05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Ionenassistierte Deposition von Siliciumschichten(2001) Oberbeck, Lars; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die vorliegende Arbeit untersucht die Wachstumsvorgänge sowie die strukturellen und elektrischen Eigenschaften von Si-Epitaxieschichten aus der ionenassistierten Deposition (IAD). Bei der IAD werden Si-Atome durch einen Elektronenstrahlverdampfer bereitgestellt und in der Gasphase durch Elektronenemission aus einem Glühdraht teilweise ionisiert; der Ionisationsgrad beträgt ca. 1 %. Eine angelegte Spannung beschleunigt diese Si+ Ionen zum Substrat hin. Die Ko-Evaporation von Bor bzw. Phosphor ermöglicht die in-situ Dotierung der Epitaxieschichten zur Herstellung von pn-Übergängen. Die epitaktische Abscheidung von Si mittels IAD ist auf beliebigen Substratorientierungen möglich. Die Defektdichte und die Minoritätsträgerdiffusionslänge hängen aber stark von der Substratorientierung und der Beschleunigungsspannung ab. Dieses Ergebnis ist auf Unterschiede in der Oberflächenrekonstruktion und in den Aktivierungsenergien für atomare Diffusionsprozesse zurückzuführen. Bei der Betrachtung der Wachstumsmechanismen bei der IAD müssen zwei Temperaturbereiche unterschieden werden: Im Temperaturbereich < 400 °C unterstützen interstitielle Atome das epitaktische Wachstum, bei höheren Temperaturen dominiert die direkte Erhöhung der Adatommobilität durch Ionenbeschuß der Wachstumsoberfläche. Die optimale Ionenenergie liegt im Bereich 8 ... 20 eV für (100)-orientierte Epitaxieschichten. Diese Arbeit vertieft wesentlich das Verständnis der Wachstumsvorgänge bei der ionenassistierten Deposition von Si-Epitaxieschichten bei Depositionstemperaturen unterhalb von 650 °C und bietet erstmals eine grundlegende Evaluierung des Potentials von Si-Niedertemperaturepitaxieschichten. Eine umfassende Untersuchung struktureller und elektrischer Eigenschaften der Epitaxieschichten hat zur Herstellung von Schichten mit sehr guten Majoritäts- und Minoritätsträgereigenschaften bei einer Rekord-Depositionsrate von 0,8 µm/min geführt.Item Open Access Mobility and homogeneity effects on the power conversion efficiency of solar cells(2008) Mattheis, Julian; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)The thesis on hand investigates the interplay between detailed radiation balances and charge carrier transport. The first part analyzes the role of limited carrier transport for the efficiency limits of $pn$-junction solar cells. The second part points out the influence of transport on the absorption and emission of light in inhomogeneous semiconductors. By incorporating an integral term that accounts for the repeated internal emission and reabsorption of photons (the so-called photon recycling) into the diffusion equation for the minority carriers, the first part of the thesis develops a self-consistent model that is capable of describing the power conversion efficiencies of existing devices as well as of devices in the radiative recombination limit. It is shown that the classical diode theory without the inclusion of photon recycling produces accurate results only if the minority carrier lifetime is at least ten times smaller than the radiative lifetime. The thesis shows that even in the radiative recombination limit, charge carrier transport is extremely important. The thesis thus presents a universal criterion that needs to be fulfilled by any photovoltaic material in order to obtain high power conversion efficiency. The numerical results are analyzed and compared to an analytical approximation. The thesis applies the developed model to solar cells made of crystalline silicon, amorphous silicon and Cu(In,Ga)Se$_2$ (CIGS). It shows that crystalline silicon solar cells neither have transport problems in the radiative recombination limit nor in existing devices. In Cu(In,Ga)Se$_2$ solar cells, mobilities are at most two orders of magnitude above the critical mobility and guarantee complete carrier collection only close to the radiative limit. The second part of the thesis investigates the role of carrier transport for the absorption and emission of light in semiconductors with band gap fluctuations. The chapter develops an analytical statistical model to describe the absorption and emission spectra of such inhomogeneous semiconductors. Particular emphasis is placed on the role of the length-scale of the band gap fluctuations. As it turns out, the crucial quantity with respect to the emission spectrum is the ratio of the charge carrier transport length and the length-scale of the band gap fluctuations. Both, absorption edge and emission peak are broadened by band gap fluctuations. Comparison with numerical simulations underlines the importance of the fluctuation length in relation to the diffusion length. The model is applied to experimental absorption and photoluminescence data of Cu(In,Ga)Se$_2$ thin films with varying gallium content. The ternary compounds CuInSe$_2$ and CuGaSe$_2$ exhibit the smallest magnitude of fluctuations with standard deviations in the range of $20-40 \meV$. The fact that the quaternary compounds show standard deviations of up to $65 \meV$ points to alloy disorder as one possible source of band gap fluctuations. All observed fluctuations occur on a very small length scale that is at least ten times smaller than the electron diffusion length of approximately $1 \mum$.Item Open Access 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.Item Open Access 