05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access a-Si:H/c-Si heterojunction front- and back contacts for silicon solar cells with p-type base(2010) Rostan, Philipp Johannes; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)This thesis reports on low temperature amorphous silicon back and front contacts for high-efficiency crystalline silicon solar cells with a p-type base. The back contact uses a sequence of intrinsic amorphous (i-a-Si:H) and boron doped microcrystalline (p-μc-Si:H) silicon layers fabricated by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) and a magnetron sputtered ZnO:Al layer. The back contact is finished by evaporating Al onto the ZnO:Al and altogether prepared at a maximum temperature of 220 °C. Analysis of the electronic transport of mobile charge carriers at the back contact shows that the two high-efficiency requirements low back contact series resistance and high quality c-Si surface passivation are in strong contradiction to each other, thus difficult to achieve at the same time. The preparation of resistance- and effective lifetime samples allows one to investigate both requirements independently. Analysis of the majority charge carrier transport on complete Al/ZnO:Al/a-Si:H/c-Si back contact structures derives the resistive properties. Measurements of the effective minority carrier lifetime on a-Si:H coated wafers determines the back contact surface passivation quality. Both high-efficiency solar cell requirements together are analyzed in complete photovoltaic devices where the back contact series resistance mainly affects the fill factor and the back contact passivation quality mainly affects the open circuit voltage. The best cell equipped with a diffused emitter with random texture and a full-area a-Si:H/c-Si back contact has an independently confirmed efficiency η = 21.0 % with an open circuit voltage Voc = 681 mV and a fill factor FF = 78.7 % on an area of 1 cm². An alternative concept that uses a simplified a-Si:H layer sequence combined with Al-point contacts yields a confirmed efficiency η = 19.3 % with an open circuit voltage Voc = 655 mV and a fill factor FF = 79.5 % on an area of 2 cm². Analysis of the internal quantum efficiency shows that both types of back contacts lead to effective diffusion lengths in excess of 600 μm. An extended fill factor analysis shows that fill factor limitations for the full-area a-Si:H/c-Si contacts result from non-ideal diode behavior, ascribed to the injection dependence of the heterojunction interface recombination velocity. Analysis of the external quantum efficiency under back side illumination with different bias light intensities delivers the effective surface recombination Seff(Φ) in dependance of the illumination intensity Φ. The front contact (emitter) uses a sequence of intrinsic and phosphorous doped amorphous silicon layers together with a ZnO:Al or a SnO2:In layer and an Al front contact grid. The emitter is prepared at a maximum temperature of 220 °C. Measurements of the minority carrier lifetime on symmetric i/n-a-Si:H coated wafers judge the emitter passivation quality. The best solar cells that use a thermal oxide back side passivation with Al-point contacts and flat a-Si:H emitters have open circuit voltages up to 683 mV and efficiencies up to 17.4 %. The efficiency of such devices is limited by a low short circuit current due to the flat front side. Using the same back contact structure with random pyramid textured wafer front sides and a-Si:H emitters yields open circuit voltages up to 660 mV and efficiencies up to 18.5 %, sofar limited by a relatively low fill factor FF ≤ 74.3 %. Analysis of the external quantum efficiency underlines the excellent surface passivation properties of the amorphous emitter. Combining both, amorphous front- and back contacts yields p-type heterojunction solar cells completely fabricated at temperatures below 220 °C. The best devices reach an open circuit voltage Voc = 678 mV and an efficiency η = 18.1 % with random textured wafers, limited by low fill factors FF ∼ 75 %. Besides the cell fabrication and characterization, this thesis reveals that the inherent a-Si:H/c-Si band offset distribution with a low conduction band offset and a large valence band offset is disadvantageous for p-c-Si heterojuntion solar cells if compared to their n-c-Si counterparts. A calculation of the saturation current densities of the cell's emitter, bulk and back contact demonstrates that the n-a-Si:H/p-c-Si emitter suffers from a low built-in potential. Modelling of the back contact based on the charge carrier transport equations shows that the insertion of an i-a-Si:H layer with a thickness d ≥ 3 nm (that is mandatory for a high surface passivation quality) leads to a series resistance that is critical for usage in a solar cell. The model mainly ascribes the high back contact resistance to the large valence band offset at the heterojunction.