Wie im vorangegangenen Kapitel bereits erw¨ahnt, unterscheiden sich Siliziumfoli-en hinsichtlich ihrer VerunreinigungSiliziumfoli-en und dSiliziumfoli-en vorliegSiliziumfoli-endSiliziumfoli-en strukturellSiliziumfoli-en DefektSiliziumfoli-en deutlich von blockgegossenem multikristallinem oder gar monokristallinem Silizium.
Um einen tieferen Einblick in die materialtypischen Eigenschaften der in Kapitel 1 beschriebenen Foliensiliziumarten zu erhalten, wurden daher zun¨achst Untersuchun-gen an den Ausgangsmaterialien vorUntersuchun-genommen. Insbesondere wurden ortsaufgel¨oste Messungen der Minorit¨atsladungstr¨agerlebensdauer durchgef¨uhrt, deren Resultate im folgenden Unterkapitel vorgestellt werden. Diese bilden den Ausgangspunkt f¨ur die Untersuchung der elektrischen Transporteigenschaften in Waferbereichen unterschied-licher Materialqualit¨at mit Hilfe von Hallmessungen. Die dabei gewonnenen Erkennt-nisse werden im entsprechenden Abschnitt diskutiert. Im Anschluss daran folgt eine kurze Zusammenfassung der Ergebnisse der Materialuntersuchungen.
2.1 Lebensdauern der Minorit¨ aten in den Ausgangswafern
Im Bereich der Photovoltaik wird ¨ublicherweise Sonnenlicht durch optische Absorpti-on in einem Halbleiter in elektrischen Strom umgesetzt. Dabei bewirkt die PhotAbsorpti-onen- Photonen-absorption die Generation von ¨Uberschussladungstr¨agern in der Solarzelle, was eine St¨orung des Gleichgewichtszustandes des Halbleiters bedeutet. Wird die von außen einwirkende St¨orung, in diesem Fall die Beleuchtung, abgeschaltet, so relaxiert der Halbleiter mit der Zeitkonstante τ, der so genannten Lebensdauer, zur¨uck in das ur-spr¨unglich aus thermischer Generation und Rekombination gebildete Gleichgewicht.
Dabei rekombinieren die erzeugten ¨Uberschussladungstr¨ager, was ¨uber verschiedene Mechanismen wie strahlende Rekombination, Auger-Rekombination oder indirekte Rekombination geschehen kann.
Da mit Silizium ein indirekter Halbleiter vorliegt, ist die Wahrscheinlichkeit f¨ur strahlende Rekombination vergleichsweise gering. F¨ur Bor-dotiertes p-Typ Silizium, worunter alle hier untersuchten Si-Folien fallen, ist dar¨uber hinaus ein sp¨urbarer Ein-fluss der Auger-Rekombination erst ab einer Dotierungskonzentration von 1018cm−3 zu erwarten, welche in den vorliegenden Materialien allerdings nicht erreicht wird [76, 106]. Somit ist die indirekte Rekombination der dominierende Mechanismus f¨ur
die Rekombination der Minorit¨atsladungstr¨ager. Sie erfolgt ¨uber so genannte Trap-zust¨ande in der Bandl¨ucke. Diese werden verursacht sowohl durch Fremdatome, also Verunreinigungen, als auch durch ausgedehnte Kristalldefekte wie Korngrenzen und Versetzungen oder durch eine Kombination aus beiden [112, 42, 76]. Wie bereits an-gedeutet, sind derartige Defekte in Foliensiliziummaterialien in vergleichsweise ho-her Anzahl vorhanden. Die Messung der Lebensdauer der ¨Uberschussladungstr¨ager, welche unter Niedriginjektionsbedingungen durch die Lebensdauer der Minorit¨atsla-dungstr¨ager bestimmt ist [34], vermittelt demnach einen Eindruck von der Rekom-binationsst¨arke der in den verschiedenen Folienarten vorhandenen Defekte. Ortsauf-gel¨oste Messmethoden erlauben dar¨uber hinaus die Lokalisierung von Bereichen mit hoher bzw. geringer Rekombination. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Ar-beit die Technologie des mikrowellendetektierten Photoleitf¨ahigkeitszerfalls (µ-PCD) zur Lebensdauerbestimmung verwendet, welche in Verbindung mit einer Abrasterung der Probe die erw¨ahnte Ortsaufl¨osung erm¨oglicht.
