Silizium-Solarzellen von bis zu 25,0 mA/cm2 (intrinsische Siliziumdicke: 1,1 µm) bzw. 26,9 mA/cm2 (1,9 µm) realisiert. Diese Zellstromdichten gehören zu den höchsten in der Literatur veröffentlichten Werten für Silizium-Dünnschichtsolarzellen auf ZnO:Al-Substrat und stellen eine Steigerung um mehr als 1 mA/cm2 gegenüber dem derzeit verwendeten, hochqualitativen Referenz-Frontkontakt dar. Abschließend werden Erkenntnisse zu Limitierungen des Lighttrappings durch den Vergleich mit auf Basis von theoretischen Modellen errechneten Quanteneffizienzen gewonnen. Eine detaillierte Analyse ergibt, dass ein beträchtlicher Teil der Photonen primär oder sekundär reflektiert wird und wegen des geringen Absorptionsvermögens des intrinsischen Siliziums bei lambertscher Lichtstreuung im hier betrachteten Solarzellen- und Lighttrapping-Konzept nicht genutzt werden kann. Eine optische Verbesserung des Rückreflektors (durch Einsatz einer Siliziumdioxid-Zwischenschicht) und der Einsatz einer Brechungsindexanpassungsschicht (Titandioxid zwischen Frontkontakt und Silizium-Absorber) werden sowohl in Experimenten als auch mit Rechnungen im Hinblick auf ihr Stromsteigerungs-Potential betrachtet. Basierend auf den einzeln realisierten, optischen Verbesserungen wird eine mögliche Quanteneffizienz und Zellstromdichte bei Kombination der Ansätze abgeschätzt und damit aufgezeigt, dass eine Zellstromdichte im Bereich von ca. 30 mA/cm2 in Reichweite liegt.

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