Transfersolarzellen aus monokristallinem Dünnschichtsilicium

Abstract

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.

This work focuses on the technology for the transfer of thin, epitaxial monocrystalline Si films for device applications. The driving force for this development is the supply of high-quality absorbers for efficient thin-film solar cells on glass at low cost. The process combines the advantages of the material saving thin-film technology with the high efficiency potential of monocrystalline Si solar cells. The technology bases on a cycle process that grows a transferable monocrystalline thin-film by epitaxy on a monocrystalline Si host wafer. In the grown thin film, devices such as solar cells are produced and subsequently transferred to a foreign substrate such as glass. Therefore the wafer can, in principle, be reused for further process cycles. Electrochemically etched porous Si forms during a high temperature annealing a monocrystalline film with voids that remain in the material. In cross section, this Si material looks like a “Swiss cheese” and we called it “quasi-monocrystalline silicon” or QMS. The morphology of the QMS is controlled by the etching-process conditions and by the choice of the doping of the starting wafer. A boron doping in the range of NA = 10^17 cm-3 leads to a high porosity and after the crystallisation process to tube-type voids with a typical size of d = 1 .. 2 µm. At a doping level of NA = 10^19 cm-3 the porosity is in the range of P = 20 % at an etching current density of JÄtz = 12 mA cm-2, the crystallisation process forms voids with a size of d = 50 ... 100 nm. The voids have, dependent on their size (111)- and rounded (100)-facets as revealed by high resolution transmission electron microscopy. In the case of larger voids, one finds beside (111)- and (100)-facets also higher indexed ones. The system of a buried layer with a high porosity underneath a layer with a low porosity transforms after high temperature annealing into a quasi-monocrystalline film on a mechanically weak so called “separation layer”. The quasi-monocrystalline top layer serves as a seed for the subsequent growth of a monocrystalline epitaxial film by high-temperature chemical vapor deposition. The epitaxial film has a density of extended defects ndef of less than 103 cm-2. This low defect density results in a solar cell efficiency up to eta = 15.3% of solar cells produced with these epitaxial films, that is the highest efficiency obtained by solar cells based on a crystalline Si thin-film on glass. These cells have an absorber thickness of 21.5 µm, a 1.5 µm thick epitaxial back surface field and a 1.5 µm thick QMS film, and are illuminated through a glass superstrate. A new module technology enables a simple series interconnection via self aligning oblique deposition of a conducting material. First mini-modules consisting of two interconnected Si-transfer solar cells manufactured with the new process have a fill factor of up to FF = 75.3 % and an open circuit voltage of up to V0C = 1169 mV. This novel technology is not only suitable for transfer solar cells but can also be used for a series interconnection of Cu(InGa)Se2 based solar cells. This work deepens the understanding of the crystallisation of porous Si, and offers an evaluation of the potential of transferable, monocrystalline silicon thin films. A comprehensive study of the structural and technological possibilities results in a process for the manufacturing of thin film Si solar cells with a conversion efficiency comparable with 20 times thicker solar cells of today’s production lines.