Suche

zur Hauptseite

Institut für Energie- und Klimaforschung

Navigation und Service


Strukturelle Charakterisierung

Die strukturellen Eigenschaften von Halbleitern haben einen großen Einfluss auf die optischen und elektrischen Eigenschaften. Das komplette Verständnis der in Solarzellen auftretenden Phänomene erfordert deswegen, dass der Einfluss der strukturellen Eigenschaften auf die optischen und elektrischen Eigenschaften und schließlich auf die Solarzellenkennlinien untersucht wird. Der Einfluss struktureller Eigenschaften lässt sich am Beispiel von Silizium veranschaulichen. Monokristallines Si ist ein Halbleiter mit guten elektronischen Eigenschaften und einer Bandlücke von 1.12 eV bei Raumtemperatur. Wenn man die Korngröße immer kleiner macht, bleibt die Bandlücke zunächst dieselbe, aber die elektronischen Eigenschaften werden immer schlechter. Bei sehr kleinen Korngrößen werden die elektronischen Eigenschaften allerdings wieder besser und im amorphen Si verschiebt sich plötzlich die Bandlücke und damit die optische Absorption stark zu höheren Energien (optische Bandlücke etwa 1.75 eV). D.h. die Eignung von Si in der Photovoltaik hängt entscheidend davon ab, welche Struktur der Festkörper hat, wie geordnet er ist und wie gering die Defektdichte ist.

Am IEK-5 beziehungsweise am Forschungszentrum Jülich gibt es eine ganze Reihe von Methoden um die strukturellen Eigenschaften von Festkörpern zu untersuchen. Eine vielgenutzte Methode ist die Ramanstreuung. Bei der Ramanstreuung wird der Halbleiter mit einem Laser bestrahlt. Ein Teil der Photonen des Laserstrahls wird am Atomgitter des Halbleiters gestreut und kann Gitterschwingungen erzeugen oder vernichten. Dadurch erfahren die Photonen eine Verschiebung zu kleineren bzw. größeren Energien in der Größenordnung von einigen meV, welche mit einem hochauflösenden Spektrometer gemessen werden kann. Diese Energieverschiebung kann wichtige Informationen über die Struktur des Festkörpers liefern. So misst man z. B. in kristallinem Silizium mit exakt periodisch aufgebautem Atomgitter einen scharfen Peak, der um eine charakteristische Energie relativ zu der Photonenenergie des Lasers verschoben ist. In amorphem Si gibt es dagegen eine Variation der Bindungslängen und –winkel, welche die exakte Periodizität des Gitters zerstört und zu einem Ramanspektrum mit mehreren breiten Peaks führt.

Je mehr sich im Mittel die Bindungswinkel von denen im kristallinen Silizium unterscheiden, desto weniger geordnet ist das Material. Dies spiegelt sich in einer Verbreiterung und einer Verschiebung des dominanten Ramanpeaks zu niedrigeren Energien wider, was sich z. B. durch die Korrelation von Ergebnissen aus Ramanspektroskopie und Röntgendiffraktometrie bestätigen lässt. Diese unterschiedlichen Grade der Ordnung im amorphen Silizium haben vermutlich einen entscheidenden Einfluss auf die Stabilität des Materials bei Bestrahlung mit Licht, was Abb. 1 veranschaulicht. Hier wurde zunächst die Position des Ramanpeaks xTO von einer Reihe von Proben aus amorphem Silizium bestimmt und auf der x-Achse aufgetragen. Für die Daten auf der y-Achse wurden diese Schichten als Absorber in Solarzellen eingebaut und deren Effizienz [eta] direkt nach der Deposition sowie nach 1000 h Belichtung mit einem der Sonne ähnlichen Standardspektrum gemessen. Erfahrungsgemäß klingt der Wirkungsgrad dabei exponentiell ab und stabilisiert sich auf einem niedrigeren Niveau. Der hierdurch entstehende Wirkungsgradverlust d[eta]/[eta] bildet die Werte der y-Achse. Im Einschub in der oberen, rechten Ecke sind die zugehörigen Absolutwerte aufgetragen. Man sieht hier eine klare Korrelation zwischen diesen Werten, was den Schluss nahelegt, dass Material mit höheren Peakpositionen (also höherer Ordnung) stabiler gegenüber Lichteinwirkung und damit für Solarzellen geeigneter ist. Der mit dem Wirkungsgradverlust verbundene sogenannte Staebler-Wronski-Effekt ist zwar bereits seit Ende der 70er Jahre bekannt, jedoch bis heute nicht vollständig verstanden und immer noch Gegenstand aktueller Forschung.

