Entwicklung, Charakterisierung und Modellierung von Grenzflächen für Silizium-Heteroübergang-Solarzellen mit hohen Wirkungsgraden

Die elektronische Qualität der Grenzfläche zwischen amorphem und kristallinem Silizium ist der entscheidende Baustein von amorph-kristallinen Wafer-Solarzellen mit hohen Wirkungsgraden, die bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden. Drei Eigenschaften der Grenzfläche bestimmen die Energiewandeleffizienz der Silizium-Heteroübergang-Solarzellen: der Sprung (offset) in den Bandkanten a-Si:H und c-Si, Grenzflächen-Defekte und die Band- Verbiegung im c-Si. Diese drei Aspekte bilden den Schwerpunkt dieser Arbeit. Zunächst wird ein analytischesModell entwickelt, das die Band-Verbiegung in c-Si berechnet. Die Zustandsdichte-Verteilung (ZDV) in der a-Si:H Band-Lücke wird als konstant angenommen. Der Einfluss folgender Struktur-Eigenschaften auf die Bandverbiegung wird untersucht: Band- Verschiebung, ZDV im a-Si:H, Grenzflächen-Defekte, etc. Der Effekt des quantenmechanischen Confinements an der Grenzfläche wird diskutiert. Analytische Berechnungen werden mit temperaturabhängigenMessungen der planaren Leitfähigkeit verglichen. Hieraus lassen sich die Sprünge der Valenz- bzw. Leitungsband-Kanten mittels Untersuchungen an (p)a-Si:H/(n)c-Si bzw. (n)a-Si:H/(p)c-Si Strukturen bestimmen: Werte von 0.36 eV bzw. 0.15 eV wurden gemessen. Die Valenzband-Offset ist temperaturunabhängig, während der Leitungsband-Offset den Bandlücken-Variationen folgt. Es wird gefunden, dass der Ladungsneutralpunkt (branch point) in a-Si:H unabhängig von der Dotierung ist. Anschliessend wird das analytische Modell verbessert, um zwei Aspekte der Solarzellen-Struktur besser zu simulieren: den Kontakt mit einem transparenten leitfähigen Oxid und die Anwesenheit einer ultra-dünnen intrinsischen a-Si:H Pufferschicht.Messungen der planaren Leitfähigkeit werden durch Berechnungen der Bandverbiegung mit diesem verbessertenModell ausgewertet. Es wird gezeigt, dass einMittelweg zwischen einer guten Passivierung und einer hohen Band-Verbiegung gesucht werden muss. Das kann durch die Optimierung der Pufferschicht-Eigenschaften (Dicke, Dotierung), des leitfähigen Oxids (hohe Austrittsarbeit) und des (p)a-Si:H Emitters (Dicke und ZDV) bewerkstelligt werden. Insbesondere kann eine hohe Zustandsdichte im Emitter positiv für die Zellen sein. Schließlich wurde eine Präparationsmethode für ultradünne Tunneloxide entwickelt,die für Heteroübergang Solarzellen benutzt wurde. Die c-Si Oberfläche wurde in deionisierten 80 °C warmenWasser oxidiert und darauf mittels PECVD eine dotierte a-Si:H-Schicht deponiert: dadurch wird eine (p)a-Si:H/SiO2/(n)c-Si Struktur hergestellt. Ein Tunnelstrom-Modell wurde entwickelt, in der Simulations-Software AFORS-HET implementiert und benutzt, um den Einfluss einer Grenzflächen-Barriere auf den Stromtransport in Solarzellen zu bestimmen. Für dicke und hohe Barrieren wird der Strom drastisch reduziert. Allerdings hat das Oxid keinen negativen Einfluss auf das optische Verhalten. Experimentell wird gefunden, dass oxidierte Proben eine bessere Passivierungs-Qualität zeigen als Proben ohne Pufferschicht. Dieser Befund wird durch eine höhere negative Festladung erklärt. In den oxidierten Proben ist die Band-Verbiegung höher als in Proben mit einer (i)a-Si:H Pufferschicht. Solarzellen wiesen nach, dass das neue Konzept das Potenzial hat, hohe Wirkungsgrade zu erreichen: bei unoptimierten Proben wurde eine Leerlauf-Spannung vonmehr als 650 mV gezeigt, der Füllfaktor der Zellen zeigt, dass das Oxid keine Barriere für den Ladungstransport bildet.The interface between amorphous silicon (a-Si:H) and crystalline silicon (c-Si) is the building block of high efficiency solar cells based on low temperature fabrication processes. Three properties of the interface determine the performance of silicon heterojunction solar cells: band offsets between a-Si:H and c-Si, interface defects and band bending in c-Si. These three points are addressed in this thesis. First, an analytical model for the calculation of the band bending in c-Si is developed. It assumes a constant density of states (DOS) in the a-Si:H band gap. The influence of most parameters of the structure on the band bending is studied: band offsets, DOS in a-Si:H, interface defects, etc. The presence of quantum confinement at the interface is discussed. Analytical calculations and temperature dependent planar conductance measurements are compared such that the band offsets on both (p)a-Si:H/(n)c-Si and (n)a-Si:H/(p)c-Si can be estimated: the valence band offset amounts 0.36 eV while the conduction band offset is 0.15 eV. In addition, it is shown that the valence band offset is independent of temperature whereas the conduction band offset follows the evolutions of c-Si and a-Si:H band gaps with temperature. A discussion of these results in the frame of the branch point theory for band line-up leads to the conclusion that the branch point in a-Si:H is independent of the doping. Then, analytical calculations are developed further to take into account the real solar cell structure where the a-Si:H/c-Si structure is in contact with a transparent conductive oxide and an undoped buffer layer is present at the interface. Measurements of the planar conductance and of the interface passivation quality are interpreted in the light of analytical calculations and numerical simulations to open a way towards a method for the optimization of silicon heterojunction solar cells. It is particularly shown that a trade-off has to be found between a good passivation quality and a significant band bending. This can be realized by tuning the buffer layer properties(thickness, doping), the TCO-contact (high work function) and the emitter(defect density and thickness). Interestingly, an emitter with a high DOS leads to better cell performances. Finally, a new type of interface has been developed, that was not applied to heterojunction solar cells so far. The c-Si surface has been oxidized in deionized water at 80 °C before the (p)a-Si:H emitter deposition such that(p)a-Si:H/SiO2/(n)c-Si structures were obtained. A tunneling current model has been developed, implemented in the 1D numerical device simulator AFORS-HET and used to study the effect of a wide band gap interfacial layer (as it is the case for SiO2) on cell performance: the fill-factor and the short-circuit current are dramatically reduced for thick and high barriers. However, a SiO2 layer has only little impact on optical properties. Fabricated samples showa passivation quality halfway between samples with no buffer layer and with an (i)a-Si:H buffer layer: this is explained by the presence of a negative fixed charge in the oxide. The band bending in (n)c-Si is higher with an oxide layer than with an (i)a-Si:H buffer layer. Solar cells demonstrate that this new concept has the potential to achieve high power conversion efficiencies: for non-optimized structures, an open-circuit voltage higher than 650 mV has been demonstrated, while the oxide does not seem to create a barrier to charge transport