View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich
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2.3 Allgemeine Grundlagen der Photovoltaik 33<br />
fektzustände existieren. Die Defektzustände bilden besetzbare Energiezustände<br />
in der Bandlücke. Durch die Einbindung von Wasserstoff werden die offenen<br />
Siliziumbindungen gesättigt und die Defektdichte reduziert. Die verbliebene<br />
Unordnung verursacht Streuvorgänge, wodurch die mittlere freie Weglänge<br />
im a-Si:H herabgesetzt ist [89]. Schließlich sorgt die fehlende Fernordnung für<br />
quasi-direkte optische Übergänge. Das a-Si:H nimmt damit Eigenschaften eines<br />
direkten Halbleiters an 4 . Der Absorptionskoeffizient ist dadurch für a-Si:H bei<br />
hohen Energien (> 1,7 eV) deutlich höher als bei μc-Si:H oder c-Si [84, 85, 92]. In<br />
Abb. 2.3 sind typische Verläufe des Absorptionskoeffizienten in Abhängigkeit<br />
von der Energie für c-Si, a-Si:H und μc-Si:H aufgetragen. Der Absorptionskoeffizient<br />
von μc-Si:H ist verglichen mit dem von a-Si:H im sichtbaren Bereich des<br />
Lichts deutlich kleiner. Im infraroten Bereich hingegen zeigt das μc-Si:H bessere<br />
Absorptionseigenschaften. Es bleibt festzuhalten, dass a-Si:H besonders gut für<br />
den kurzen und μc-Si:H für den langen Wellenlängenbereich des Lichts geeignet<br />
ist.<br />
Silizium-Dünnschichtsolarzelle<br />
Die ausschließliche Verwendung von a-Si:H in der Dünnschichtphotovoltaik liegt<br />
nicht allein in den Vorzügen des Materials begründet. Vielmehr sorgen die zahlreichen<br />
Defektzustände dafür, dass die Diffusionslänge der Ladungsträger sehr<br />
kurz ist. Infolgedessen kann eine erforderliche Trennung der Ladungsträger nur<br />
in einer sehr dünnen photovoltaisch aktiven Schicht stattfinden [93]. Daher ist zusätzlich<br />
die Verwendung einer intrinsischen a-Si:H-Schicht notwendig. Es handelt<br />
sich somit um einen p-i-n-Übergang. Dieser sorgt dafür, dass neben der Diffusion<br />
auch eine Drift der Ladungsträger stattfindet [94]. Die im vorherigen Abschnitt<br />
dargestellten Absorptionseigenschaften von a-Si:H und μc-Si:H lassen sich in einem<br />
Tandemkonzept (Abb. 2.4(a)) positiv verbinden. Während es bei einer reinen<br />
μc-Si:H-Zelle zu Thermalisierungsverlusten auf Grund einer kleinen Bandlücke<br />
(≈ 1,2 eV) und es bei einer reinen a-Si:H-Zelle zu Transmissionsverlusten auf<br />
Grund einer großen Bandlücke (≈ 1,7 eV) kommt, bietet die Zusammensetzung<br />
beider Zellen die Möglichkeit, dass breite Spektrum des Sonnenlichts besser<br />
ausnutzen zu können (vgl. Abb. 2.4(b)). Die a-Si:H-Zelle eignet sich wegen ihrer<br />
größeren Bandlücke als obere Zelle (engl. top cell). Sie fängt damit das Licht,<br />
welches in der μc-Si:H-Zelle zu Thermalisierungsverlusten führen würde, ab und<br />
ist für den langwelligen Teil des Lichts nahezu transparent. Die μc-Si:H-Zelle<br />
bildet somit den unteren Teil der Zelle (engl. bottom cell). In Abb. 2.4(a) ist der<br />
Aufbau einer a-Si:H-/μc-Si:H-Tandemsolarzelle schematisch dargestellt. Wichtig<br />
für die weitere Optimierung der Tandemsolarzelle ist die Anpassung der Photoströme<br />
(engl. current matching) beider Teilzellen im Arbeitspunkt maximaler<br />
Leistung [95]. Die stromlimitierende Zelle ist hierbei die dünne a-Si:H-Zelle. Eine<br />
Erhöhung der a-Si:H-Schichtdicke würde zwar eine Anpassung der Ströme er-<br />
4Eine ausführliche Beschreibung der Eigenschaften von a-Si:H sind u.a in den Ref. [90,91] zu<br />
finden.