Charakterisierung kristalliner Si-Dünnschichtsolarzellen mit Mikro-Raman

Mikro-Ramanmapping (d.h. ortsaufgelöste Abbildung der beim Fitten der Ramanspektren erhaltenen Parameter) an einem Querschliff einer kristallinen Si-Dünnschichtzelle. Entlang der weißen Pfeile ist in Abb. 2 ein Linienscan dargestellt.

Dünne kristalline Siliziumfilme haben für die Herstellung von Solarzellen potentielle Kostenvorteile gegenüber den zurzeit überwiegend verbreiteten Solarzellen aus Si-Wafern. So werden aufwändige Prozessschritte, wie z.B. das Züchten von massiven Si-Kristallen und das Sägen von Wafern, vermieden. Aufgrund der Ähnlichkeit des Materials liegt das Potential des Wirkungsgrads in einem vergleichbaren Bereich.

Am ZAE Bayern werden, im Rahmen des vom Bundesumweltministerium (BMU) geförderten Projekts HELIOS, kristalline Silizium Dünnschichtsolarzellen auf kostengünstigen Keramiksubstraten entwickelt. Eine wichtige Bedeutung zur Verbesserung des Wirkungsgrades kommt dabei der Untersuchung von elektrisch wirksamen Kristalldefekten wie z.B. Korngrenzen oder Versetzungen zu. Eine neuere Methode zur zerstörungsfreien Charakterisierung ist Mikro-Ramanspektroskopie, bei der mit einer Ortsauflösung von ca.1 bis 2 μm Ramanspektren aufgenommen werden.

Zur Ramanmessung wurden Querschliffe an zuvor hergestellten kristallinen Si-Dünnschichtsolarzellen (Schichtaufbau und Zellprozesse siehe [1]) angefertigt und auf einem Raster von 240 x 270 Messpunkten dann jeweils ein Ramanspektrum aufgenommen. Im Bereich des Siliziums zeigen die Spektren einen einzelnen Ramanpeak bei ca. 520 cm-1, der dem dreifach entarteten optischen Phonon im Zentrum der Brillouin Zone zuzuordnen ist. Die Spektren wurden jeweils mit einer Breit-Wigner Kurve gefittet. Vergleichende ortsaufgelöste Abbildungen der Fitparameter Peakfläche (a) und Peakverschiebung (b) an derselben Stelle des Querschliffs sind in Abb. 1 dargestellt (siehe auch [2]).

Die Peakfläche variiert mit der Kristallorientierung, entsprechend zeigt das Mapping in Abb. 1a die Kornstruktur der Si-Schicht. Durch die Untersuchungen wurden relativ große Kristallkörner im mm-Bereich gefunden, die, wie in der Abbildung gezeigt, einzelne Mikrozwillinge enthalten. Die Peakverschiebung (Abb. 1b) variiert im Bereich der Korngrenzen kaum. Dagegen erfolgt an der Si/SiC-Grenzfläche eine starke Peakverschiebung, die bis zu 2,5 cm-1 beträgt; ein entsprechendes Tiefenprofil der Peakposition ist in Abb. 2 aufgetragen.

Diese Peakverschiebung entspricht einer kompressiblen Verspannung von ca.625 MPa des Siliziumkristallgitters. Ursachen der Verspannung könnten in den unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten des Siliziums und des SiC liegen. Geht man davon aus, dass die Schichten bei der Prozesstemperatur zunächst weitgehend spannungsfrei hergestellt werden, so erfolgt die Verspannung bei der Abkühlung des Systems infolge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten. Die Verspannungen können wiederum Ursache für Versetzungen sein, die sich direkt auf die elektrischen Eigenschaften auswirken. 

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (FKZ 0325031B)

 

 

Ansprechpartner

Dr. Thomas Kunz
Erneuerbare Energien
Tel.: +49 9131 9398-155
E-Mail: Thomas.Kunz@zae-bayern.de

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