Plenarvorträge - DPG-Tagungen

Dünne Schichten Donnerstag
brauchs (µm-Bereich) bevorzugt für eine künftige photovoltaische
Energieversorgung. Um den notwendigen Umbau der Energieversorgung
erreichen zu können, sind Flächen in der Grössenordnung von 10
Millionen m 2 /Jahr zu beschichten, vergleichbar mit der gegenwärtigen
Beschichtungskapazität für Architekturglas. Daneben ist der Energieaufwand
für die Herstellung der Dünnschichtsolarzellen zu minimieren,
um die Energierückführzeit klein zu halten gegen die Nutzungsdauer
von Solarzellenmodulen.
Plasmagestützte Schichtabscheideverfahren können diese Forderungen
erfüllen und werden für die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen auf
der Basis von amorphem Silizium und hochabsorbierenden Verbindungshalbleitern
bereits eingesetzt oder entwickelt. Sie zeichnen sich aus durch:
- niedrige Abscheidetemperaturen,
- hohe Abscheideraten,
- hohe chemische Reaktivität der gasförmigen Komponenten,
- die einfache Skalierbarkeit auf grosse zu beschichtende Flächen.
Es werden die physikalischen Grundprinzipien der plasmagestützten
chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) für amorphes Silizium und
des Magnetronsputterns (RMS) für Metalle und halbleitende Schichten
(CuInS2 )erläutert.
DS 20 Dünne Schichten für die Photovoltaik II
Zeit: Donnerstag 14:30–15:45 Raum: HS 32
DS 20.1 Do 14:30 HS 32
Photolumineszenz von epitaktischem Dünnschichtsilizium in
unterschiedlichen Wachstumstemperatur-Regimen — •Kai Petter,
Björn Rau, Klaus Lips und Walther Fuhs — Hahn-Meitner-
Institut Berlin, Kekuléstr. 5, Abt. Silizium-Photovoltaik, D-12498 Berlin,
Germany
Die in dieser Arbeit untersuchten Proben wurden mittels der Elektron-
Zyklotron Resonanz unterstützten Gasphasenabscheidung (ECR-CVD)
gewachsen. Diese Methode zeichnet sich dadurch aus, dass sie epitaktisches
Wachstum unterhalb der Glaserweichungstemperatur ermöglicht
und somit potentiell bei der Herstellung von Dünnschichtsolarzellen auf
Glassubstrat einsetzbar ist. Um Informationen über beim Wachstum entstehende
Defekte und Verunreinigungen zu bekommen, wurden ca. 1 µm
dicke nominell undotierte Silizium-(Si)-Schichten auf (100)-orientiertes
Si-Substrat abgeschieden und mittels Photolumineszenz (PL) untersucht.
Abhängig von der Wachstumstemperatur (420 ◦ C - 595 ◦ C) erhält man
charakteristische PL-Spektren. Für Temperaturen unter 500 ◦ C sind die
Schichten noch lokal ungeordnet und es ergeben sich mehrere breite PL-
Banden zwischen 0.8 und 1.1 eV. Im Bereich ab 500 ◦ C findet das Wachstum
dann mit guter kristallografischer Qualität statt und es sind scharfe
PL-Peaks bei 0.89 , 0.90 und 1.11 eV zu erkennen. Für Wachstumstemperaturen
oberhalb von 560 ◦ C sind diese Peaks ebenfalls zu erkennen,
es bilden sich aber auch im Substrat optisch aktive Defekte aus und ein
starker Abfall der integrierten PL-Intensität aus der Schicht wird beobachtet.
Der Zusammenhang dieser PL-Linien mit strukturellen Defekten
(self-interstitials) und thermischen Donatoren wird diskutiert.
DS 20.2 Do 14:45 HS 32
Polykristalline Siliziumschichten auf metallbeschichten Glassubstraten
— •Kati Hübener, Stefan Gall, Martin Muske,
Jens Schneider und Walther Fuhs — Hahn-Meitner-Institut, Abt.
Silizium-Photovoltaik, Kekuléstr.5, D-12489 Berlin
Durch Al-induzierte Kristallisation von amorphem Silizium (a-Si) lassen
sich grobkristalline poly-Si Filme auf Glas herstellen, die als Keimschichten
für epitaktische Verdickung dienen können. Ein Schichtstapel
Glas/Al/a-Si wird in einem einfachen Temperschritt in eine Schichtfolge
Glas/poly-Si/Al(Si) umgewandelt. Als entscheidend für den Schichtaustauschprozess
hat sich eine dünne Schicht aus Al-Oxid erwiesen, durch
die die Kinetik des Prozesses und die Korngröße empfindlich beeinflusst
werden. In diesem Beitrag berichten wir über eine Realisierung
des Schichtaustausches in dem inversen System, bei dem aus Glas/a-
Si/Al eine Schichtfolge Glas/Al(Si)/poly-Si erzeugt wird. Die technologische
Bedeutung dieser Schichtfolge liegt darin, dass ein solches System
als Rückkontakt einer Dünnschichtzelle dienen kann. Durch thermische
Oxidation des a-Si bei verschiedenen Temperaturen wurden Zwischenschichten
aus Si-Oxid erzeugt. Es zeigte sich, dass die Zwischenschicht
für einen Schichtaustausch notwendig ist und die Nukleationszeit, die
Wachstumsgeschwindigkeit der Körner und die Korngröße entscheidend
bestimmt. Das Verhalten wird in einem Modell gedeutet, bei dem die
Si-Oxid Zwischenschicht ähnlich wie bei der inversen Struktur das Al-
Oxid als Membran wirkt, die den Massentransport über die Grenzfläche
kontrolliert.