2.1.1 Messprinzip
Bei der Bestimmung von Lebensdauern mittels der µ-PCD Technik werden in der Si-Probe zun¨achst mit einem Laserpuls ¨Uberschussladungstr¨ager generiert, die eine Erh¨ohung der Leitf¨ahigkeit des Probenmaterials zur Folge haben. Nach Ende des Pul-ses rekombinieren die zus¨atzlichen Ladungstr¨ager entsprechend der in der Probe vor-herrschenden Lebensdauer und die Leitf¨ahigkeit f¨allt auf das Ausgangsniveau zur¨uck.
Durch st¨andiges Messen der Leistung eines von der Probe reflektierten Mikrowel-lensignals kann diese Leitf¨ahigkeits¨anderung (Transiente) zeitlich aufgel¨ost bestimmt werden, da sie, in gewissen Grenzen, proportional zur ¨Anderung der reflektierten Mi-krowellenleistung ist [18]. Auf diese Weise erh¨alt man einen Wert f¨ur die Lebensdauer der Minorit¨atsladungstr¨ager in der Probe.
In den bisherigen Ausf¨uhrungen wurde stets von einem unendlich ausgedehnten Kristallvolumen ausgegangen und die Rekombination in dessen Innern betrachtet, welche mit der Volumen- oder bulk-Lebensdauer τb verkn¨upft ist. In der Realit¨at hingegen besitzen die Kristalle eine begrenzte Ausdehnung. An ihrer Oberfl¨ache ist die Gitterperiodizit¨at verletzt und es liegen unabges¨attigte Bindungen vor, was zu St¨orzust¨anden in der Bandl¨ucke des zu untersuchenden Halbleiters f¨uhrt. Diese stellen einen zus¨atzlichen Rekombinationsweg f¨ur die ¨Uberschussladungstr¨ager dar. Als Folge hiervon erh¨alt man aus der µ-PCD Messung nicht direkt die Volumenlebensdauer τb sondern eine effektive Lebensdauer τeff, welche die Ladungstr¨agerrekombination nahe der Probenoberfl¨ache ber¨ucksichtigt. Die beiden Gr¨oßen sind wie folgt ¨uber die Oberfl¨achenlebensdauer τs miteinander verkn¨upft [1, 119]:
1
Hierin stehen Dn f¨ur die Diffusionskonstante der Elektronen und α f¨ur die L¨osung der transzendenten Gleichung 2.2, welche ihrerseits die (effektive)
Oberfl¨achenrekom-2.1. LEBENSDAUERN DER MINORIT ¨ATEN IN DEN AUSGANGSWAFERN
binationsgeschwindigkeit S sowie die Probendicke d enth¨alt.
tan α d
2 = S
α Dn
(2.2) N¨aherungsweise gilt f¨ur τs nach [119]:
τs ≈ d
2S + d2
Dnπ2 (2.3)
Oberfl¨achenpassivierung
Sind Kristalldefekte im Wafervolumen Gegenstand der Untersuchung, so ist man dar-an interessiert, m¨oglichst τb zu messen. Wie Glg. 2.1 verdeutlicht, ist es dazu not-wendig, den Einfluss der Oberfl¨achenrekombination zu minimieren, also ein m¨oglichst großes τs zu gew¨ahrleisten. Dies kann nach Glg. 2.3 durch Herabsetzen der Ober-fl¨achenrekombinationsgeschwindigkeit geschehen.
