View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

1 Einleitung
In jedem Mikrokosmos liegt der ganze Makrokosmos,
und dieser enthält nicht mehr als jener.
Arthur Schopenhauer
Kleine Ursachen haben oftmals große Auswirkungen. Sowohl im alltäglichen
Leben als auch in vielen Bereichen der Physik sind viele Beispiele zu finden, bei
denen kleinste Größen signifikant über den Ablauf, bzw. über die Existenz eines
Phänomens entscheiden. Dennoch werden die Einflüsse des Mikrokosmos oftmals
unterschätzt, da sie in unserer Alltagserfahrung meist nicht zum Vorschein treten.
Nur einige makroskopische Phänomene, wie z. B. die Supraleitung, Quantenkaskadenlaser,
zeigen eindrucksvoll die direkte Verbindung zwischen Mikro- und
Makrokosmos. Üblicherweise stellen die Phänomene unserer Alltagserfahrung
ein Ensemble vieler einzelner Effekte dar. Der einzelne, mikroskopische Effekt
hingegen verliert an Bedeutung. Durch die fortschreitende Miniaturisierung elektronischer
und optischer Bauelemente können jedoch solche mikroskopischen
Effekte nicht weiter vernachlässigt werden. Die Silizium-Dünnschichtsolarzelle
stellt ein solches optoelektronisches Bauelement dar.
Die photovoltaische Energiekonversion öffnet einen Weg zur Lösung der energiepolitischen
Herausforderungen der kommenden Jahrzehnte [1]. Dazu muss die
Energiegewinnung konkurrenzfähig gegenüber den fossilen Energieträgern und
der Kernenergie sein [2]. Dieses Ziel ist auf zwei Arten zu erreichen. Zum einen
durch eine Steigerung der Wirkungsgrade und zum anderen durch großflächige
Massenproduktion [3–5]. Silizium ist ein sehr häufig vorkommender und in
der Halbleiterindustrie sehr weit verbreiteter Rohstoff. Auf Silizium basierende
Solarzellen haben eine kontinuierliche und erfolgreiche Entwicklung durchgemacht.
Während 1954 erste Solarzellen aus kristallinem Silizium (c-Si) bereits
Wirkungsgrade von ca. 6 % erzielten [6], erreichen moderne c-Si-Zellen mit etwa
25 % [7] fast das thermodynamische Limit. Neue innovative Konzepte, wie z. B.
die Verwendung von konzentrierenden Systemen [8], ermöglichen eine noch bessere
Ausnutzung des Sonnenlichts und erzielen noch höhere Wirkungsgrade [9].
Neben der Verbesserung der Effizienz birgt insbesondere die Verringerung der
Schichtdicke einer Solarzelle viele ökologische und ökonomische Vorteile. So wird
durch die Deposition von dünnen Schichten sowohl Material als auch Energie
eingespart. Großflächige Depositionen mit hohen Depositionsraten bewirken eine
hohe Wirtschaftlichkeit und ermöglichen der Dünnschichtphotovoltaik ein breites
Anwendungsspektrum [10]. Hydrogeniertes amorphes (a-Si:H) und hydrogeniertes
mikrokristallines Silizium (μc-Si:H) haben sich als geeignete Materialsysteme
für die Dünnschichtphotovoltaik herausgestellt [11–14] und sind Gegenstand der
aktuellen Forschung am Institut für Energieforschung 5 des Forschungszentrums
Jülich. Insbesondere Konzepte, die ein Tandem, bestehend aus einer a-Si:H- und
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