Ergebnisse

Voc Messungen der Solarzellen der ersten Zellcharge sind in Abbildung 2.10 abgebildet. Aufgrund einer im Vergleich zu einer SiNx:H-Einfachantireflexschicht reduzierten Reflexion kann für Zellen mit einer SiNx:H/SiO2-Doppelantireflexschicht eine um durchschnittlich 0,5 mA/cm² höhere Kurzschlussstromdichte gemessen werden.

Ebenso wird eine Steigerung der offenen Klemmenspannung um durchschnittlich 3 mV beobachtet (Abbildung 2.10). Die Fehlerbalken repräsentieren die Messunsicherheit des Versuchaufbaus. Reflexionsdaten, EQE und IQE zu Solarzellen mit SARC und DARC werden im Abschnitt 4.1.3 präsentiert.

SiO₂

SiN_x:H

Silizium

 SiN_x:H + SiO₂  SiN_x:H 210 nm  SiN_x:H ARC 119 nm

87 nm

210 nm

87 nm

87 nm 119 nm

87 nm 210 nm

SiN_x:H

SiO₂

250 µm

2 Oberflächenpassivierung von Silizium

Abbildung 2.10: Offene Klemmenspannungen von Solarzellen mit SiNx:H-Einfach- und SiNx:H/SiO2 -Doppelantireflexschichten der ersten Zellcharge. Für -Doppelantireflexschichten kann eine Verbesserung der Oberflächen- oder Volumenpassivierung beobachtet werden.

Die Steigerung der Kurzschlussstromdichte wird durch eine von mehr eingekoppeltem Licht von Ladungsträgern und einer verbesserten Empfindlichkeit bei kleinen Wellenlängen bedingten höheren Injektion verursacht. Diese höhere Injektion führt ihrerseits zu einer größeren Aufspaltung der Quasiferminiveaus und damit zu einer höheren offenen Klemmenspannung. Die Formel (2.8) stellt den Zusammenhang zwischen Voc, jsc und Sättigungsstromdichte j0 dar [100].



 



 

 ln 1

j0

j q

V_oc kT ^sc (2.8)

Mit Hilfe der eindimensionalen Bauteilsimulationssoftware PC1D [101] lässt sich der hier beobachtete optisch bedingte Anstieg der Kurzschlussstromdichte in eine offene Klemmenspannungserhöhung umrechnen. Dies ergibt 0,4 mV. Da die beobachtete Erhöhung jedoch deutlich höher liegt, muss sich auch die Oberflächen- oder Volumenpassivierung durch die Doppelantireflexschicht verbessert haben. Eine vergleichbare Zunahme der offenen Klemmenspannung für Mehrfachantireflexschichten konnte Junghaenel et al. [102] auch für multikristallines Silizium beobachten.

Eine Betrachtung der eff der FZ-Si-Lebensdauerproben bestätigt die Verbesserung der Passivierung einer Doppel- im Vergleich zu einer Einfachantireflexschicht (Abbildung 2.11). Eine SiNx:H-Referenzschicht mit über 200 nm Dicke gewährleistet durch ein größeres Reservoir an wasserstoffreicher dielektrischer Schicht zwar eine noch bessere Passivierung, ist aus optischer Sicht aber nicht optimal, um möglichst viel Licht in eine Solarzelle einzukoppeln. Die Symbole in Abbildung 2.11 zeigen die Werte der Proben, die auch für die folgenden FTIR- und NRRA-Messungen verwendet werden. Die Fehlerbalken repräsentieren die Unsicherheit des Messaufbaus zur Bestimmung der eff-Werte.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

629 630 631 632 633 634 635

SiN_x:H ARC SiN_x:H + SiO₂ V oc [mV]

Zelle

Abbildung 2.11: eff-Werte von Proben mit SiNx:H-Einfach- und SiNx:H/SiO2-Doppelschichten nach einem Hochtemperaturfeuerschritt.

