Spectral Response

Die spektrale Empfindlichkeit - Spectral Response (SR) - oder Quantenausbeute ist de-finiert als das Verhältnis der eingesammelten Ladungsträger (photogenerierter Strom) zu den in verschiedenen Wellenlängenbereichen eingestrahlten Photonen mit dem Photonen-fluss φ_in(λ). Bei der externen spektralen Empfindlichkeit - External Quantum Efficiency (EQE) - in % wird die Gesamtzahl der eingestrahlten Photonen berücksichtigt:

EQE(λ) = I_sc(λ)/e φin(λ) ·100

dabei ist e wiederum die Elementarladung. Bei der internen Quantenausbeute - Internal Quantum Efficiency (IQE) - werden nur die in den Kristall eindringenden Photonen gezählt.

Sie berücksichtigt somit nicht die Photonen, die an der Vorderseite reflektiert werden oder die die Solarzelle durch die Vorderseite verlassen. Die interne Quantenausbeute lässt sich nicht direkt messen. Sie wird durch Messung der ReflexionR(λ)der beleuchteten Bereiche der Solarzelle und unter Annahme einer nicht absorbierenden SiN^x:H-Schicht aus derEQE berechnet. Außerdem wird noch der FlächenanteilM der Solarzelle berücksichtigt, der vom Metallgrid aus Busbars und Fingern bedeckt ist. Es folgt:

IQE(λ) = EQE(λ) (1−R(λ))(1−M)

Wird die Solarzelle mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt, lassen sich obige Werte messen.

Abbildung 1.16: Schematische Darstellung des Messaufbaus für die Messung der Quan-tenausbeute [FisB03].

In Abbildung 1.16 ist der zur Messung verwendete Aufbau schematisch dargestellt. Das Licht einer Wolfram-Halogenlampe wird durch einen Lichtchopper moduliert und fällt dann durch einen Gittermonochromator auf ein Filterrad. Dieses schneidet höhere Oberschwin-gungen fürλ> 660 nm ab. Dann wird der Lichtstrahl von einem Strahlteiler aufgespalten, wovon ein Strahl auf eine kalibrierte Referenzzelle fällt und der andere auf die zu messen-de Solarzelle, die auf einem temperaturgeregelten Probenhalter liegt. Der Lichtstrahl ist homogen im Bereich von circa 2×2 cm.

Mit weißem Biaslicht von einer Halogenlampe wird der Arbeitspunkt der Solarzelle ein-gestellt. Ein Vorverstärker hält die Solarzellenspannung auf dem gewünschten Sollwert, konvertiert den modulierten Photostrom in ein Spannungssignal und entfernt das DC-Signal des Biaslichts. Zwei Lock-In Verstärker detektieren die beiden Spannungssignale der Referenzzelle und der gemessenen Solarzelle, die sich dann am PC analysieren lassen.

Bei der EQE-Messung wird die Solarzelle durch eine Lochmaske von 2×2 cm, die nahe über der Solarzelle in den Strahlgang geklappt wird, bestrahlt und die Fläche abgescannt, indem der darunter liegende Probenhalter mit der Solarzelle verfahren wird.

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0

0 , 0 0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 1 , 0 1 , 2 1 , 4 1 , 6

Energiedichte [Wm-2 nm-1 ]

W e lle n lä n g e ^λ [ n m ]

Abbildung 1.17: Links: Spektrale Verteilung der Strahlungsflussdichte, Terrestri-sche Sonne, AM 1,5; http://rredc.nrel.gov/solar/spectra/am1.5/. Rechts: Absorptionskoeffizient α und Absorptionslänge X_L von Silizium in

Abhängigkeit von der Wellenlänge [Gre95b].

Für die Messung der Reflexion wird statt der Lochmaske eine Ulbrichtkugel über die So-larzelle in den Strahlengang eingebracht. Durch Öffnungen an der Ober- und Unterseite der Kugel trifft das Licht auf die Solarzelle. Der reflektierte Anteil erzeugt in der Kugel ein Strahlungsgleichgewicht, welches sich durch einen Silizium-Germanium-Detektor (Si für λ< 800 nm, Ge für λ> 800 nm) an der Seite der Kugel messen lässt. Zur Eichung dienen Reflexions-Standards mit 2, 50 und 99% Reflektivität.