Dazu m¨ussen die offenen Bindungen an der Siliziumoberfl¨ache abges¨attigt werden.
Dies kann durch das Aufbringen von geeigneten Dielektrika wie Siliziumnitrid [102]
oder Siliziumdioxid [11] geschehen, aber auch durch Benetzen mit Flusss¨aure [138]
oder Jod-Ethanol-L¨osung [122, 50]. Eine ¨Ubersicht ¨uber die verschiedenen Passivie-rungsarten findet sich in [101].
Niedriginjektion und Biaslicht
Die in dieser Arbeit behandelten Foliensiliziummaterialien sind f¨ur die Verwendung in terrestrischen Solarzellenmodulen konzipiert. Am Arbeitspunkt dieser Solarzellen liegt f¨ur gew¨ohnlich Niedriginjektion vor. Daher ist es sinnvoll, Lebensdauermessun-gen ebenfalls in Niedriginjektion durchzuf¨uhren, um so einen m¨oglichst realistischen Eindruck von ihrem Verhalten unter realen Einsatzbedingungen zu erhalten. Dies bedingt zwar ein schlechteres Signal/Rauschverh¨altnis, doch war dies bei allen unter-suchten Materialien trotz teilweise geringer Lebensdauer ausreichend. Dar¨uber hin-aus beruht dieµ-PCD Technik unter Biaslicht (s. u.) auf der Messung einer differen-tiellen effektiven Lebensdauer, die nur dann der effektiven Lebensdauer entspricht, wenn die Oberfl¨achenrekombinationsrate linear von der ¨ Uberschussladungstr¨agerdich-te abh¨angt. Dies ist in Niedriginjektion der Fall [1].
Eine weitere Angleichung des Messumfeldes an die Einsatzbedingungen einer So-larzelle wird durch die Verwendung einer weißen Hintergrundbeleuchtung, dem so genannten Biaslicht, gew¨ahrleistet, sofern sich dies hinsichtlich der Intensit¨at und des Spektrums nicht zu stark von der Sonneneinstrahlung unterscheidet. Dar¨uber hinaus erzeugt das Biaslicht eine konstante Anzahl an ¨Uberschussladungstr¨agern, so dass die Modulation dieser Gr¨oße durch den Laserpuls geringer ausf¨allt. Die Injektions-abh¨angigkeit ist dann ¨uber die Biaslichtintensit¨at bestimmt, so dass Schwankungen der Laserintensit¨at diesbez¨uglich nicht mehr ins Gewicht fallen. Hinsichtlich genauerer Ausf¨uhrungen zu diesen Punkten sei an dieser Stelle auf [100, 86] verwiesen.
Das Messsystem
Zur Durchf¨uhrung von Lebensdauermessungen stand das Messsystem Janus 300 der Firma Amecon zur Verf¨ugung. Dieses verf¨ugt ¨uber einen gepulsten Laser der Wel-lenl¨ange 904 nm (Pulsl¨ange 160 ns, Durchmesser des Lichtflecks etwa 800µm FWHM), was nach [21, 34] einer Eindringtiefe in Silizium von etwa 30µm entspricht. Die Orts-aufl¨osung wird dadurch erreicht, dass Laserlicht, Biaslicht (realisiert mit einer Ha-logenlampe) und Hohlleiter der Mikrowelle (22,5 GHz, 90 mW) die Probe abrastern, wobei Aufl¨osungen von bis zu 100µm erzielt werden k¨onnen. Die Aufzeichnung des zeitlichen Leitf¨ahigkeitszerfalls, auch kurz Transiente genannt, erfolgt mithilfe einer Transientenrekorderkarte im Computer, wo gleichzeitig ein exponentieller Fit zur Be-stimmung vonτeff durchgef¨uhrt wird. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass die Fun-damentalmode der Transiente f¨ur die Auswertung herangezogen wird. Eine genaue Beschreibung der Messapparatur findet sich in [86].