Impact of contamination on hydrogenated amorphous silicon thin films & solar cells [Elektronische Ressource] / Jan Wördenweber

J.Woerdenweber

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 12
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

 
 
 
 
 
„Impact of contamination on hydrogenated 
amorphous silicon thin films & solar cells” 
 
 
 
Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissen‐
schaften  der  RWTH  Aachen  University  zur  Erlangung  des 
akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften 
genehmigte Dissertation 
 
 
vorgelegt von 
Diplom‐Physiker 
 
Jan Wördenweber 
aus Herdecke 
 
 
Berichter: Universitätsprofessor M. Wuttig 
         U. Rau 
 
            Tag der mündlichen Prüfung: 15.12.2010 
 
 
Diese  Dissertation  ist  auf  den  Internetseiten  der  Hochschul‐
bibliothek online verfügbar.  II Einfluss von Verunreinigungen auf hydrogenisierte, amorphe 
Silizium Dünnschichten und Solarzellen 
 Kurzfassung   Diese Studie beschäftigt sich mit dem Einbau von Sauerstoff und 
Stickstoff  während  der  Deposition  amorpher,  intrinsischer  Absorberschichten 
(i‐Schichten)  für  p‐i‐n  Dünnschichtsolarzellen  aus  amorphem,  hydrogenisiertem 
Silizium (a‐Si:H). Des Weiteren wird die Problematik der Bor‐Verschleppung bei 
Einkammerprozessen untersucht. 
Die  atmosphärischen  Verunreinigungen  wurden  während  der  Deposition  der 
nominell  unkontaminierten  i‐Schicht  mittels  künstlicher  Lecks  hinzugefügt. 
Untersucht  wurde  unter  anderem  der  Einfluss  der  Art  der  Verunreinigung 
(Sauerstoff & Stickstoff), der zugefügten Menge der Verunreinigung (Leckflussrate), 
des  Ortes  der  Verunreinigung  (Kammerleck  bzw.  Prozessgasleitung)  und  der 
Plasmaleistung  auf  die  Solarzelleneigenschaften.  Dadurch  können  z.B.  Vakuum‐
mindestanforderungen,  mögliche  Lecks  im  Rezipienten,  Prozessgasmindest‐
reinheiten  und  Prozessgasleitungslecks  simuliert  werden.  Des  Weitern  wurden 
Depositionsregime  entwickelt,  mittels  derer  der  Einbau  von  Verunreinigungen 
unterdrückt  werden  kann.  Unter  Standardbedingungen  fanden  sich  kritische 
Stickstoff‐  und  Sauerstoff‐Kontaminationsgrenzen  (Kammerleck)  von  etwa 
18 ‐3 19 ‐34×10  cm   bzw.  2×10  cm   überhalb  derer  es  zu  einer  starken  Abnahme  des 
Wirkungsgrads der Solarzelle kam. In der Literatur wird als eine Hauptursache der 
Wirkungsgradabnahme  der  Einbau  von  Verunreinigungen  in  dotierender 
Konfiguration  diskutiert.  Begleitende  Materialstudien  innerhalb  dieser  Arbeit 
unterstützen diese These.  
Die  unterschiedlichen  Maximalkontaminationen  lassen  sich  durch 
unterschiedliche  Dotiereffizienzen  deuten.  So  ist  die  dotierende  Wirkung  des 
eingebauten  Stickstoffs  um  etwa  eine  Größenordnung  über  der  des  Sauerstoffs. 
Allerdings  ist  auch  die  Einbauwahrscheinlichkeit  von  Sauerstoff  um  etwa  eine 
Größenordnung höher als die für Stickstoff, was dazu führt, dass bei einem Luftleck 
beide  Kontaminationsgrenzen  gemeinsam  bei  einem  bestimmten  Luftleckfluss 
erreicht werden.  
Bei  Benutzung  des  Lecks  in  der  Prozessgasleitung  hingegen  fand  sich  für 
20 ‐3Sauerstoff  ein  kritisches  Level  von  etwa  2×10  cm ,  wo  hingegen  das  kritische 
Stickstoffniveau vom Leckort unabhängig ist. Für ein Depositionsregime mit sehr 
hohem  Prozessgasfluss  wurde  auch  für  das  Kammerleck  eine  kritische 
20 ‐3Sauerstoffkonzentration von 2×10  cm  beobachtet. 
Mögliche Ursachen sind einerseits die von Regime und Leckageort abhängigen 
Reaktionswahrscheinlichkeiten  von  Silan  (SiH4),  Silan  Radikalen  und  atomarem 
Wasserstoff mit Sauerstoff. Z.B. ist die Konzentration an atomarem Wasserstoff in 
der Gasleitung gering im Vergleich zur Umgebung des Kammerlecks. Durch diese 
Reaktionen entstehen z.B. SiOX, Siloxan‐ (SiH3‐O‐SiH3) oder OH / H2O‐Molekühle. 
Andererseits  spielt  auch  die  Lebensdauer  dieser  Moleküle  und  damit  ihre 
Einbaugeschwindigkeit eine Rolle. Letztere kann für verschiedene Regime durchaus 
   IIIunterschiedlich  sein.  Für  SiOX  wird  angenommen,  dass  es  mit  hoher 
Wahrscheinlichkeit nicht in die Schicht eingebaut wird, es entsteht Staub in der 
Depositionsanlage. Siloxan, von dem angenommen wird, dass der darin enthaltene 
Sauerstoff nicht dotierend eingebaut wird, hat eine hohe Lebensdauer und wird sehr 
wahrscheinlich in die Schicht eingebaut, wenn es nicht anderweitig abgepumpt / 
gebunden  wird.  Hingegen  haben  die  Wasserstoffverbindungen  eine  begrenzte 
Lebensdauer, was u. U. dazu führt, dass sie in einem Regime eingebaut werden 
(schneller  Einbau),  in  einem  anderen  nicht  (langsamer  Einbau).  Es  wird 
angenommen,  dass  OH  /  H2O  Molekühle  zum  Einbau  von  Sauerstoff  in 
Dotierkonfigurationen führen können.  
Beim Stickstoff sind diese Mechanismen aufgrund der sehr trägen Reaktion mit 
Silan nicht gegeben. Folglich findet sich ein eindeutiges kritisches Stickstoffniveau 
unabhängig von der Art des Lecks. Ein weiteres, überraschendes Ergebnis dieser 
Studie  ist,  dass  die  kritischen  Verunreinigungskonzentrationen  nach  der 
Lichtalterung unverändert geblieben sind. Darüber hinaus zeigte sich, dass eine hohe 
Plasmaleistung, angewandt z.B. bei Standard‐Depositionsbedingungen von mikro‐
kristallinem  Silizium,  dazu  führt,  dass  der  Unterschied  der  kritischen 
Sauerstoffkonzentration  verschwindet.  Dies  liegt  möglicherweise  daran,  dass  die 
gebildeten Siloxan‐Moleküle durch die hohe Leistungsdichte wieder aufgespaltet 
werden. Hier führten extrem niedrige Leistungsdichten für μc‐Si:H Depositionen 
wieder zu einem erhöhten kritischen Sauerstoffniveau. 
Ein weiterer Punkt dieser Arbeit ist die Verbesserung von Einkammerprozessen 
zur  Herstellung  von  amorphen  Dünnschichtsolarzellen.  Hauptaugenmerk  hierbei 
war die Verschleppung von Bor‐Atomen, die zur Dotierung der p‐Schicht nötig sind, 
in die i‐Schicht. In dieser Arbeit sind verschiedene Solarzellkonfigurationen und&