Strukturelle CharakterisierungAbb. 1: Relativer (Hauptgraph) und absolute (Einschub) Veränderung des Wirkungsgrades in Abhängigkeit von der Position des Ramanpeaks in amorphem Silizium Aus F. Köhler, et al. IEEE J. Photov. Doi: 10.1109/JPHOTOV.2013.2287911.

Eine weitere Methode, um strukturelle Informationen über einen Festkörper zu erhalten, ist die Elektronenmikroskopie. In der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) werden hochaufgelöste Abbildungen vom Inneren von Materialien mit Hilfe von Elektronen generiert. Meistens werden dafür sehr dünne Querschnitte von Materialien (ca. 5 nm – 200 nm) mit Hilfe von fokussierten Ionenstrahlen (Focused Ion Beam – FIB) hergestellt, welche transparent für schnelle Elektronen sind. Im TEM wird die Probe von schnellen Elektronen (z.B. v = 2,33 × 108 m / s für 300 kV Beschleunigungsspannung) durchstrahlt, wobei es zur Wechselwirkung zwischen den transmittierten Strahlelektronen und den Atomkernen sowie den Festkörperelektronen kommt. Je nach Wahl der Abbildungskonfiguration ist es möglich, sogenannte Hellfeldabbildungen, Dunkelfeldabbildungen, Beugungsabbildungen bzw. atomar aufgelöste Phasenkontrastabbildungen zu erhalten. Abbildungen 2 und 3 zeigen Hellfeldabbildungen des mikrokristallinen Siliziumkarbids, aufgenommen am Ernst Ruska - Centre für Elektronenmikroskopie in Jülich. Siliziumkarbid eignet sich grundsätzlich sehr gut als (eine) transparente Kontaktschicht für Dünnschichtsolarzellen, weil es u.a. eine bis zu 3,3 eV große Bandlücke und einen passenden Brechungsindex von 2,5 besitzt. Wird das Material mit einem Heißdrahtverfahren in mikrokristalliner Form (µc-SiC:H) abgeschieden, können sich große Kristallite ausbilden, welche die gesamte Schicht durchziehen und in einer bevorzugten Richtung orientiert sind (Abb. 2). Bei der Deposition mittels plasmaunterstützter Gasphasenabscheidung dagegen beobachtet man häufig viele kleine Kristallite, welche annähernd gleich verteilt in alle Richtungen orientiert sind. Dadurch entstehen strukturelle und damit auch elektronische Defekte, die für eine Kontaktschicht nicht wünschenswert sind. Diese strukturellen Unterschiede sind sehr deutlich in den Hellfeldabbildungen (Abb. 2, 3) zu erkennen. Eine Hellfeldabbildung ist eine Projektion der transmittierten Elektronen der nullten Beugungsordnung auf den fluoreszierenden Schirm im Mikroskop oder direkt auf die CCD. Während der Wechselwirkung in der Probe werden die transmittierten schnellen Elektronen teilweise gestreut. Die Probenbereiche, wo es verstärkt zur Streuung kommt, erscheinen in der Hellfeldabbildung dunkel, und die nichtstreuenden Bereiche besitzen einen hellen Kontrast. Die typischen µc-SiC:H Hellfeldabbildungen zeigen vor allem in Abb. 2 innerhalb der Schicht mehrere im dunklen, sowie im hellen Kontrast erscheinenden säulenartigen Kristallite. Für die Kristallitbereiche mit dunklem Kontrast ist die Braggbedingung erfüllt. Das innere Fenster in Abb. 2 (bzw. in Abb. 3) stellt (die) entsprechende Beugungsabbildung dar, wo aufgrund der Reflexverteilung entlang des (111) Rings eine Vorzugsorientierung in die Wachstumsrichtung deutlich wird. Für die µc-SiC:H Probe mit kleinen Kristalliten und randomisierter Orientierung sind die Reflexe in der Beugungsabbildung dagegen gleichmäßig entlang des (111) verteilt.

Strukturelle Charakterisierung 02Abb. 2: TEM Aufnahme von µc-SiC:H, das mit Heißdraht Gasphasenabscheidung hergestellt wurde. Man erkennt relativ große Kristallite im Vergleich zu der Probe in Abb. 3.

Strukturelle Charakterisierung 03Abb. 3: TEM Aufnahme von µc-SiC:H, das mit Plasmaunterstützter Gasphasenabscheidung hergestellt wurde. Hier sind die Kristallite relativ klein.


Servicemenü

Homepage