Das gemessene Spektrum ist einerseits charakterisiert durch das kurzwellige Ende des Sonnenspektrums (siehe Abbildung:1.17links) bei etwa 300 nm und andererseits durch die Bandlücke und damit Absorptionskante von Silizium größer 1100 nm. Da Silizium ein indi-rekter Halbleiter ist, wird die IQE durch die am Absorptionsprozess beteiligten Phononen für große Wellenlängen durch zusätzliche Beiträge bis 1200 nm aufgeweicht. Der typische Wellenlängenbereich bei SR-Messungen liegt deshalb bei λ= 300 - 1200 nm.

4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 0

2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0

Spectral Response [%]

W e lle n lä n g e λ [n m ] I Q E

E Q E R e f le x io n

Abbildung 1.18: Spectral Response Messung einer n-Typ-Solarzelle mit rückseitigem Aluminium-Emitter.

Mit SR-Messungen lassen sich die Qualität von Emitter, Basis und Antireflexschicht (ARC) beurteilen. Kurzwelliges Licht wird überwiegend nahe der Vorderseite absorbiert, da dessen Absorptionskoeffizient αin Silizium deutlich höher ist als der von langwelligem Licht, wel-ches tiefer in die Solarzelle eindringt (siehe Abbildung:1.17rechts). In diesem Bereich wird die spektrale Empfindlichkeit deshalb in erster Linie durch die Diffusionslänge in der Basis und die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit der Rückseite bestimmt. Betrachten wir in Silizium die Absorptionslänge X_L für Licht mit einer Wellenlänge von 1 µm, so be-trägt diese mitα= 64 cm⁻¹etwa 156 µm. Deshalb ist für eine hohe Absorption bei Silizium eine Kristalldicke von circa 200 µm erforderlich. Eine Messung einer n-Typ-Solarzelle mit rückseitigem Emitter ist in Abbildung 1.18 dargestellt.

In diesem Kapitel sollen nun die mit PC1D durchgeführten Simulationen betrachtet wer-den. PC1D ist weit verbreitet, um kristalline Solarzellen zu modellieren. Das Programm löst die vollständig gekoppelten, nicht linearen Differential-Gleichungen für den quasi-eindimensionalen Transport von Elektronen und Löchern in kristallinen Halbleiterbauele-menten, mit Schwerpunkt auf Photovoltaik-Bauelementen. Für die Simulationen wird PC1D in der Version 5.9 benutzt [Clu97]. Es werden sowohl n-Typ- als auch p-Typ-Solarzellen simuliert. Die Ausgangsparameter und Annahmen sind in Tabelle 2.1 darge-stellt.

Parameter n-Typ p-Typ

Solarzellendicke 175 µm 175 µm

Rbase 10Ωcm 2Ωcm

τ_bulk 10 ms 900 µs

Front SRV 30000 cm/s 30000 cm/s

Rück SRV 1×10⁷cm/s 1×10⁷cm/s

Tabelle 2.1:Ausgangsparameter und Annahmen beider Substrattypen für die Simulationen mit PC1D.

Die Parameter entsprechen, soweit bekannt, den gemessenen Werten, der in dieser Arbeit hergestellten Solarzellen und gelten, falls es nicht anderes angegeben ist. Für die Shockley-Read-Hall-Lebensdauer der Basis τ_bulk in p-Typ-Silizium wird der undegradierte Zustand angenommen. Für die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit (SRV) der Rückseite wird das thermische Limit angenommen, das heißt alle Ladungsträger rekombinieren.

0 , 0 0 , 1 0 , 2 0 , 3 0 , 4 0 , 5

1 0^{1 6} 1 0^{1 7} 1 0^{1 8} 1 0^{1 9} 1 0^{2 0}

P Konzentration [cm-3 ]

T ie f e [ µ m ] 1 0^{1 8}0 1 2 3 4 5 6

1 0^{1 9}

Al Konzentration [cm-3 ]

T ie f e [ µ m ]

Abbildung 2.1:ECV-Messungen der Dotierprofile über die Tiefe des Phosphor-Front Sur-face Fields (links) und des Aluminium-Emitters (rechts).

Die beiden mit der ECV-Methode gemessenen Dotierprofile von Front- und Rückseite werden in PC1D eingelesen (siehe Abbildung 2.1).

