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Ladungsträgertransport in farbstoffsensibilisierten Solarzellen auf Basis von nanoporösem TiO2
(2003) Kron, Gregor; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Herstellung und der elektrischen Charakterisierung farbstoffsensibilisierter Solarzellen (FSSZ), die zum einen mit dem flüssigen Iodid/Triiodid-Redoxelektrolyt, zum anderen mit einem organischen Festkörperlochleiter arbeiten. Entlang des Weges eines am Frontkontakt injizierten Elektrons untersuche und modelliere ich vier verschiedene funktionale Prozesse an den Grenzschichten und in den einzelnen Medien. Dabei vergleiche ich teilweise die beiden FSSZ-Typen miteinander. Der Einfluß des Frontkontaktmaterials auf die Extraktion photogenerierter Elektronen bildet den ersten Schwerpunkt der Arbeit. Das effektive Banddiagramm der FSSZ im thermodynamischen Gleichgewicht zeigt, daß sich am Frontkontakt eine eingebaute Spannung aufbaut, die vom verwendeten Kontaktmaterial abhängt. Eine im Experiment vorgenommene Variation der Frontkontaktmaterialien in der FSSZ modifiziert aufgrund der unterschiedlichen Austrittsarbeiten die eingebaute Spannung. Die Größe der eingebauten Spannung am Frontkontakt wirkt sich wenig auf die Leerlaufspannung des Bauelements aus, sondern spiegelt sich vor allem in der Form der I/V-Kurven wider. Den zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Admittanzspektroskopie der FSSZ. Entsprechend der Theorie der klassischen Diffusionsadmittanz am pn-Übergang bestimmt die Diffusion von Elektronen im TiO2 die Admittanz der Elektrolyt-FSSZ. Im Falle der Festkörper-FSSZ zeigt die Analyse der Admittanzdaten negative Kapazitätswerte, gleichbedeutend einer Induktivität. Die Auswertung von I/V-Kennlinien der beiden verwendeten FSSZ-Typen zeigt, daß die Leerlaufspannung der Festkörper-FSSZ parallel zur Titandioxid-Schichtdicke d zunimmt. Die Elektrolyt-FSSZ verhält sich konträr dazu und damit im Sinne konventioneller Solarzellen normal. Um die besondere Abhängigkeit für den Fall des organischen Lochleiters zu erklären, wird ein quantitatives Modell entwickelt. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Untersuchung und Modellierung des Ionentransports in der Elektrolyt-FSSZ. Mit Hilfe eines der realen Solarzelle ähnlichen Bauelements, bei dem sich die poröse Titandioxidstruktur direkt auf einer Platin-Frontelektrode befindet, werden die limitierenden Diffusionsstromdichten bestimmt. Parallel dazu wird ein detailliertes Modell erstellt, welches die seriell verknüpften Diffusionsprozesse im porösen Medium und im Elektrolytvolumen berücksichtigt. Durch Anpassung der experimentellen Daten, an die Theorie, erhält man schließlich die Triiodiddiffusionskonstante im Volumen und eine effektive Diffusionskonstante im nanoporösen Medium. Zusätzlich läßt sich ein auf die jeweilige FSSZ angepaßtes, optimales Verhältnis zwischen der Dicke der TiO2-Schicht und der des Elektrolytvolumens, sowie eine optimale Triiodidkonzentration im Elektrolyt berechnen.
