Lichtstreuende Oberflächen, Schichten und Schichtsysteme zur ...

2 Grundlagen
Solarzelle durch die Glas-Luft Grenzfläche verlassen und damit zur Zellreflexion
beitragen.
Die Quanteneffizienz in Abb. 2.4 zeigt, dass bei Verwendung eines glatten
Frontkontakts ein Teil der Lichtwellen sich zwischen zwei Grenzflächen konstruktiv
und destruktiv überlagert. Für λ � 500 nm findet die Interferenz innerhalb
des Frontkontakts und für λ � 600 nm innerhalb der Siliziumschichten statt.
Für glatte Grenzflächen ist der Anteil der diffusen Transmission oder Reflexion
vernachlässigbar.
Die Rauigkeit eines aufgerauten Frontkontakts führt nach der Effektive-
Medien-Theorie von Bruggeman zu einer Brechungsindexanpassung [27]. So wird
die Reflexion an der Frontkontakt-Silizium Grenzfläche reduziert. Darüber hinaus
kann ein rauer Frontkontakt die Photonen signifikant streuen. Die Photonen
durchlaufen in der Folge die Siliziumschicht diagonal, was sowohl ihre
Absorptionswahrscheinlichkeit in dieser Schicht als auch ihre Reflexionswahrscheinlichkeit
an der nächsten Grenzfläche (Silizium-Rückkontakt) erhöht. Man
spricht dann von Lighttrapping. Abbildung 2.4 zeigt, dass so die Quanteneffizienz
und damit die Zellstromdichte signifikant gesteigert werden kann. Im langwelligen
Spektralbereich nimmt der Absorptionskoeffizient von Silizium deutlich
ab (vergl. Abb. 2.9), so dass die Verlängerung des Lichtwegs in der Absorberschicht
für eine hohe Quanteneffizienz essentiell wird. In dieser Arbeit wird daher
(analog zu z.B. [28]) der Spektralbereich 650 nm bis 1100 nm „Lighttrapping-
Spektralbereich“ genannt.
2.1.5 Vorteile von Stapelzellen
Über die Ladungsträgersammlungs-Effizienz der Solarzelle entscheidet die Dicke
der intrinsischen Siliziumschicht di-Si im Verhältnis zur Driftlänge LDrift. Die
Driftlänge ergibt sich aus dem Produkt aus Beweglichkeit µ, mittlere Streuzeit
τ und elektrische Feldstärke E: LDrift = µτE. Im Fall einer dünneren intrinsischen
Siliziumschicht müssen die Ladungsträger nicht nur die kürzere Strecke
di-Si zurücklegen, sondern die anliegende Feldstärke E wird zudem vergrößert.
Daher zeigt eine Stapelzelle aus zwei a-Si:H p-i-n Zellen eine geringere lichtinduzierte
Degradation als eine Einfachzelle mit derselben, summierten intrinsischen
a-Si:H-Dicke. Stapelzellen haben sich als ein wirkungsvolles Konzept zur Steigerung
der stabilisierten Effizienz erwiesen.
Wird in einer Stapelzelle eine a-Si:H-Zelle mit einer weiteren Zelle einer unterschiedlichen
optischen Bandlücke kombiniert, so kann ein breiterer Spektralbereich
ausgeschöpft werden. Darüber hinaus können Thermalisierungsverluste
reduziert werden, wenn die Topzelle aus dem Absorbermaterial mit der größeren
Bandlücke gewählt wird. In der Produktion werden derzeit überwiegend Stapelzellen
aus a-Si:H und dessen Legierungen produziert. Durch Beimischung von
Kohlenstoff oder Germanium kann die Bandlücke verschoben werden [5].
Neuere Produktionsstätten sind dahingegen auf Basis von a-Si:H/µc-Si:H-
Stapelzellen geplant bzw. bereits im Aufbau [29–32]. Diese Kombination aus
einer a-Si:H-Topzelle und einer µc-Si:H-Bottomzelle verspricht die Nutzung des
hohen VOC und der hohen Absorption im sichtbaren Spektralbereich des a-Si:H
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