Das Phosphor-FSF wird diffundiert zu einem Schichtwiderstand von 30Ω/und anschlie-ßend zurückgeätzt auf 100Ω/, wodurch das Dotierprofil eine Oberflächendotierkonzen-trationN_S von etwa2·10²⁰cm⁻³hat. Außerdem wird auch die gemessene Reflexionskurve in PC1D eingelesen (Abbildung 2.2).

3 0 0 4 5 0 6 0 0 7 5 0 9 0 0 1 0 5 0 1 2 0 0

Abbildung 2.2: Gemessene Reflexion einer Solarzelle (skaliert von 0-35%), inklusive Me-tallisierung.

Ziel ist es hierbei, mittels der Simulationen den Einfluss verschiedener Parameter auf die Solarzellenergebnisse und die interne Quanteneffizienz (IQE) aufzuzeigen. Explizit sind das die OberflächenrekombinationsgeschwindigkeitS auf der Vorderseite, die Solarzellendicke d, die Shockley-Read-Hall-Lebensdauer der Basis τ_bulk, der Basiswiderstand R_base sowie der effektive Schichtwiderstand R_sheet.

2.1 Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit

Die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an der Vorderseite (Front SRV¹) bestimmt bei n-Typ-Solarzellen die Einfangwahrscheinlichkeit der Minoritätsladungsträger durch den rückseitigen Emitter über die gesamte Solarzellendicke, da auch für große Wellenlängen die meisten Elektron-Loch-Paare nahe der Vorderseite generiert werden. Als Maß für die Passivierqualität soll die Front SRV auf n-Typ- und p-Typ-Solarzellen variiert und der Ein-fluss auf die I-V-Parameter und die interne Quantenausbeute (IQE) analysiert werden. Für die Simulation der I-V-Parameter wird die Front SRV dabei von 0 - 50000 cm/s variiert.

0 1 x 1 0⁴ 2 x 1 0⁴ 3 x 1 0⁴ 4 x 1 0⁴ 5 x 1 0⁴

Abbildung 2.3: Simulation der I-V-Parameter von n-Typ-Solarzellen bei Variation der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit der Vorderseite.

1SurfaceRecombinationVelocity

Für die Simulation der IQE werden drei feste Werte ausgewählt: S= 10000, 30000 und 50000 cm/s. Die SRH-Lebensdauer τ_bulk der Basis wird dabei konstant gehalten. Bei den Solarzellen aus n-Typ-Silizium werden 10 ms und auf p-Typ 900 µs angenommen.

Eine zunehmend schlechte Vorderseiten-Passivierung beziehungsweise eine steigende Ober-flächenrekombinationsgeschwindigkeit führt zu deutlichen elektrischen Verlusten, wie das Ergebnis der Simulation in Abbildung 2.3 zeigt. Die drei simulierten IQE-Kurven - jeweils für n-Typ- und p-Typ-Solarzellen - sind in Abbildung 2.4 dargestellt. Aufgrund der Lage des p/n-Übergangs ist die IQE einer n-Typ-Solarzelle im Vergleich zu einer p-Typ-Solarzelle über den ganzen Wellenlängenbereich abgeflacht.

3 0 0 4 5 0 6 0 0 7 5 0 9 0 0 1 0 5 0 1 2 0 0

Abbildung 2.4: Simulation der IQE von n-Typ- und p-Typ-Solarzellen bei Variation der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an der Frontseite.

Des Weiteren ergibt die Simulation für p-Typ-Silizium, dass sich die Änderung der Front-seitenrekombinationsgeschwindigkeit nur im kurzwelligen Bereich bemerkbar macht, da die Ladungsträger am p/n-Übergang an der Vorderseite getrennt werden. Bei den n-Typ-Solarzellen werden die Ladungsträger an der Vorderseite generiert und müssen durch die Basis zum rückseitigen Emitter diffundieren, wo sie am p/n-Übergang eingesammelt wer-den. Deshalb ist für den gesamten Wellenlängenbereich der Einfluss der Vorderseite ent-scheidend. Mit einer verbesserten Frontseitenpassivierung bei S= 10000 cm/s lässt sich für eine n-Typ- Solarzelle eine Verbesserung in der IQE von etwa 1% bei 600 nm erreichen im Vergleich zu einer schlechteren Passivierung beiS= 30000 cm/s (siehe Abbildung 2.4).