Durch die Verwendung von qualitativ hochwertigem FZ-Si Material mit hoher Volumenlebensdauer reagiert diese Messung vor allem auf eine Verbesserung der Oberflächenpassivierung. Damit kann geschlossen werden, dass auch die Erhöhung von Voc auf Zelllevel durch eine verbesserte Oberflächenpassivierung hervorgerufen wird.

Für einen tieferen Einblick in die Wasserstoffkinetik und Bindungsstrukturen werden die in Abbildung 2.9 eingeführten Proben vor und nach einem Hochtemperatur-feuerschritt FTIR-Messungen unterzogen (Abbildung 2.12 und Abbildung 2.13). Die Bindungsdichten werden dabei nach [103] berechnet. Die Fehlerbalken geben die Unsicherheit der Bestimmung der Bindungsdichten an.

Abbildung 2.12: Si-H-Bindungsdichten bestimmt mittels FTIR-Spektroskopie für SiNx:H-Einfach- und SiNx:H/SiO2-Doppelschichten vor und nach einem Hochtemperaturfeuerschritt (normiert auf die Werte vor dem Hochtemperaturfeuerschritt). Gefeuerter SiNx:H + SiO2-Wert um SiO2-Beitrag korrigiert.

Im Fall der SiNx:H/SiO2-Doppelschicht nimmt die Si-H Bindungsdichte während des Feuerschrittes mehr zu als für die SiNx:H-Einfachantireflexschicht. Die 210 nm dicke SiNx:H-Schicht zeigt den größten Anstieg. Wie in der Arbeit von Lenkeit [41] für Messungen an reinen SiNx:H-Schichten ausgeführt, kann eine Zunahme der Si-H Bindungen während eines Feuerschritts mit einer Verbesserung der

600 750 900 1050 1200 1350 1500 1650

SiN_x:H 210 nm SiN_x:H + SiO₂ SiN_x:H ARC

 eff [µs] bei n = 1x1015 cm-3

0,9 1,0 1,1 1,2

1,3 SiN_x:H 210 nm SiN_x:H + SiO₂ SiN_x:H ARC

[Si-H] Bindungsdichte normiert

gefeuert gefeuert gefeuert

2 Oberflächenpassivierung von Silizium

Oberflächenpassivierung verknüpft werden. Ein Zusammenhang, der auch für die hier gemessenen Proben zutrifft. Die Passivierung der kritischen Grenzfläche zwischen SiNx:H und Silizium beruht hauptsächlich auf der Ausbildung von Si-H Bindungen [104]. Wasserstoff zur Passivierung kann beim Feuern aus Si-H und N-H-Bindungen [48] oder H2 [105] zur Verfügung gestellt werden. Dabei ist die Dichte der SiNx:H Schicht ein wichtiger Faktor. Nur für Schichten hoher Dichte wird die energetisch günstige Bildung von H2-Molekülen verhindert, womit atomarer Wasserstoff offene Bindungen passivieren kann [49].

Lenkheit [41] konnte eine Korrelation von abnehmender eff und N-H-Bindungsdichte beobachten. Bei den gemessenen Proben konnte dieser Zusammenhang ebenso beobachtet werden (Abbildung 2.13). Da für die Bestimmung der Bindungsdichte jedoch eine Unsicherheit von 5% angenommen werden muss, sind die Unterschiede hier größtenteils geringer als die Messunsicherheit.

Da es sich bei FTIR-Messungen um eine integrale Messmethode handelt, welche nicht nur auf einen gewünschten Bereich (die SiNx:H-Schicht und die Grenzfläche zum Silizium) fokussiert werden kann, muss der Einfluss des Siliziumsubstrates und der SiO2-Deckschicht berücksichtigt werden. Eine Korrektur für das Siliziumsubstrat erfolgt mit Hilfe eines unbeschichteten Substrates, für den SiO2 Einfluss werden Proben, welche nur mit SiO2 beschichtet sind, auf Änderungen der Bindungsdichten vermessen.

Im Fall von Si-H-Bindungen kann dabei keine Veränderung durch einen Feuerschritt beobachtet werden. Die Si-H-Bindungsdichte zeigt sich in SiO2 auf einem sehr niedrigen, kaum messbaren Niveau. Die N-H-Bindungsdichte im SiO2 nimmt jedoch deutlich messbar ab. Das Vorhandensein von Stickstoff in der SiO2-Schicht lässt sich durch das Prozessgas Lachgas, welches zur Herstellung der Schicht verwendet wird, erklären.