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Low temperature silicon epitaxy : defects and electronic properties
(2003) Wagner, Thomas; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
The work investigates the electronic properties of thin epitaxial silicon films and their suitability for microelectronic and photovoltaic applications. The films are grown by ion-assisted deposition (IAD), a molecular beam epitaxy (MBE) method that uses a small fraction of accelerated Si+ ions in the molecular beam, allowing for additional kinetic energy transfer to the substrate during low temperature epitaxy. This work concentrates on films grown at low deposition temperatures Tdep in the range of Tdep = 450°C to 750°C with deposition rates rdep in the range of rdep = 0.1 to 0.5 µm/min. As substrate materials, either monocrystalline (100)-, (111)-, (110)-, and (113)-oriented Si-wafers or block-cast polycrystalline Si-wafers are used. This work shows that the structural and electronic properties of epitaxial films deposited at low temperatures depend significantly on the substrate orientation. The number of extended defects in (100)-oriented films, i.e. dislocations and stacking faults, is significantly lower than in non-(100)-oriented films. The etch pit density nep, as deduced by anisotropic defect etching, is below nep = 1 x 10 3 cm -2 , for (100)-oriented films, independent of deposition temperature and rate. This low number of extended defects ensures that the electronic properties of (100)-oriented films are dominated by point defects. Photoluminescence and deep level transient spectroscopy (DLTS) serve to characterize defects in the (100)-oriented films. A broad defect luminescence band, located at photon energies around hnu = 0.8 eV, appears in all films deposited at Tdep = 460°C. When accelerated silicon ions are used to deposit the films, additional defect peaks appear at hnu = 0.767 eV and below. These defects are correlated to thermal donors, that are typically observed in oxygen rich silicon after thermal treatment at 450°C. Several broad defect bands in the band gap are identified by DLTS-measurements, the most prominent at trap levels Et = 0.2 eV and 0.25 eV above the valence band. The defect density is of the order of 1 x 10 13 cm -3, and shows a minimum for rdep = 0.3 µm/min. For deposition temperatures Tdep > 550°C, no defects are observed with either photoluminescence or DLTS, but the minority carrier diffusion length of the films increases with Tdep. The use of the minority carrier diffusion length as a sensitive measure for the density of electrically active defects reveals an exponential decay of the defect density with rising deposition temperature. Ion-bombardment with Si+-ions during deposition at low temperatures has an important influence on the electronic properties of the films: At Tdep = 460°C and 650°C, the use of accelerated silicon ions in ion-assisted deposition leads to an increase of the minority carrier diffusion length L for moderate acceleration voltages up to 100 V. At higher deposition temperatures, ion-bombardment did not result in a measurable difference of the electronic properties: Thin film solar cells, deposited at Tdep = 750°C with and without accelerated silicon ions showed identical conversion efficiencies of 13.8 %. Despite the variety of defects detected in low temperature epitaxial films, Photoluminescence and DLTS did not allow to identify the dominant recombination mechanism that is responsible for the poor photovoltaic properties of the films deposited at Tdep < 650°C. Therefore, a new lifetime spectroscopy method is developed in this work, that is compatible with thin films and fully processed devices: Temperature dependent quantum efficiency (TQE). Using the TQE method for analysis of thin film solar cells deposited by IAD at Tdep = 460°C and 510°C revealed the presence of two dominant defect centers, active at different temperatures. Applying a multilevel model for the lifetime to the TQE data allows for the identification of a defect center with an activation energy Ea = 0.2 eV as the dominant recombination center at room temperature and a center with Ea = 0.07 eV being active at temperatures below 150 K. The TQE results are in good agreement with DLTS experiments, where comparable defect levels are determined in the same films. Growth on non-(100)-oriented substrates, such as Si(111), Si(110), and Si(113), is dominated by the formation of high densities of extended defects, in particular stacking faults, resulting in significantly lower electronic quality of the films. Light beam induced current investigations of films deposited on polycrystalline substrates with randomly oriented grains show highly differing electronic quality of the grains. As a consequence, this work classifies the suitability of surface orientations for epitaxy according to the resulting electronic quality of the deposited films as follows: Type A)(100)-oriented surfaces result in the highest electronic quality. Type B) singular (stable) surfaces (e.g. (111), (110)) result in medium electronic quality. Type C) facetted surfaces result in the poorest structural and electronic quality. This work gives a detailed analysis of defects in low temperature epitaxial films with their dependence on deposition temperature, deposition rate, and substrate orientation, allowing for a profound judgement of the possibilities and restrictions of low temperature epitaxial films for photovoltaic and microelectronic applications. In most cases, the high number of extended defects and the inferior electronic properties will exclude deposition on non-(100)-oriented substrates. Especially in the case of photovoltaic devices, only epitaxy on (100)-oriented substrates at deposition temperatures above 650°C results in sufficiently high minority carrier diffusion lengths for effective thin film solar cells.
