Eigenschaften bei Raumtemperatur

Da die untersuchten Siliziumfolien in der Photovoltaik Anwendung finden und ter-restrische Solarzellen f¨ur gew¨ohnlich bei Temperaturen um 300 K betrieben werden, sind die elektrischen Transporteigenschaften in diesem Bereich von besonderem In-teresse. Aus diesem Grund werden f¨ur die verschiedenen Materialien einige Wer-te exemplarisch in Tabelle 2.1 aufgef¨uhrt. Soweit m¨oglich sind die Werte f¨ur Hall-Beweglichkeit, spezifischen Widerstand und Majorit¨atenkonzentration bei 300 K vor und nach f¨unfst¨undiger Wasserstoffpassivierung angegeben. Falls hierf¨ur keine belast-baren Messwerte vorlagen, so wurden Werte nahe 300 K bzw. Werte nach k¨urzerer Passivierdauer in die Tabelle aufgenommen. Diese sind entsprechend gekennzeichnet.

In allen Materialien wurde durch MIRHP-Passivierung eine Zunahme der Ladungs-tr¨agerbeweglichkeit erreicht. Lediglich bei der Probe aus einem guten Bereich alten EFG-Materials, welche in Abb. 2.15 ¨uberhaupt keinen Einfluss der H-Passivierung er-kennen ließ, f¨allt der Wert nach Wasserstoffeintrag etwas geringer aus. Der Unterschied von 1 % ist allerdings im Bereich der Messungenauigkeiten anzusiedeln und somit nicht signifikant. Weiter wird der spezifische Widerstand in allen F¨allen durch die Wasser-stoffbehandlung erniedrigt. Dies steht mit der Modellvorstellung einer energetischen Absenkung von Potentialbarrieren an geladenen Korngrenzen durch die Passivierung von Defektzust¨anden in Einklang. Die Konzentrationen der Majorit¨aten verhalten sich

2.2. ELEKTRISCHE TRANSPORTEIGENSCHAFTEN

altes EFG Hτ-Bereich 294 290 3,2 3,1 6,7 6,8

neues EFG Nτ-Bereich 285 306 3,9 3,2 6,3 6,3

neues EFG Hτ-Bereich 250 285 3,9 3,3 6,4 6,6

Zyl.-EFG Nτ-Bereich 41^e 309 16^e 2,4 9,1^e 8,4

Zyl.-EFG

”Hτ-Bereich“^f 232 289^g 3,7 2,8^g 7,4 7,6^g

FZ mono-Si 250 – 1,2 – 20 –

aandere Probe als in den vorangegangenen Darstellungen, aber aus selbem Probenstrang

bWert nach 45 Min. MIRHP

cWert bei 305 K

dMessung bei T >200 K nicht m¨oglich (vgl. Ausf¨uhrungen zu Abb. 2.15)

eWert bei 295 K

fauch in dieser Probe liegen die Lebensdauerwerte deutlich unter 1µs

gWert nach 15 Min. MIRHP

Tabelle 2.1: Hallbeweglichkeiten, spezifischer Widerstand und Majorit¨atsladungstr¨ager-konzentrationen verschiedener Foliensiliziummaterialien nahe Raumtemperatur. Die Werte nach Wasserstoffpassivierung beziehen sich i. a. auf Messergebnisse nach f¨unfst¨undigem H-Eintrag. Abweichungen hiervon sind entsprechend vermerkt. Zu Vergleichszwecken sind die Werte der monokristallinen FZ-Silizium-Referenzprobe ebenfalls aufgef¨uhrt.

hingegen nicht konsistent. Teils liegen die Werte nach H-Eintrag h¨oher, teils niedri-ger. Die gr¨oßten Ver¨anderungen ergeben sich f¨ur die SR-Probe mit den hohen und die Zylinder-EFG-Probe mit den niedrigen Lebensdauerwerten. Zwar werden in beiden F¨allen die Ladungstr¨agerkonzentrationen bei nicht genau den gleichen Temperaturen verglichen (s. Fußnoten in Tab. 2.1), jedoch weichen die Werte stets in der Weise voneinander ab, dass dies gerade nicht mit der Temperaturdifferenz erkl¨art werden kann. So wurde im Fall der guten SR-Probe vor MIRHP-Passivierung bei 305 K ein deutlich niedrigerer Wert gemessen als danach bei 300 K, was sich bei einer Zunah-me vonp mit steigender Temperatur nicht durch die Temperaturdiskrepanz erkl¨aren l¨asst. Die genauen Ursachen hierf¨ur sind bislang unklar. F¨ur das schlechte Zylinder-EFG liegen die Dinge ¨ahnlich. Allerdings stellt sich hier nach Passivierung wie im Fall der schlechten SR-Probe eine verringerte Majorit¨atenkonzentration ein. Dies lie-ße sich prinzipiell mit der Passivierung der Dotanden durch atomaren Wasserstoff erkl¨aren. Allerdings bleibt dieser Erkl¨arungsversuch zun¨achst fragw¨urdig, da bei den

¨ubrigen Proben vor und nach Wasserstoffeintrag kein signifikanter Unterschied in den Ladungstr¨agerkonzentrationen festgestellt werden konnte.

