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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Verunreinigungen in Dünnschicht-Silizium-Solarzellen

Ein wichtiger Einflussfaktor auf die Effizienz und Kosten von Dünnschicht-Silizium-Solarzellen sind Sauerstoff- und Stickstoff-Verunreinigungen. Diese Verunreinigungen in PECVD-Verfahren entstehen durch Leckagen, Ausgasungen der Kammerwände, reduzierter Pumpenleistung oder aus Prozeßgasen (Silan und Wasserstoff) mit reduzierter Reinheit. Für die Herstellung von Siliziumsolarzellen mit hohem Wirkungsgrad ist eine geringe Konzentration von Verunreinigungen in dem intrinsischen Material erforderlich. Ein wichtiger Kostenfaktor solcher Zellen ist die Produktion teurer PECVD-Anlagen, die derzeit Ultrahochvakuumkomponenten beinhalten, die darauf abzielen, insbesondere Sauerstoff-Verunreinigungen auf ein Minimum zu reduzieren.

Ein Schwerpunkt der Gruppe ist, die maximal tolerierbare Verunreinigungskonzentrationen in intrinsischem a-Si:H und µc-Si:H zu definieren, bei der die Leistung von Solarzellen nicht beeinträchtigt wird. Unsere Untersuchungen zeigen, dass der Sauerstoff im Dünnschicht-Silizium bei verschiedenen Konfigurationen eingebaut wird: (i) eine Dotier-Konfiguration, die schädlich für die Solarzelleneigenschaften ist und (ii) eine nicht-dotierende wie die Si-O-Si-Bindungs-Konfiguration, wo hohe Sauerstoff Konzentrationen nicht zu einem Abfall der Solarzellenleistung führen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurden  neue Abscheidungs-Regime entwickelt, bei der eine höhere Menge an Sauerstoff in Silizium-Material eingebaut werden kann, als bisher angenommen wurde, ohne eine Verschlechterung der Bauteilqualität zu erhalten.

Wir arbeiten zudem an der Entwicklung eines industrierelevanten Einkammer-Prozesses (Hochskalierung zu 40×40 cm2) zur Herstellung von a-Si:H und µc-Si:H (p-i-n)-Solarzellen und a-Si:H and µc-Si:H (p-i-n)-Stapelsolarzellen, bei dem alle Schichten in der gleichen Kammer abgeschieden werden. Aufgrund der erheblichen Kapital-Einsparung im Vergleich zur Multi-Kammer-Abscheidung ist dies das wirtschaftlich vorzuziehende Konzept. Der größte Nachteil ist eine Kreuzkontamination der intrinsischen Schicht mit Dotiergasen (Bor und Phosphor) von der vorherigen Abscheidung, die zu einer Verringerung der Solarzellenleistung führen kann. Wir konzentrieren unsere Untersuchungen auf verschiedene Kammer-Behandlungen vor der Abscheidung der intrinsischen Schicht mit den Anforderungen von kurzer Dauer und hoher Effektivität.

Publikationen

 

T. Merdzhanova, J. Woerdenweber, W. Beyer, T. Kilper, U. Zastrow, M. Meier, H. Stiebig, A. Gordijn, “Impurities in thin-film silicon: influence on material properties and solar cell performance” J. Non-Cryt. Solid. 96, 103505-1-3 (2012).

J. Woerdenweber, T. Merdzhanova W. Beyer, H. Stiebig, A. Gordijn, “Critical oxygen concentrations in hydrogenated amorphous silicon solar cells dependent on the contamination source” Appl. Phys. Lett. 96, 103505-1-3 (2010).

T. Merdzhanova, T. Zimmermann, U. Zastrow, A. Gordijn, W. Beyer, “a-Si:H/µc-Si:H solar cells prepared by the single-chamber processes – minimization of phosphorus and boron cross-contamination”, Thin Solid Films 540, 251-255 (2013).

T. Merdzhanova, J. Woerdenweber, T. Zimmermann, U. Zastrow, A. J. Flikweert, W. Beyer, H. Stiebig, A. Gordijn, “Single-chamber processes for a-Si:H solar cell deposition”, Solar Energy Materials and Solar Cells 98, 146-153 (2012).

Ansprechpartner:
Dr. Tsvetelina Merdzhanova
Daniel Weigand


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