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 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 Hot-Wire Gasphasenabscheidung von nanokristallinem Silicium und Silicium-Germanium(2003) Brühne, Kai; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Abscheidung von nanokristallinem Silicium (nc-Si) und nanokristallinem Silicium-Germanium (nc-SiGe) mit Hilfe der Hot-Wire Gasphasenabscheidung (HW-CVD). Das Ziel ist ein besseres Verständnis der physikalischen Schichteigenschaften. Im Gegensatz zur Abscheidung von amorphem Silicium (a-Si:H) durch HW-CVD ist die An-wendung von HW-CVD bei der Herstellung der oben genannten Materialien nur wenig (nc-Si) bzw. bisher noch gar nicht (nc-SiGe) untersucht worden. Die Herstellung von nanokristallinem Silicium-Germanium erfolgt gewöhnlich durch eine Plasma-unterstützter Gasphasenabscheidung einer amorphen SiGe-Dünnschicht und anschließende Kris-tallisation. Diese Arbeit stellt erstmalig die direkte Abscheidung von nc-SiGe mittels HW-CVD vor. Die direkte Abscheidung spart den Hochtemperaturschritt der Kristallisation ein und erweitert dadurch das Spektrum der einsetzbaren Substratmaterialien hin-sichtlich ihrer Temperaturstabilität. Thermokraftmessungen zeigen, dass der Seebeck-Koeffizient der dotierten nc-SiGe-Schichten mit Größen zwischen 200 und 250 µV/K den Literaturwerten entspricht und damit für thermoelektrische Anwendungen geeignet ist. Nanokristalline Siliciumproben zeigen gewöhnlich eine breite Photolumineszenz-Emis-sionslinie in der Region zwischen 0.9 und 1.0 eV. Die Ursache dieses Peaks ist in der Li-teratur bisher noch nicht geklärt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass diese Photolumineszenz analog zu der von a-Si:H zwischen 1.2 und 1.4 eV durch Rekombination zwischen den Bandausläuferzuständen entsteht. Sauerstoff ist in kristallinen Siliciumschichten eine gefürchtete Verunreinigung, da dieser Korngrenzen elektrisch aktiviert und dadurch den elektrischen Ladungsträgertransport verschlechtert. In der Literatur beschriebene mit Hot-Wire CVD hergestellte, na-nokristalline Siliciumschichten weisen hohe Sauerstoffkonzentrationen von 10^20 cm-3 auf, deren Ursache bislang nicht geklärt ist. Mit Hilfe von Deckschichtexperimenten gelingt in dieser Arbeit der Nachweis, dass der Sauerstoff erst nach der Deposition in die Schicht eindiffundiert. Eine Abschätzung der Größenordnung der Diffusionskonstante zeigt, dass die Eindiffusion nur durch schnelle Diffusion in porösen Hohlräumen erfolgen kann. Die Textur nanokristalliner Dünnschichten bestimmt die Schichtqualität. So weisen Solarzellen mit einer <110>-Textur die höchsten Wirkungsgrade auf. In dieser Arbeit konnten erstmals unter Verwendung neuartiger Graphit-Drähte anstelle der sonst verwen-deten Tantal- oder Wolfram-Drähte Dünnschichten mit einer reinen <110>-Orientierung abgeschieden werden. Diese Schichten zeichnen sich durch eine Schichtstruk-tur aus, die die Eindiffusion von Sauerstoff nach der Deposition verhindert und daher, verglichen mit anderen nc-Si Schichten, zu geringen Sauerstoffkonzentrationen von 3x10^18 cm-3 führt.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 Optimierung von driftbestimmten Solarzellen aus amorphem und nanokristallinem Silizium(2000) Brummack, Hanna; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung, Optimierung und Untersuchung von Dünnschichtsolarzellen aus amorphem und nanokristallinem Silizium, wobei Motivation und Perspektive die Kombination beider Materialien in einer Tandemstruktur mit möglichst hohem stabilisierten Wirkungsgrad ist. Im Bereich des amorphen Siliziums liegt der Schwerpunkt auf der Erhöhung des stabilisierten Wirkungsgrads durch Optimierung sowohl der Herstellparameter als auch der Schichtstruktur der Solarzellen. Bei den nanokristallinen Solarzellen, deren Technologie wesentlich jünger ist, ist durch die eingehende Charakterisierung der Solarzellenstrukturen eine deutliche Verbesserung der Solarzelleneigenschaften möglich geworden.Item Open Access Einfluss