DS 20.3 Do 15:00 HS 32
Ultrathin hydrogenated amorphous silicon layers on crystalline
silicon: a-Si:H gap state density distribution and a-Si/c-Si interface
properties — •Lars Korte, Klaus Kliefoth, Abdelazize
Laades, and Manfred Schmidt — Hahn-Meitner-Institut Berlin,
Abt. Silizium-Photovoltaik, Kekuléstr. 5, 12489 Berlin
The application of hydrogenated amorphous silicon as emitter layer in
high-efficiency heterostructure solar cells requires an optimization of the
a-Si:H bulk and a-Si/c-Si interface electrical properties. Information on
these properties can be obtained by photoelectron spectroscopy (PES)
and the surface photovoltage technique (SPV), respectively. By PES, the
Fermi level Ef as well as the distribution of states Nocc(E) in the valence
band and the energy gap up to Ef can be measured [1]. The information
depth at the used low excitation energies (hν = 4 − 7 eV) increases to
5-10 nm, equal to the optimum emitter thickness. Thus, Nocc(E) is an
average of the a-Si:H density of states (DOS). For samples of n-doped
a-Si:H deposited on c-Si by PECVD, Ef −Ev varies from 1.15 eV for undoped
layers to a saturation value of 1.47 eV at a doping of [P] = 10 4 ppm
in the gas phase. Also, an increase of the Urbach energy from 51 meV to
101 meV and of the DOS at midgap is observed, indicating an increase
of disorder and dangling bond concentration. From SPV, the band bending
at the a-Si:H/c-Si interface can be determined. The interface gap
states distribution Dit(E) is measured by bias voltage-dependent SPV
and proves the excellent passivation of the c-Si surface by the a-Si:H
network, with a Dit as low as that of H-terminated c-Si.
[1] M. Schmidt et al., MRS Proc. 762, A19.11.1 (2003).
DS 20.4 Do 15:15 HS 32
Metal organic molecular beam epitaxy (MOMBE) of CuInS2 on
Si(111) — •Carsten Lehmann, Wolfram Calvet, and Christian
Pettenkofer — Hahn-Meitner-Insititut, Glienicker Strasse 100, 14109
Berlin
The ternary compound semiconductor CuInS2 with a direct band gap
of 1.53 eV seems to be very promising as absorber material for thin
film solar cells. We report on thin epitaxial CuInS2 layers prepared on
hydrogen terminated Si(111) by metal organic molecular beam epitaxy
(MOMBE). The deposition steps are monitored in situ with photoelectron
spectroscopy (PES) and low energy electron diffraction (LEED). Ex
situ, x-ray diffraction (XRD) and secondary electron microscopy (SEM)
complement the film analysis. The film growth is improved by additional
ultraviolet (UV) light leading to epitaxial films showing ordered (1x1)
LEED patterns of the surface. Additionally, the segregation of elemental
In occurs in the In-rich regime of preparation. No carbon contamination
is detected in the film indicating a clean reaction of the sulfur precursor.
Further, the formation of Cu2Si is observed at the interface during the
nucleation phase. From SEM it can be deduced that this additional phase
penetrates into the Si substrate forming extended hillocks. Obviously, the
quality of the CuInS2 films is sensitively influenced by the initial growth
conditions.
DS 20.5 Do 15:30 HS 32
8% efficient CuInS2 (CIS) solar cells with electrochemically
removed Cu-S-phases — •Thomas Wilhelm, Baptiste Berenguier,
Mohammed Aggour, Mirko Gaul, Momme Winkelkemper,
Michael Kanis, Eder Goncalves, Helmut Jungblut, and
Hans-Joachim Lewerenz — Hahn-Meitner-Institut, Glienicker Str.
100, D-14109 Berlin
In the pursuit of replacing toxic processing steps and materials in CIS
solar cells we have employed various electrochemical conditioning procedures
for the removal of the deleterious Cu-S-phases. This development
of the electrochemical processing is reviewed and a specific anodisation
procedure in a V(II)/V(III) redox electrolyte is presented. Potential profiles
encompassing the successive dissolution of CuS, Cu2S and CIS have
been applied, resulting in Cu-S-phase free surfaces as evidenced by surface
analyses (photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy).