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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.

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