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Porous silicon for thin solar cell fabrication
(2008) Tobail, Osama; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
The thesis on hand considers the preparation and the characterization of porous silicon for the fabrication of monocrystalline silicon thin layers and solar cells. The reduction of the solar cell thickness decreases the material consumption, offers the fabrication of mechanically flexible cells, and enhances the physical properties of solar cells. Therefore, the goal of this work is to fabricate free-standing thin monocrystalline silicon solar cells. The layer transfer process, which is based on a double layer of porous silicon, provides an economical production of thin film silicon solar cells with thicknesses d between d = 20 and d = 50 µm beneath foreign superstrates. The superstrate complicates both the further processing of the cell back side and the series connection of cells. This work develops a new technique for the integrated series connection from transfer cells. This technique is based on laser machining of the transfer cells after the transfer onto the superstrate. The resulted integrated module produces 0.74 W/g. As the transfer process quality depends mainly on porous silicon structural properties, this work presents a new non-destructive method to estimate the porosity of single as well as multi layer porous silicon systems through its optical properties by means of the white-light-interferometry. This thesis applies the new method in two applications: The first application is the study of the dissolution mechanism of silicon in hydrofluoric acid during anodization. The study shows that heavily doped p+-type wafers consume three holes, while lightly doped p-type wafers consume only two holes during porous silicon formation to dissolve one silicon atom. The number of consumed holes indicates the kind of the electrochemical reaction, by which silicon atoms dissolve during the anodization. The second application is the enhancement of the lateral homogeneity of porous silicon on 6" wafer to increase the yield of the layer transfer process. The measurements agree with the two dimensional conductive medium simulation of the etching cell. The experiments together with the simulation result in a new etching setup for porous silicon production. The new setup enhances the porous silicon lateral homogeneity by about 10 % and also increases the yield Y of the layer transfer process from Y = 30 % to Y = 70 %. This thesis introduces a new technique, which produces free-standing monocrystalline silicon thin-films. This technique uses the selective formation of porous silicon on different doped silicon. Porous silicon forms on p-type regions, while n-type regions on the same wafer act as a masking layer against the electrochemical reaction. Modeling the Si/electrolyte interface shows that n-type doped islands need a higher potential than p-type silicon to flow a certain current, and hence n-type regions act as a mask during porous silicon formation. Laser doping technique enables the simple patterning of different doped regions without the need of masking or high temperature annealing steps. This technique produces patterned buried continuous cavities beneath the epitaxy layer. Separation takes place by cutting the epitaxy layer at the cavity edges. A free-standing 47.6 µm thin solar cell with efficiency \eta = 17.0 % and an area A = 1.1 cm2 is achieved by a simple back side metallization on a back surface field layer. This work deepens the understanding of porous silicon formation mechanisms and offers a new characterization method of its structural properties. A comprehensive study of the well established layer transfer process and its disadvantages leads to a new technique producing free-standing thin monocrystalline silicon layers and solar cells.
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Strukturelle Eigenschaften von Cu(In,Ga)(Se,S)2 Dünnschichten
(2003) Kötschau, Immo Michael; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