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.Item Open Access 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.Item Open Access Laserkristallisation von Silicium(2001) Dassow, Ralf; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die vorliegende Arbeit untersucht die Mechanismen der Laserkristallisation von 50-300 nm dicken Siliciumschichten auf Glas als eine der Basistechnologien zur Herstellung von Aktiv-Matrix-Displays. Zunächst werden die physikalischen Grundlagen der Laserkristallisation sowie die unterschiedlichen Kristallisationsverfahren erläutert. Numerische Simulationen der zeitlichen und räumlichen Temperaturverteilung während des Prozesses dienen dazu, die Einflüsse verschiedener Parameter auf die Kornstruktur und somit auf die elektrischen Eigenschaften von Dünnschichttransistoren zu verstehen. Die durchgeführten Experimente verwenden das Verfahren des sequentiellen lateralen Wachstums, bei dem ein gepulster Laser die Körner einer polykristallinen Siliciumschicht schrittweise lateral verlängert. Mit diesem Prozeß lassen sich defektfreie Körner mit Langen von über 100 µm und Breiten von bis zu 3.5 µm herstellen. Der erstmals verwendete Festkörperlaser zeichnet sich durch seine hohe Repetitionsrate von bis zu 100 kHz aus und ermöglicht dadurch einen sehr schnellen Kristallisationsprozeß.Item Open Access Modeling and characterization of polycrystalline silicon for solar cells and microelectronics(2003) Taretto, Kurt Rodolfo; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)The present work models and characterizes the electronic properties of polycrystalline silicon films and solar cells. The analytical and numerical models provide limiting values of solar cell efficiency that can be reached with polycrystalline silicon. These limit efficiencies are of prime interest for the development of the polycrystalline silicon solar cell technology. The electronic characterization of laser-crystallized silicon films given in this work, provides a complete picture of the electronic transport and recombination parameters, which were unknown up to now. Polycrystalline silicon solar cells show a grain size dependence of the electrical output parameters, regardless of the preparation method. This work develops an analytical model considering the recombination in the space-charge region and in the base of the cell, finding that the open circuit voltage and the short circuit current density are linked by a single parameter, which is the effective diffusion length. Additionally, I develop a second model that relates the effective diffusion length to the short-circuit current density and the optical generation rate. Both models constitute new methods to extract the diffusion length in a solar cell. The model is then utilized to explain the grain size dependence of polycrystalline silicon solar cells output parameters over six orders of magnitude of the grain size. I show that the literature data of 10 % efficient cells with grain sizes as small as 10 nm, is explained by a very low grain boundary recombination velocity between 100 and 1000 cm/s. The origin of such low recombination velocities is proposed in a recent paper, which explains that since all the cells with small grains and high efficiency were reported to have a {220} surface texture, the low recombination velocity could be explained by a large amount of defect-free [110]-tilt grain boundaries. A two-dimensional numerical model developed specifically for pin solar cells with small grain sizes, confirms that the efficient cells made from small-grained films, must have grain boundary recombination velocities in the range of 100-1000 cm/s, in agreement with the predictions of the analytical model. The simulations also set bounds upon the efficiency of microcrystalline solar cells: with a grain size and cell thickness around 1 mm, and a recombination velocity between 100 and 1000 cm/s, an efficiency of 10 % can be reached using a pin structure (as confirmed by the record values found in literature); while a higher limit of 15 % is found for pn cells with highly passivated contacts. The higher efficiency limit found in the pn cells is a consequence of the Shockley-Read-Hall recombination statistics, which yields lower recombination rates at defect levels in the center of the energy gap in a doped material, leading to higher open circuit voltages of the pn cells compared to pin cells. To give a more simple picture of the pin cells modeled numerically, an analytical model for the current/voltage characteristics of the pin cell is developed. Unlike the models shown up to now in the literature, the current/voltage equation of the pin structure developed in this work applies to the whole range of applied voltages between short-circuit and open-circuit conditions. I show that this model also explains many features observed in fine-grained silicon pin solar cells, and establish conceptual bridges between the pin and the pn cell. Thus, this model constitutes a new analytical tool to analyze pin solar cells. The electrical characterizations of laser-crystallized silicon show that the films have p-type conduction, with a strong anisotropy of the conductivity due to the elongated shape of the grains. Hall measurements reveal a hole density between 4x1012 and 4x1013 cm-3, indicating a compensated material, and mobilities between 12 and 120 cm2/Vs. The conductivity of the undoped films lies at 10-4 S/cm at room temperature. The temperature-dependent conductivity