2.3 Zusammenfassung

In den vorangegangenen Abschnitten wurden die elektrischen Eigenschaften der Aus-gangsmaterialien n¨aher betrachtet. Mit Hilfe der ortsaufl¨osenden µ-PCD Technik wurden die Lebensdauern der Minorit¨atsladungstr¨ager in den verschiedenen Folien-materialien untersucht. Im Fall von neuem und altem Oktagon-EFG Silizium zeigte sich, dass die Volumenlebensdauern innerhalb der Wafer sehr stark variieren. Die Falschfarbendarstellungen der Messwerte weisen eine typische streifenartige Struktur in Ziehrichtung der Folien auf, wobei Bereiche vergleichsweise hoher Lebensdauer un-mittelbar an solche angrenzen k¨onnen, in denen eine starke Rekombinationsaktivit¨at vorliegt. Weiter hat sich gezeigt, dass sich das neue Oktagon-EFG vom alten durch eine ver¨anderte H¨aufigkeitsverteilung der Volumenlebensdauern unterscheidet. Zwar liegt bei beiden Materialien im as-grown Zustand das Maximum der Verteilung bei etwa 0,7µs, doch findet man im neuen Oktagon-EFG Bereiche mit h¨oheren Lebens-dauerwerten vor. So konnten in diesem Material Ausgangslebensdauerwerte von ¨uber 40µs nachgewiesen werden. Infolgedessen ergibt sich eine h¨ohere mittlere Volumenle-bensdauer.

Mit Werten von 50–400 ns liegen in Zylinder-EFG deutlich geringere Lebensdauern vor. Wie die Diskussion des Einflusses der Oberfl¨achenrekombination auf die gemesse-nen effektiven Lebensdauerwerte zeigte, kann unter diesen Umst¨anden auf eine Passi-vierung der Oberfl¨ache w¨ahrend der Messung verzichtet und der Effektivwert in guter N¨aherung als Volumenlebensdauer betrachtet werden. Weiter stellte sich heraus, dass auch das Zylinder-EFG-Material eine streifenartige Struktur aufweist. Allerdings fal-len die Unterschiede in den Lebensdauerwerten der verschiedenen Streifen nicht so groß aus wie bei den Oktagonmaterialien.

In SR-Silizium hingegen sind diese Schwankungen wieder erheblich st¨arker ausge-pr¨agt. Bereiche mit Messwerten ¨uber 30µs grenzen teilweise direkt an Regionen, in denen nur Lebensdauerwerte von einigen Mikrosekunden oder weniger vorliegen. Wie bei den anderen Materialien findet man auch hier eine streifenartige Struktur in den ortsaufgel¨osten Darstellungen der Volumenlebensdauern, so dass diese als charakteri-stisches Merkmal vertikal gezogener, multikristalliner Siliziumfolien angesehen werden kann.

Aus Bereichen vergleichsweise hoher und niedriger Lebensdauer wurden Proben entnommen und Hall-Messungen an ihnen durchgef¨uhrt, um zu ¨uberpr¨ufen, ob in den verschiedenen Folienarten eine Verbindung zwischen dem Rekombinationsverhalten der Minorit¨atsladungstr¨ager und den elektrischen Transporteigenschaften der Majo-rit¨aten besteht. Dabei wurde in manchen von ihnen ein Minimum in den temperatur-abh¨angigen Verl¨aufen der Hall-Beweglichkeit gefunden, das auf geladene Korngrenzen mit akzeptorartigen Trapzust¨anden schließen l¨asst. Eine eindeutige Korrelation zwi-schen geringer Mobilit¨at der Majorit¨aten und vermehrter Rekombination der Mino-rit¨atsladungstr¨ager scheint jedoch nicht zu bestehen. Die Rekombinationszentren f¨ur die Minorit¨aten unterscheiden sich demnach zumindest zu einem nicht unerheblichen Teil von den Streuzentren f¨ur die Majorit¨aten.

Alle Proben zeigen f¨ur hohe Temperaturen einen Beweglichkeitsabfall mit dem f¨ur

2.3. ZUSAMMENFASSUNG Silizium charakteristischen Exponenten von−2,2. Je st¨arker die Ladungstr¨agerbewe-gung in einer Probe behindert ist, umso h¨oher liegt die Temperatur, ab welcher sich dieses Verhalten einstellt. Es zeigte sich, dass dieser Temperaturwert durch den Ein-trag atomaren Wasserstoffs zu niedrigeren Werten hin verschoben werden kann. Mit fortschreitender Dauer der Wasserstoffpassivierung nimmt er kleinere Werte an, was sich mit einer sukzessiven Passivierung der Defektzust¨ande, d. h. einer fortschreiten-den Verringerung der Defektzustandsdichte, oder durch eine zunehmende energetische Verschiebung von Defektzust¨anden in Richtung Valenzbandkante erkl¨aren l¨asst. In der Realit¨at d¨urfte wahrscheinlich eine Kombination aus beidem anzutreffen sein.

Im Idealfall nimmt der temperaturabh¨angige Verlauf der Hall-Beweglichkeit nach H-Passivierung monokristalline Form an. Dies wurde allerdings nicht bei allen Proben erreicht. In einem Fall war ¨uberhaupt keine Ver¨anderung der Beweglichkeit festzustel-len. Es scheint demnach Streuzentren zu geben, die sich nicht durch Wasserstoff pas-sivieren lassen. Eventuell existieren dar¨uber hinaus solche, deren Streuwirkung sich lediglich verringern l¨asst.

Ein Einfluss der Passivierungstemperatur auf die Transporteigenschaften war im Bereich des untersuchten Temperaturintervalls von 275–425^◦C nicht erkennbar, was wohl auf den geringen Gehalt an interstitiellem Sauerstoff und die dadurch wenig behinderte Eindiffusion atomaren Wasserstoffs zur¨uckzuf¨uhren ist.

3 Solarzellenprozessierung

Das vorliegende Kapitel behandelt die Herstellung von Solarzellen aus Oktagon-EFG-und SR-Silizium. Ausgangspunkt ist hierbei ein bereits entwickelter