von Protonen- und Elektronenbestrahlungen auf die photovoltaischen Parameter von Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen(2004) Weinert, Kristin; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen von Elektronen- und Protonenbestrahlung auf die elektrischen Eigenschaften von Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen. Die Schwerpunkte liegen dabei in Bestrahlungsexperimenten mit Elektronen der Energie 1 und 3 MeV und mit Protonen der Energie 110, 210 und 290 keV. Den experimentellen Untersuchungen geht eine theoretische Berechnung der zu erwartenden Strahlenschäden voraus. Die theoretische Beschreibung von Strahlenschäden durch hochenergetische Elektronen in Cu(In,Ga)Se2 verlangt eine Unterscheidung in eine primäre, direkt durch eingestrahlte Elektronen verursachte und in eine, durch primär verlagerte Atome bewirkte, sekundäre Schädigung. Die Berechnung der Verlagerungsraten, welche die Anzahl der von den Gitterplätzen entfernten Atome der Cu(In,Ga)Se2-Schicht definieren, erfolgt für die Elektronenbestrahlung durch Anwendung eines analytischen Modells, das die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Festkörperatomen beschreibt. Ausgehend von den primären Verlagerungsraten lässt sich mit Hilfe eines Monte-Carlo-Programmes die Auswirkung der verlagerten Atome auf das umgebende Cu(In,Ga)Se2-Material untersuchen und damit die Gesamtverlagerungsrate im Cu(In,Ga)Se2 durch hochenergetischen Elektronen bestimmen. Die theoretische Verlagerungsrate beträgt für die Bestrahlung mit 1-MeV-Elektronen etwa 10 cm-1 und für die 3-MeV-Elektronenbestrahlung etwa 50 cm-1. Neben der durch die Elektronenbestrahlung verursachten Verlagerungsraten von Atomen im Cu(In,Ga)Se2 liefert das Monte-Carlo-Programm auch Informationen über die räumliche Verteilung von Vakanzen, die durch einen primären Treffer eines Elektrons an einem Atom im Cu(In,Ga)Se2 erzeugt wurden. Die Untersuchung dieser räumlichen Verteilung zeigt, dass ein primärer Treffer eines Elektrons durch den sekundären Verlagerungseffekt eine Vielzahl von Verlagerungen in einer eng lokalisierten Umgebung des primären Treffers verursachen kann. Die lokale Dichte dieser Verlagerungen ist so groß, das eine Interaktion der erzeugten Punktdefekte und damit die Bildung von Defektkomplexen, die aus mehreren Punktdefekten bestehen, sehr wahrscheinlich wird. Die in den Bestrahlungsexperimenten bestimmten Generationsraten für tiefe Defekte korrelieren nicht mit den theoretischen Verlagerungsraten, sondern mit den abgeschätzten Generationsraten für Defektkomplexe. Die Untersuchung der Auswirkungen von Protonenbestrahlungen auf Cu(In,Ga)Se2 erfolgt ebenfalls mit dem Monte-Carlo-Programm. Die in den Bestrahlungsexperimenten gewählten Protonenenergien verursachen theoretisch unter der Voraussetzung eines senkrechten Einfalls der Protonen eine maximale Verlagerungsrate in unterschiedlichen Tiefen des Cu(In,Ga)Se2-Absorbers: Die Bestrahlung mit 110-keV-Protonen schädigt vor allem eine Schicht des Cu(In,Ga)Se2-Absorbers, die sich unmittelbar an der Grenzfläche zum CdS befindet, während die Bestrahlung mit 210-keV-Protonen eher in der Mitte der Cu(In,Ga)Se2-Schicht und die Bestrahlung mit 290-keV-Protonen im Bereich des Rückkontakts die größte Schädigung verursacht. Aus der Gesamtzahl der in der Cu(In,Ga)Se2-Schicht erzeugten Vakanzen lassen sich die Verlagerungsraten für die Protonenbestrahlungen bestimmen. Die theoretischen Verlagerungsraten betragen 86000 cm-1 für die Bestrahlung mit 110-keV-Protonen, 119000 cm-1 für die 210-keV-Protonenbestrahlung und 143000 cm-1 für die 290-keV-Protonenbestrahlung. Die Betrachtung der räumlichen Verteilung der durch ein einzelnes Proton verursachten Verlagerungen zeigt, dass der sekundäre Verlagerungseffekt im noch viel stärkeren Maße als für die Elektronenbestrahlungen lokal begrenzte Gebiete mit einer sehr hohen Defektdichte erzeugt. Damit erscheint eine Wechselwirkung dieser Defekte und die Bildung von Defektkomplexen als sehr wahrscheinlich. Die durch die Protonenbestrahlung gebildeten Defektkomplexe können somit der Ursprung der in den Bestrahlungsexperimenten elektrisch gemessenen Störstellen sein.Item Open Access Boron partitioning coefficient above unity in laser crystallized silicon(2017) Lill, Patrick C.; Dahlinger, Morris; Köhler, Jürgen R.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 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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