High-resolution photocurrent mapping of thin-film silicon solar cells using scanning near-field optical microscopy

Cao, Zhao; Taubner, Thomas (Thesis advisor); Rau, Uwe (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt = Energy & environment 536
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Eine Solarzelle wird eingesetzt, um das Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Ein Schlüsselindikator für die Leistung einer Solarzelle und somit für ihre Konkurrenzfähigkeit gegenüber anderen Formen der erneuerbaren Energien ist die Umwandlungseffizienz. Die Effizienz einer Solarzelle hängt stark von ihren lokalen optoelektronischen Eigenschaften, wie z. B. lokaler Lichteinkopplungseffizienz oder lokaler Materialinhomogenität, auf der mikroskopischen oder sogar nanoskopischen Längenskala ab. Daher wird ein genaues Verständnis und Assessment der spezifischen Effekte dieser Faktoren auf den photogenerierten Strom wertvolle Informationen zur Steigerung der Solarzellenleistung liefern. Diese Arbeit präsentiert Messungen des lokalen Photostroms an diversen Silizium-Dünnschichtsolarzellen mit Subwellenlängen-Auflösung, welche durch die Verwendung eines optischen Nahfeldmikroskops mit Aperturspitze (a-SNOM) als Beleuchtungsquelle realisiert wird. Die Messmethode ermöglicht den direkten Zugriff auf die lokalen optoelektronischen Eigenschaften, deren individuelle Beiträge zur Photostromerzeugung dann mithilfe der FDTD-Simulationen analysiert werden. Mit der flachen mikrokristallinen Silizium-Dünnschichtsolarzelle (μc-Si:H) beginnend werden SNOM-Photostrommessungen mit fünf verschiedenen Wellenlängen von 473nm bis 780nm durchgeführt. Die Messergebnisse zeigen für alle Wellenlängen eine ausgeprägte Korrelation zwischen dem lokalen Photostromsignal und der lokalen Topographie. Entsprechende FDTD-Simulationen mit einer idealisierten Topographie führen diese Korrelation auf die topographieabhängige lokale Lichteinkopplungseffizienz zurück, welche an lokalen topographischen Minima ∼ 30% höher sein kann als an lokalen topographischen Maxima. Zusätzlich wird der Effekt der Lichtpolarisation auf die lokale Lichteinkopplung mit einer periodisch texturierten amorphen Silizium-Dünnschichtsolarzelle (a-Si:H) untersucht. Sowohl die SNOMvii Kurzfassung Photostrommessungen, als auch die FDTD-Simulationen ergeben, dass die Differenz der Lichteinkopplungseffizienzen zwischen zwei senkrechten Polarisationen an topographischen Strukturen mit hoher Rotationsasymmetrie bis zu 30% betragen kann. Als nächstes werden die Ergebnisse der SNOM-Photostrommessungen von der flachen polykristallinen Silizium-Dünnschichtsolarzelle (poly-Si) vorgestellt, die mit der Flüssigphasen-Kristallisation hergestellt wurde. Aufgrund der vernachlässigbaren topographischen Strukturen ist der gemessene Photostrom hauptsächlich die Folge der lokalen Materialinhomogenität, in diesem Fall einer Korngrenze. Um Kenntnis über charakteristische elektrische Parameter, nämlich die Diffusionslänge $L_\mathrm{D}$ der Minoritätsträger sowie die Rekombinationsgeschwindigkeit $S_{\mathrm{gb}}$ an der Korngrenze, herzuleiten, werden elektrische Simulationen durchgeführt und an die aus den Messergebnissen extrahierten Photostromprofile angefittet. Die ermittelten Werte $L_\mathrm{D} = 4.6$ μm und $S_{\mathrm{gb}} = 5.2\,\times\,10^{5}$ cm/s stimmen gut mit den Zahlen aus der Literatur überein. Die letzte untersuchte Probe ist eine Solarzelle mit komplexerer Struktur, wobei sowohl die topographischen Strukturen, als auch die lokale Materialinhomogenität einen erheblichen Einfluss auf den gemessenen Photostrom haben: eine stochastisch texturierte μc-Si:H Dünnschichtsolarzelle. Die dazugehörigen Ergebnisse der SNOM-Photostrommessungen weisen umgekehrte Korrelationen des Photostromsignals zu der lokalen Topographie zwischen kurzen und langen Wellenlängen auf: während diese Korrelation erhalten bleibt für kurze Wellenlängen wie im Falle von der flachen μc-Si:H Dünnschichtsolarzelle, wird nun höherer Photostrom gemessen an lokalen topographischen Maxima für lange Wellenlängen. FDTD-Simulationen mit der echten Topographie, die mit einem Rasterkraftmikroskop aufgenommen wurde, zeigen jedoch für alle Wellenlängen die gleiche Korrelation. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass die umgekehrte Korrelation bei langen Wellenlängen wahrscheinlich durch die elektrischen Defekte unter der Oberfläche hervorgerufen wird, welche häufig in den Mikro-Valleys, d. h. in lokalen topographischen Minima entstehen. Folglich wird das Photostromsignal an lokalen topographischen Minima stark reduziert, welches zu der beobachteten Umkehrung der Korrelation zwischen dem Photostromsignal und der lokalen Topographie bei langen Wellenlängen führt. viii Diese Arbeit demonstriert deutlich die Leistungsfähigkeit der SNOMPhotostrommessungen für die nanoskalige optoelektronische Charakterisierung der Solarzellen. Insbesondere die Kombination mit unterstützenden FDTD-Simulationen erlaubt die spezifische Analyse der individuellen Auswirkungen der lokalen Änderungen der Topographie sowie der lokalen Materialinhomogenität auf der Photostromerzeugung. Folglich ermöglichen die präsentierten Methoden eine gezieltere, somit effizientere Herangehensweise bei der Erforschung nach Konzepten für die Steigerung der Solarzelleneffizienz.