Solarzellen
Elektronenstrahl-rekristallisierte Silizium-a-Si-poly-Si-Solarzelle auf Glas-Substrat
Einleitung & Zellkonzept
Im Rahmen des Projektes werden groß-kristalline Silizium-Dünnschichtsolarzellen auf Glassubstraten realisiert. Durch den am Institut für Mikrosystemtechnik entwickelten Elektronenstrahlrekristallisationsprozess lassen sich durch Flüssigphasenrekristallisation Siliziumabsorber mit Körnern im cm-Bereich herstellen. Dazu wird auf dem Substrat zunächst eine geeignete Zwischenschicht aus amorphem SiC abgeschieden, bevor ein 8-13 µm dicker Absorber aus amorphem bis nanokristallinem Silizium zurzeit mittels LPCVD aufgebracht wird. Da erst durch die nachfolgende Rekristallisation die elektronische Qualität der Absorberschicht festgelegt wird, ist eine Optimierung der Abscheidung in Bezug auf eine hohe Depositionsrate möglich. Zur Komplettierung der Zelle wird am Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie Berlin ein a-Si:H(n) Emitter auf den p-Typ Absorber abgeschieden. Die resultierende c-Si(p)/a-Si:H(n)-Solarzelle wird durch die Abscheidung eines TCOs und einer aufgedampften Al-Kontaktfingerstruktur komplettiert (Abbildung 1).
Abbildung 1: Schichtaufbau der TUHH/HZB-Solarzelle
Elektronenstrahlquelle und Rekristallisation
Den schematischen Aufbau der verwendeten Elektronenstrahlquelle zeigt Abbildung 2 (links). Aus einer Wolfram-Glühkathode werden die thermischen Elektronen auf das Substrat durch eine Gleichspannung von 5-15 kV beschleunigt. Eine Pierce-Optik fokussiert den Strahl auf eine Breite von ca. 0,8 mm. Die Strahlgeometrie auf dem Substrat beträgt 90 x 0,8 mm². Durch eine Substratheizung werden Temperaturgradienten innerhalb der Schicht während des Prozesses verringert.
Abbildung 2: Aufbau der Elektronenstrahlquelle
Die Probe wird während des Prozesses auf einem Graphit-Teller liegend mit einer typischen Geschwindigkeit von 5..10 mm/s unterhalb des Elektronenstrahls verfahren (Abbildung 2). Die resultierende Morphologie ist in der Mikroskopaufnahme in Abbildung 3 dargestellt. Dabei wurden die Korngrenzen durch eine Secco-Ätzung dekoriert.
Abbildung 3: Rekristallisierte Siliziumschicht nach Secco-Ätzung
Die Abbildung zeigt ausgedehnte, bis zu 10mm langgezogene Körner mit einer Breite von 1mm bis 2mm. Zwischen diesen Körnern liegen Gebiete mit einer hohen Anzahl von Korngrenzen, die in der Abbildung 3 als gepunktete Bereiche auffallen.
Charakterisierung von Solarzellen
Abbildung 4 zeigt in der linken Abbildung Hellkennlinien von präparierten Solarzellen. Auf der rechten Seite ist die interne Quanteneffizienz gegen die Wellenlänge dargestellt.
Abbildung 4: Hell-Kennlinien präparierter Solarzellen (links), interne Quanteneffizienz (rechts)
Die Zellen weisen zurzeit eine Leerlaufspannung von 450 mV bis 487 mV und einen Füllfaktor von 50% - 60% auf. Aus der noch recht geringen Kurzschlussstromdichte von -11 mA/cm2 bzw. -12,4 mA/cm2 wird die Notwendigkeit der Optimierung der Abscheide- und Präparationstechnologien insbesondere hinsichtlich der optischen Eigenschaften und des Rückkontakts deutlich. Aus dem dargestellten Verlauf der internen Quanteneffizienz konnte eine Diffusionslänge im Bereich der Absorberdicke bestimmt werden.
Zusammenfassung
Im Rahmen des Projektes wurden durch Verwendung von Standard-Si-Abscheideprozessen auf Niedrig- bis Mittel-Temperatursubstraten durch Elektronenstrahlrekristallisation Silizium-Absorber hergestellt, die eine zu EFG (Edge Defined Film Fed Growth)-Wafern vergleichbare Morphologie aufweisen. Der Rekristallisationsprozess ermöglicht eine äußerst energieeffiziente Prozesssierung von Dünnschicht Silizium-Solarzellen. Durch den einfachen Aufbau der Strahlquelle lässt sich eine Skalierung des Prozesses hin zu größeren Substraten kostengünstig durchführen. Erste vermessene Heterojunction-Solarzellen-Strukturen TCO/a-Si:H(n)/mc-Si zeigen Leerlaufspannungen von VOC > 450 mV . Die zurzeit recht geringe Kurzschlussstromdichte zeigt die Notwendigkeit der Integration von Lichteinfangstrukturen und die Verbesserung des Rückkontakts auf.
Kontakt:
Förderung:
Gefördert durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit in Kooperation mit dem Helmholtz Zentrum Berlin, Abteilung Photovoltaik
Veröffentlichungen:
D. Amkreutz, J. Müller, T. Hänel, C. Klimm, M. Schmidt, Efficient Electron Beam Crystallised Large-Grained Silicon Solar Cells on Glass Substrates, Akzeptiert für 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia 2010
C. Groth, Zonenschmelzverfahren zur Herstellung von kristallinen Silizium-Dünnschichten auf Floatglassubstraten für Solarzellen, Dissertation, München 2010
K.Ong, Untersuchung von Schichtsystemen für kristallisierte Dünnschichtsiliziumsolarzellen auf Glas, Dissertation, München 2010
D. Amkreutz, J. Müller, M. Schmidt, J. Haschke, T. Hänel, T.F. Schulze, Optical and Electrical Properties of Electron Beam Crystallised Thin Film Silicon Solar Cells on Glass Substrates, Proceedings 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference 2506-2509, Hamburg 2009
D. Amkreutz, C. Groth, K. Ong, J. Müller, I. Didschuns, C. Klimm, M. Schmidt, Electron Beam Crystallised Thin Film Silicon Solar Cell on Floatglass, Proceedings 23th European Photovoltaic Solar Energy Conference 2250-2253, Valencia 2008
K. Ong, C. Groth, D. Amkreutz, J. Müller, Properties of In-Line Processed Electron Beam Recrystallised Silicon Solar Cells on Glass, Proceedings 21th European Photovoltaic Solar Energy Conference 1189-1191, Dresden 2006