reveals a distribution of grain boundary barrier heights, which are about 100 meV high. The carrier density and the barrier heights, imply a minimum defect density at the grain boundaries of 1.6x1010 cm-2. The photoconductivity measurements give a mobility-lifetime product of 2.3x10-5 cm2/V, a value that implies a high electronic quality of the films, which explains the high-quality thin-film transistors obtained with this material. These measurements permit to explain the good quality of laser-crystallized silicon, by means of fundamental electronic parameters of the films. Furthermore, this work demonstrates that the use of laser-crystallized silicon may also be considered for vertical electronic devices, by preparing a test-diode structure made from laser-crystallized silicon prepared on a metallic instead of an insulating layer. The model of the pin cell fits the current/voltage characteristics of the diode with mobility-lifetime products greater than 4x10-6 cm2/V, revealing good electronic quality also in these films. The high electronic quality of laser-crystallized silicon films revealed by the electrical characterizations performed in this work, indicates that the application of this material to minority carrier devices, like bipolar junction transistors or solar cells, should deserve further investigation.Item Open Access 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.Item Open Access 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.Item Open Access Amorphous silicon based solar cells(2007) Al Tarabsheh, Anas; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)This thesis focuses on the deposition of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) films bymeans of plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD). This technique allows the growth of device quality a-Si:H at relatively low deposition temperatures, below 140 °C and, therefore, enables the use of low-cost substrates, e.g. plastic foils. The maximum efficiencies of a-Si:H solar cells in this work are η= 6.8 % at a deposition temperature Tdep = 180 °C and η = 4.9 % at a deposition temperature Tdep = 135 °C. Decreasing the deposition temperature deteriorates the structural and electronic quality of a-Si:H films. Therefore, the deposition conditions are carefully optimized at low temperatures. The mismatch in the mechanical properties of the plastic foils and the inorganic semiconductor layers have less effect on the a-Si:H films at low deposition temperatures. As a result, the deposition temperatures should be decreased to minimize mechanical deterioration of the films but without losing too much of the electronic properties of the films. A novel analytical description of the current density/voltage (J/V) characteristics of p-i-n solar cells well represents experimental J/V curves of a-Si:H solar cells. The extended model solves the continuity and transport equations for electrons and holes, and fully accounts for the contributions of the drift and the diffusion currents. Many analytical models neglect the contribution of the diffusion current in describing the a-Si:H solar cells. Other existing models assume the diffusion lengths of electrons and holes to be equal, resulting in a symmetric distribution of carrier concentrations around the center of the intrinsic layer of the p-i-n solar cells. Both restrictions strongly limit the ability of these analytical models to accurately reproduce the J/V-characteristics of real solar cells. In contrast to existing analytical models, the new analytical description solves the continuity and transport equations of carriers at each location within the i-layer for the whole range of applied voltages. The peculiar extension of this model over previous ones enables a more realistic description of solar cells. My novel analytical model implements i) different values of the diffusion lengths, or mobility-lifetime products, of electrons and holes, and ii) realistic wavelength and depth dependencies of the photogeneration rate of charge carriers. The results of the model demonstrate that the location of the main recombination path of the photogenerated carriers inside the i-layer is voltage dependent, rather than being fixed at the middle of the i-layer as existing models assume. For a realistic description of the solar cell optics in calculating the J/V-characteristics, I fully account for the reflection of photons at the back contact. The model proves that the performance of a-Si:H solar cells which are illuminated through the p-layer is better than the one of cells illuminated through the n-layer. Testing corresponding J/V-characteristics from this model against experimental data of bifacial a-Si:H solar cells with transparent front and backside contacts, reveals that this extended analytical model well describes the output characteristics of real a-Si:H p-i-n solar cells. The model proves that the current collection of bifacial p-i-n solar cells is larger if the light enters through the p-layer because the mobility μn of electrons is larger than the mobility μp of holes. This thesis also investigates the dependence of the electrical and optical properties of a-Si:H films on the deposition conditions, and how those properties are enhanced by optimizing the deposition conditions. I apply the optimized layers to solar cells deposited on glass and on polyethylene terephtalate (PET) substrates. The incorporation of a buffer layer or a microcrystalline layer enhances the performance of the cells.