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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Poster Award WCPEC-6

Der Posterbeitrag „Influence of substrate morphology on the growth of thin-film microcrystalline silicon studied by in-situ Raman spectroscopy“ wurde auf der diesjährigen „6th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion“ (WCPEC-6, www.wcpec6.com) in Kyoto/ Japan mit einem poster award ausgezeichnet. Thematisch befasste sich die Präsentation mit dem Wachstum von mikrokristallinen Absorberschichten aus Silizium für den Einsatz in Dünnschichtsilizum Solarzellen. Diese wurden auf unterschiedlich texturierten Substraten mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) abgeschieden:


In modernen Solarzellen werden gezielt Substratmaterialien mit periodischen oder zufallsverteilten Strukturen verwendet, um den Lichtweg in den Absorberschichten zu verlängern und die Einkopplung des Lichts zu verbessern. Dadurch können die Solarzellen dünner bzw. materialsparender hergestellt und Reflektionsverluste vermieden werden.


Neben dem Lichtmanagement bestimmt die unterschiedliche Oberflächenstruktur der Substrate das Wachstum der abgeschiedenen Schichten. Bei Mikrokristallinem Silizium hat die Morphologie Einfluss auf das Mischungsverhältnis aus Kristalliten und amorphen Anteilen im Material, wodurch die Strom-Spannungs-Parameter der Solarzelle verändert werden. Am Institut IEK-5 Photovoltaik wurde in den letzten Jahren ein weltweit einzigartiger Aufbau entwickelt, welcher die Untersuchung der Zusammensetzung der Absorberschicht während der Abscheidung ermöglicht. Wird Licht an einem Festkörper gestreut, können in einigen Fällen die Photonen des Lichts mit Schwingungen im Festkörper (Phononen) wechselwirken. Die Wellenlänge des Streulichts ist davon abhängig, ob die Wechselwirkung in kristallinen oder amorphen Domänen im Material stattgefunden hat. Aus den Intensitätsverhältnissen der in ihrer Wellenlänge verschobenen Streulichtanteile können daher Rückschlüsse auf die Phasenverhältnisse im mikrokristallinen Silizium gezogen werden. Technisch wurde die Beleuchtung der wachsenden Schicht und das Detektieren des Raman gestreuten Lichts durch Einbringen geeigneter Optiken in die Elektrode eines PECVD Reaktors realisiert. Das Messverfahren hat sich dabei als derart präzise erwiesen, dass selbst kleine Einflüsse der Substratstruktur auf die Kristallinität der Siliziumschicht in-situ sichtbar gemacht werden können. Durch die erhaltenen Informationen lassen sich die externen Prozessparameter der Gasphasenabscheidung so modulieren, dass auf unterschiedlichen Substratstrukturen in Wachstumsrichtung optimierte Kristallinitätsprofile entstehen. Es wurde gezeigt, dass durch in-situ Raman Spektroskopie das Schichtwachstum an die jeweilige Substratmorphologie angepasst werden kann. Als Resultat kann die Solarzellenperfomance mit großer Genauigkeit und Reproduzierbarkeit optimiert werden. Außerdem verbessert sich die Vergleichbarkeit des Lichtmanagements mit unterschiedlichen Substratoberflächen deutlich.


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