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    Transfersolarzellen aus monokristallinem Dünnschichtsilicium
    (2004) Rinke, Titus J.; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
    Die vorliegende Arbeit untersucht die Technologie zum Transfer einkristalliner Si-Schichten für Bauelementanwendungen. Im Vordergrund steht dabei die Verwendung der transferierten Schichten als Absorber in monokristallinen Si-Dünnschichtsolarzellen auf Glas. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Technologie kombiniert die hohe Qualität von einkristallinem Silicium mit der Material sparenden Dünnschichttechnik, um hohe Konversionswirkungsgrade bei geringem Materialverbrauch zu ermöglichen. Der zugrunde liegende Kreisprozess stellt auf einem einkristallinen Si-Wafer einen epitaktischen, monokristallinen Si-Film her, der nach der Prozessierung der Bauelemente auf ein Fremdsubstrat übertragen wird, wodurch der Si-Wafer für weitere Prozesszyklen zur Verfügung steht. Elektrochemisch hergestelltes poröses Si bildet nach einer Kristallisation bei Temperaturen um T = 1000 °C einen Si-Film mit eingeschlossenen Hohlräumen. Wegen der Anwesenheit von Hohlräumen in dem ansonsten einkristallinen Material, ähnlich dem Aussehen eines Schweizer Käses, nennen wir dieses Material „quasi-monokristallines Silicium“, kurz QMS. Die Morphologie des QMS lässt sich durch die Herstellungsparameter in einem weiten Bereich einstellen. Eine Bor-Dotierung im Bereich NA = 10^17 cm-3 führt zu einer hohen Porosität und nach der Kristallisation zu schlauchförmigen Hohlräumen einer typischen Größe von d = 1 ... 2 µm. Bei einer Bor-Dotierung im Bereich NA = 10^19 cm-3 liegt die Porosität, bei einer Ätzstromdichte von Jätz = 12 mA cm-2, bei ca. P = 20% und bildet nach der Kristallisation Hohlräume mit einer Größe von d = 50 ... 100 nm. Stellt man sehr dünne (d < 1 µm), poröse Si-Filme her, so ist deren Struktur nach der Kristallisation durch Ausdiffusion von Hohlräumen weitgehend kompakt. Die Hohlräume in den QMS-Schichten sind in Abhängigkeit ihrer Größe facettiert. Die inneren Oberflächen von kleinen Hohlräumen bestehen aus (111)- und etwas verrundeten (100)-Facetten und bilden die Form eines Tetrakaidekahedrons, eines Körpers mit 14 Flächen. Bei größeren Hohlräumen findet man mit der Transmissionselektronenmikroskopie neben (111)- und (100)- Facetten zusätzlich höherindizierte Facetten. Die Porosität des porösen Siliciums lässt sich durch die Ätzstromdichte einstellen, wodurch die Herstellung einer porösen Doppelschicht mit einer oberflächennahen niederporösen und einer vergrabenen hochporösen Schicht möglich ist. Bei der Kristallisation bildet sich durch morphologische Umordnung aus dieser Doppelschicht ein QMS-Film auf einer - mechanisch schwachen - sogenannten Trennschicht. Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) bei T = 1100 °C erzeugt unter optimierten Bedingungen auf dem QMS-Film eine Epitaxieschicht mit einer Defektdichte von weniger als nDef = 1000 cm-2. Die geringe Defektdichte in den Epitaxieschichten ermöglicht nach der Herstellung und dem Transfer von Solarzellen einen Konversionswirkungsgrad von bis zu eta = 15.3 %. Dieser Wirkungsgrad ist der weltweit höchste, der mit Solarzellen auf der Basis von kristallinem Dünnschichtsilicium auf Glas bisher erreicht wurde. Diese Solarzellen haben eine Gesamtdicke von d = 24.5 µm und sind in einer Superstrat-Konfiguration unter einem Glassubstrat angeordnet. Eine neuartige Modultechnologie ermöglicht eine einfache, integrierte Serienverschaltung durch selbstjustierende, schräggerichtete Deposition. Mit dieser Modultechnologie lassen sich Dünnschichtsilicium-Transfersolarzellen zu Solarmodulen verschalten. Die ersten nach dieser Methode hergestellten Zwei-Zellen-Mini-Module zeigen einen Füllfaktor von FF = 75.3% und eine Leerlaufspannung von V0C = 1169 mV. Diese Verschaltungstechnik ist nicht nur vielversprechend für transferierte Solarzellen, sondern eignet sich auch zur integrierten Serienverschaltung von Solarzellen auf der Basis von Cu(In,Ga)Se2. Diese Arbeit vertieft das Verständnis der Vorgänge bei der Kristallisation von porösem Silicium und bietet erstmals eine grundlegende Evaluierung des Potentials von transferierbaren, einkristallinen Silicium-Dünnfilmen. Eine umfassende Untersuchung der strukturellen und technologischen Möglichkeiten hat zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen geführt, deren Wirkungsgrad mit ca. 20 mal dickeren Solarzellen aus heutigen Produktionslinien vergleichbar ist.