Neuartiges RGS- und multikristallines Silizium : Materialanalyse und Solarzellencharakterisierung

Abstract

Multikristalline Silizium-Materialien (mc-Si) stellen derzeit mehr als die Hälfte (über 57% [6]) des weltweiten Siliziumbedarfs für die terrestrische Photovoltaik dar [6]. Dies liegt besonders an ihren günstigeren und energiesparsamen Herstellungsverfahren im Vergleich zu denen von monokristallinen Silizium- Materialien (mono-Si). Hierbei bieten vor allem Folien-Silizium-Technologien besondere Möglichkeiten zur Kostenersparnis bei der Herstellung von Si-Materialien. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei vielversprechende RGS-Materialien vorgestellt. Sie zeichnen sich besonders durch ihre „quasi“- monokristalline Kristallorientierung an der Oberfläche aus, die für das eine überwiegend {100} und für das andere {111} ist. Dies lässt sich durch die Verwendung von monokristallinen Si-Substraten anstelle von polykristallinem SiC-Substrat während des RGS-Kristallwachstums realisieren. Dies deutet, wie von Pichon [159] gezeigt wurde, auf ein zumindest partielles epitaktisches Wachstum hin. Diese Arbeit ist ein Beitrag zu einem besseren Verständnis der physikalischen Sachverhalte in RGS-Materialien für die Solarzellenherstellung. Solarzellen aus diesen neuartigen RGS-Materialien erreichen Wirkungsgrade über 16% [150]. Dies stellt die bis dato höchsten erzielten Wirkungsgrade für RGS-Material und eine erhebliche Verbesserung von ca. 2%abs zu dem bislang auf Standard-RGS-Material maximal erreichten Wirkungsgrad von 14;4% [176] dar. Diese wesentliche Steigerung liegt neben der Verbesserung der Materialqualität vor allem darin, dass die Solarzellen aus den neuen RGS-Materialien deutlich höhere Füllfaktorwerte im Vergleich zu den Solarzellen aus dem Standard-RGS-Material aufweisen. Es wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass diese hohen, mit denen von Solarzellen aus blockgegossenem mc-Si-Material vergleichbaren FF-Werte für Solarzellen aus den neuen RGS-Materialien aufgrund des Nichtvorhandenseins von material-induzierten ohmschen Kurzschlüssen zustandekommen. Tatsächlich wurde nachgewiesen, dass sich in Standard-RGS-Material leitfähige stromsammelnde Kanäle aus SiC befinden, die das gesamte Solarzellenvolumen durchstoßen und somit Kurzschlüsse verursachen [18]. Untersuchungen mittels IR-Transmissions-Mikroskopie, ortsaufgelöster FTIR und EBSD haben gezeigt, dass eine eindeutige und direkte Korrelation zwischen den Stellen mit stromsammelnden SiC-Filamenten und einigen zufälligen Großwinkelkorngrenzen besteht. Entlang von Kleinwinkel- und CSL-Korngrenzen wurden keine stromsammelnden SiC-Filamente nachgewiesen. Anhand dieser Beobachtungen wurde ein Modell zur Erklärung der SiC-Filamentbildung aufgestellt. Nach diesem Modell entstehen SiC-Filamente durch Ansammlung von C an präformierten defektreichen zufälligen Großwinkelkorngrenzen. Bei einer gewissen Konzentration von C an solchen Großwinkelkorngrenzen kristallisiert SiC, wahrscheinlich [211] in der kubischen Struktur. Es findet ebenso aufgrund der Verringerung der Defektenergie an solchen zufälligen Großwinkelkorngrenzen eine Anhäufung des Dotierstoffs B statt, der die dort entstehenden SiC-Kristallkeime dotiert. Die SiC-Filamente sind somit p-Typ leitend. Dies liefert eine Erklärung für den Unterschied in der elektrisch gemessenen Konzentration an Bor zwischen dem Standard-RGS-Material (3,8x10^15 Boratome/cm³) und den zwei neuen RGS-Materialien (2,2x10^16 Boratome/cm³). Diese hypothetische Dotierung der SiC-Filamente mit Bor könnte durch Charakterisierungsmethoden wie die in [19] beschriebene aufwändige Vier-Punkt-Methode und die Atomsondentomographie dargelegt werden, die im Rahmen dieser Arbeit nicht zur Verfügung standen. Zudem können Untersuchungen dieser SiC-Filamente mittels Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie weitere erläuternde Erkenntnisse über das aufgestellte Modell liefern. Ortsaufgelöste Untersuchungen haben gezeigt, dass die Volumenqualität der zwei neuartigen RGSMaterialien homogener als die des Standard-Materials ist. Außerdem liegen die Leerlaufspannungswerte der aus den neuen RGS-Materialien hergestellten Solarzellen aufgrund verbesserter Materialqualität (höhere Lebensdauer der Minoritätsladungsträger) um ~10mV höher als die der Solarzellen aus dem Standard-RGS-Material. Durch die Untersuchung der Transporteigenschaften konnte gezeigt werden, dass die Hall-Beweglichkeit der Majoritätsladungsträger bei Raumtemperatur in den zwei neuen RGSMaterialien im Bereich von 320 cm²/Vs und mit der von blockgegossenem mc-Si-Material mit ähnlicher Dotierung vergleichbar ist [188]. Dies liegt daran, dass in diesen zwei neuartigen RGS-Materialien Streuung an Korngrenzen, die in Standrad-RGS-Material überwiegt und für die verringerte Löcher- Mobilität (189 cm²/Vs) verantwortlich ist, eine untergeordnete Rolle spielt. Eine mögliche erste Erklärung hierfür lieferte die Betrachtung der Kristallorientierung mittels EBSD: In den neuen RGS-Materialien sind die Korngrenzen hauptsächlich defektarme Sigma 3, Sigma 9 und Sigma 27-Korngrenzen, wohingegen in Standard-RGS-Material viele (rekombinationsaktive) zufällige (nicht CSL-)Großwinkelkorngrenzen zu finden sind. Um einen genauen experimentellen Einfluss der Korngrenze auf die Mobilität der Majoritätsladungsträger herauszufinden, können sich Hall-Messungen an optimal präparierten Proben aus vertikal gezogenen Foliensilizium-Materialien mit nahezu parallel angeordneten Korngrenzen wie z.B. EFG und RST eignen.