Abbildung 2.13: N-H-Bindungsdichten bestimmt mittels FTIR-Spektroskopie für SiNx:H-Einfach- und SiNx:H/SiO2-Doppelschichten vor und nach einem Hochtemperaturfeuerschritt (normiert auf die Werte vor dem Hochtemperaturfeuerschritt). Gefeuerter SiNx:H + SiO2-Wert um SiO2-Beitrag korrigiert.

Unter Berücksichtigung der Abnahme der N-H-Bindungsdichte im SiO2 ergibt sich für die SiNx:H/SiO2-Doppelschicht eine geringere Abnahme der N-H Bindungsdichte als

0,8 0,9 1,0 1,1

gefeuert gefeuert

gefeuert

SiN_x:H 210 nm SiN_x:H + SiO₂ SiN_x:H ARC

[N-H] Bindungsdichte normiert

für die SiNx:H-Einfachantireflexschicht. Allerdings ist die Tendenz durch die Unsicherheit der Messung nicht eindeutig. Ein Einfluss der SiNx:H-Schicht auf das SiO2

in der SiNx:H/SiO2-Doppelschicht kann ebenfalls nicht ausgeschlossen werden.

In Tabelle 2.2 sind zur Orientierung die zuvor gezeigten eff nochmals tabellarisch aufgeführt. Dazu werden Ergebnisse aus CV-Messungen und der später hergestellten zweiten Zellcharge mit POCl3-Emitter (60 Ω/sq Schichtwiderstand) dargestellt. Die angegeben Unsicherheiten repräsentieren die Unsicherheiten der jeweiligen Mess-methode und beziehen sich auf jeweils eine Probe.

Tabelle 2.2: eff, CV-Messungen und beste Solarzellenresultate der zweiten Zellcharge

Probe/Schicht eff (µs) Qf (×10¹²cm^-2) Dit(×10¹⁰cm^-2eV^-1) Voc(mV) jsc (mA/cm2) (%)

SiNx:H 87 nm 722 ±36 2,5 ±0,3 Leckstrom 638 37,3 18,8

SiNx:H 210 nm 1365 ±68 2,2 ±0,3 <1 - 1,6 - -

-SiNx:H/SiO2 1037 ±52 2,4 ±0,3 2,1 - 3,6 640 38,2 19,1

Qf ist für alle Proben im Rahmen der Messunsicherheit nahezu gleich. Die eff können daher nicht mit Qf korreliert werden. Die Dit-Werte hingegen zeigen die erwartete Abhängigkeit. Für die Probe mit dem Schichtsystem SiNx:H/SiO2 ergibt sich eine höhere Zustandsdichte und damit schlechtere Zwischenschichtpassivierung als für dickes SiNx:H. Da aufgrund von zu großen Leckströmen kein Dit-Wert für 87 nm dünnes SiNx:H gemessen werden konnte und die Qf gleich sind, ist anzunehmen, dass der Dit -Wert hier noch deutlich höher liegt.

In Kombination mit den durch FTIR-Messungen erhaltenen Abhängigkeiten zeigt sich, dass die eingeführte SiO2-Schutzschicht, beziehungsweise die Doppelanti-reflexschicht, zu einer Erhöhung von eff durch eine verbesserte Grenzflächen-passivierung des Silizium/SiNx:H-Überganges führt.

Bei einem konstanten Füllfaktor erreichen die Solarzellen der zweiten Zellcharge mit SiNx:H/SiO2-DARC im Vergleich zur SiNx:H-Einfachschicht eine durchschnittliche Verbesserung der Stromdichte um 0,5 mA/cm2 und der offenen Klemmenspannung um über 2 mV. Für die beste Zelle ergibt sich damit eine Effizienz von 19,1%. Weitere Details zu dieser Zellcharge werden in Kapitel 4.1.3 behandelt.