In Cu(In,Ga)(S,Se)2-Dünnfilmen treten, je nach Wachstum, auf natürliche Weise teilweise recht große Zusammensetzungsgradienten auf. Einerseits wurde an In-reichem Material eine Cu-arme Oberflächendefektschicht entdeckt, andererseits sorgt die Dynamik Cu-reicher Wachstumsprozesse für einen über die gesamte Schichtdicke veränderlichen Ga- oder S-Gehalt. Die gezielte Beeinflussung der tiefenabhängigen Konzentration von Ga und S kann unter anderem dazu genutzt werden, Rekombinationsverluste innerhalb der Solarzelle zu minimieren. Solches "Bandgap-Engineering" führte bereits zu entscheidenden Verbesserungen des Wirkungsgrades von Cu(In,Ga)(S,Se)2-Solarzellen. Für die gezielte quantitative Untersuchung der tiefenabhängigen Zusammensetzung in Dünnfilmen standen bisher ausschließlich nicht zerstörungsfreie Methoden zur Verfügung. Insbesondere können die mit Sputtermethoden erzielten Tiefenprofile der Zusammensetzung aufgrund des Sputterprozesses selbst stark fehlerbehaftet sein. Wegen dieser Problematik entwickelt diese Arbeit eine alternative Methode. Es hat sich gezeigt, dass sich Röntgenbeugungsspektren von Cu(In,Ga)(S,Se)2-Dünnfilmen, gemessen unter streifendem Einfall (Grazing Incidence X-Ray Diffraction; GIXRD), korrekt mittels eines Schichtenabsorptionsmodells, in welchem über die Absorption gewichteter Anteile aus unterschiedlich tiefen Schichten das Beugungsspektrum als Summe über alle Schichten berechnet wird, beschreiben lassen. Eine quantitative Auswertung von Strukturdaten, insbesondere die Verfeinerung von Zusammensetzungstiefenprofilen, ist damit möglich. Um die Gültigkeit der Modellierung einzugrenzen, erfolgte die Betrachtung und ausführliche Diskussion aller in der Praxis vorkommender apparate- und probenspezifischer Effekte. Während die Wechselwirkung von Oberflächenrauigkeiten und Brechung durch einfache Transformationen zu kompensieren sind, können beispielsweise tiefenabhängige Unterschiede der bevorzugten Orientierung Probleme aufwerfen, wenn über ihre Tiefenabhängigkeit keine Daten vorliegen. Prinzipiell ist jedoch die Untersuchung der Einflüsse aller Eingangsparamter, seien sie apparatebedingt oder durch die Probe selbst verursacht, möglich, solange alle übrigen Parameter bekannt sind. Eine eindeutige Verfeinerung von Tiefenprofilen muss dabei immer die Voraussetzung erfüllen, dass ein und derselbe Eingangsparametersatz gleichzeitig alle unter verschiedenen Einfallswinkeln gemessenen Spektren hinreichend genau beschreibt. Die Verfeinerung von Zusammensetzungstiefenprofilen erfolgt praktisch durch den Vergleich gemessener und simulierter Spektren, wobei dies in der jetzigen Fassung des dafür entwickelten Simulationsprogrammes (Thin Film X-Ray Diffraction Absorption Utility; TFXDAU) interaktiv geschieht. Die Eindeutigkeit der Anpassung hängt vom Umfang der a priori zur Verfügung stehenden Eingangsparameter ab. Liegen beispielsweise aufgrund des Wachstumsprozesses Informationen über mögliche Tiefenprofile bereits vor, lassen sich geeignete Modellfunktionen (Diffusionsprofile, Stufenfunktionen etc.) schrittweise durch vergleichende Simulationen anpassen. So gelang es, einen mehrstufigen S-Se-Gradienten des Anionen-Untergitters in einer Cu(In,Ga)(S,Se)2-Schicht detailgenau nachzuweisen. Die Veränderungen, die sich dabei gegenüber dem mit Sekundärionen-Massenspektrometrie gemessenen Tiefenprofil ergaben, ließen sich auf Messartefakte zurückführen, die der Sputterprozess selbst verursacht hat. Ebenso war ein In-Ga-Gradient im Kationen-Untergitter einer Cu(In,Ga)Se2-Schicht mit einer Tiefenauflösung von unter 50nm nachzuweisen. Die Gradierungen erstrecken sich dabei immer über die ganze Schichtdicke. In diesem Sinne erreicht diese Arbeit ihr eigentliches Ziel: die Entwicklung einer Methode, mit der die Tiefenabhängigkeiten der strukturellen Eigenschaften, welche auf das Engste mit den elektronischen Eigenschaften (Verlauf der Bandkanten) in Verbindung stehen, zu bestimmen sind. Als "Nebenprodukt" eignet sich diese Modellierung dazu, die integralen Ga- und S-Gehalte an homogenen Proben bis auf 2% genau zu bestimmen. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Möglichkeiten des Schichtenabsorptionsmodells noch nicht ausgeschöpft sind. Oberflächennahe Zusammensetzungsgradienten zeigen in Beugungsspektren, die unter kleinsten Einfallswinkeln gemessen werden, noch deutliche Auswirkungen. Die Existenz der immer wieder ins Spiel gebrachten Cu-armen Oberflächendefektschicht war mit Hilfe der Modellierung Cu-armer Oberflächen eindeutig nachzuwiesen. Überdies ließ sich ein Zusammenhang zwischen integralem Cu-Gehalt und der mittleren Dicke der Cu-armen Oberflächendefektschicht belegen.