Impact of contamination on hydrogenated amorphous silicon thin films solar cells

  • Einfluss von Verunreinigungen auf hydrogenisierte, amorphe Silizium-Dünnschichten und Solarzellen

Wördenweber, Jan; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2011)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Kurzfassung

Diese Studie beschäftigt sich mit dem Einbau von Sauerstoff und Stickstoff während der Deposition amorpher, intrinsischer Absorberschichten (i-Schichten) für p-i-n Dünnschichtsolarzellen aus amorphem, hydrogenisiertem Silizium (a-Si:H). Des Weiteren wird die Problematik der Bor-Verschleppung bei Einkammerprozessen untersucht. Die atmosphärischen Verunreinigungen wurden während der Deposition der nominell unkontaminierten i-Schicht mittels künstlicher Lecks hinzugefügt. Untersucht wurde unter anderem der Einfluss der Art der Verunreinigung (Sauerstoff & Stickstoff), der zugefügten Menge der Verunreinigung (Leckflussrate), des Ortes der Verunreinigung (Kammerleck bzw. Prozessgasleitung) und der Plasmaleistung auf die Solarzelleneigenschaften. Dadurch können z.B. Vakuummindestanforderungen, mögliche Lecks im Rezipienten, Prozessgasmindestreinheiten und Prozessgasleitungslecks simuliert werden. Des Weitern wurden Depositionsregime entwickelt, mittels derer der Einbau von Verunreinigungen unterdrückt werden kann. Unter Standardbedingungen fanden sich kritische Stickstoff- und Sauerstoff-Kontaminationsgrenzen (Kammerleck) von etwa 4×10^18 cm^-3 bzw. 2×10^19 cm^-3 überhalb derer es zu einer starken Abnahme des Wirkungsgrads der Solarzelle kam. In der Literatur wird als eine Hauptursache der Wirkungsgradabnahme der Einbau von Verunreinigungen in dotierender Konfiguration diskutiert. Begleitende Materialstudien innerhalb dieser Arbeit unterstützen diese These. Die unterschiedlichen Maximalkontaminationen lassen sich durch unterschiedliche Dotiereffizienzen deuten. So ist die dotierende Wirkung des eingebauten Stickstoffs um etwa eine Größenordnung über der des Sauerstoffs. Allerdings ist auch die Einbauwahrscheinlichkeit von Sauerstoff um etwa eine Größenordnung höher als die für Stickstoff, was dazu führt, dass bei einem Luftleck beide Kontaminationsgrenzen gemeinsam bei einem bestimmten Luftleckfluss erreicht werden. Bei Benutzung des Lecks in der Prozessgasleitung hingegen fand sich für Sauerstoff ein kritisches Level von etwa 2×10^20 cm^-3, wo hingegen das kritische Stickstoffniveau vom Leckort unabhängig ist. Für ein Depositionsregime mit sehr hohem Prozessgasfluss wurde auch für das Kammerleck eine kritische Sauerstoffkonzentration von 2×10^20 cm^3 beobachtet. Mögliche Ursachen sind einerseits die von Regime und Leckageort abhängigen Reaktionswahrscheinlichkeiten von Silan (SiH4), Silan Radikalen und atomarem Wasserstoff mit Sauerstoff. Z.B. ist die Konzentration an atomarem Wasserstoff in der Gasleitung gering im Vergleich zur Umgebung des Kammerlecks. Durch diese Reaktionen entstehen z.B. SiOX, Siloxan- (SiH3-O-SiH3) oder OH / H2O-Molekühle. Andererseits spielt auch die Lebensdauer dieser Moleküle und damit ihre Einbaugeschwindigkeit eine Rolle. Letztere kann für verschiedene Regime durchaus unterschiedlich sein. Für SiOX wird angenommen, dass es mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht in die Schicht eingebaut wird, es entsteht Staub in der Depositionsanlage. Siloxan, von dem angenommen wird, dass der darin enthaltene Sauerstoff nicht dotierend eingebaut wird, hat eine hohe Lebensdauer und wird sehr wahrscheinlich in die Schicht eingebaut, wenn es nicht anderweitig abgepumpt/gebunden wird. Hingegen haben die Wasserstoffverbindungen eine begrenzte Lebensdauer, was u. U. dazu führt, dass sie in einem Regime eingebaut werden (schneller Einbau), in einem anderen nicht (langsamer Einbau). Es wird angenommen, dass OH / H2O Molekühle zum Einbau von Sauerstoff in Dotierkonfigurationen führen können. Beim Stickstoff sind diese Mechanismen aufgrund der sehr trägen Reaktion mit Silan nicht gegeben. Folglich findet sich ein eindeutiges kritisches Stickstoffniveau unabhängig von der Art des Lecks. Ein weiteres, überraschendes Ergebnis dieser Studie ist, dass die kritischen Verunreinigungskonzentrationen nach der Lichtalterung unverändert geblieben sind. Ein weiterer Punkt dieser Arbeit ist die Verbesserung von Einkammerprozessen zur Herstellung von amorphen Dünnschichtsolarzellen. Hauptaugenmerk hierbei war die Verschleppung von Bor-Atomen, die zur Dotierung der p-Schicht nötig sind, in die i-Schicht. In dieser Arbeit sind verschiedene Solarzellkonfigurationen und Reaktorbehandlungen zur Vermeidung der Bor-Verschleppung systematisch untersucht worden. Die Reaktorbehandlungen wurden untereinander in Punkto Effektivität, Wirkungsweise und Zeitaufwand verglichen. Als Reaktorbehandlung vor der Deposition der i-Schicht haben sich eine Wasserdampf-Spülung und das einfache Abpumpen des Reaktors auf 9×10^-7 mbar als schnell und zuverlässig erwiesen.

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