Flüssigphasenkristallisation LPC
Bei der Flüssigphasenkristallisation (engl. liquid phase crystallization - LPC) wird das Silizium nanokristallin auf Glassubstrate abgeschieden und anschließend mit Hilfe einer linienförmigen Energiequelle kristallisiert. Dafür scannt ein Laserstrahl mit einer Geschwindigkeit von 3 mm/s über die Probe und schmilzt das Silizium lokal. Bereits re-kristallisierte Bereiche dienen beim Verfahren des Lasers als Saatkristalle, sodass das Silizium polykristallin aus der Schmelze in Körner mit bis zu einigen Zentimetern Länge und einigen Millimetern Breite. Mit dieser Technik kann nicht nur eine multi-kristallinen Silizium-Wafer-Solarzellen ähnliche Morphologie erreicht werden, sondern auch ähnlich hohe offene Klemmspannungen [1,2].
Wenn zur Erhöhung des Lichteinfangs texturierte Glassubstrate verwendet werden, wächst das Silizium so auf den Texturen auf, dass die Struktur auch auf der Rückseite erhalten bleibt. Wird während der Flüssigphasenkristallisation die Rückseitentextur mit einer dünnen Schicht aus Siliziumoxid geschützt, bleibt die Textur trotz des Schmelzvorgangs erhalten und man erhält eine Doppelseitentextur, die sowohl die Lichteinkopplung an der Vorderseite als auch den Lichteinfang an der Rückseite der Solarzelle erhöht [3,4].
Doppelseitig texturierte flüssigphasenkristallisierte Silizium-Dünnschichten (poly-Si) auf einer rechteckig angeordneten Textur mit 2 µm Periode. (a) Schematische Darstellung während des Flüssigphasenkristallisierens. (b) Rasterelektronenmikroskopaufnahme im Querschnitt, hier mit einer 6 µm dicken Siliziumschicht.
Die Herausforderung besteht darin, die hohe elektronische Materialqualität des flüssigphasenkristallisierten Siliziums beizubehalten, obwohl das Silizium auf den rauen Substraten gewachsen wird. Hier gilt es, einen optimalen Kompromiss zu finden, um die Solarzelleneffizienz zu steigern [5–7].
Photographie einer doppelseitig texturierten flüssigphasenkristallisierten Silizium-Dünnschichtsolarzelle und Rasterelektronenmikroskopaufnahme der zugrunde liegenden hexagonal angeordneten sinusförmigen Textur mit einer Periode von 750 nm. Auf Grund der Texturierung wird der Lichtweg in der Solarzelle verändert und die Proben schimmern bunt bei schrägem Lichteinfall.
Literatur
- [1] J. Haschke, D. Amkreutz, L. Korte, F. Ruske, and B. Rech, “Towards wafer quality crystalline silicon thin-film solar cells on glass,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 128, pp. 190–197, 2014.
- [2] C. Thi Trinh, N. Preissler, P. Sonntag, M. Muske, K. Jäger, M. Trahms, R. Schlatmann, B. Rech, and D. Amkreutz, “Potential of Interdigitated Back-Contact Silicon Heterojunction Solar Cells for LIquid Phase Crystallized Silicon on Glass with Efficiency above 14 %,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 174, no. June 2017, pp. 187–195, 2017.
- [3] C. Becker, D. Amkreutz, T. Sontheimer, V. Preidel, D. Lockau, J. Haschke, L. Jogschies, C. Klimm, J. J. Merkel, P. Plocica, S. Steffens, and B. Rech, “Polycrystalline silicon thin-film solar cells: Status and perspectives,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 119, pp. 112–123, Dec. 2013.
- [4] C. Becker, V. Preidel, D. Amkreutz, J. Haschke, and B. Rech, “Double-side textured liquid phase crystallized silicon thin-film solar cells on imprinted glass,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 135, pp. 2–7, Apr. 2015.
- [5] V. Preidel, D. Amkreutz, J. Haschke, M. Wollgarten, B. Rech, and C. Becker, “Balance of optical, structural, and electrical properties of textured liquid phase crystallized Si solar cells,” J. Appl. Phys., vol. 117, no. 22, p. 225306, Jun. 2015.
- [6] G. Köppel, B. Rech, and C. Becker, “Sinusoidal nanotextures for light management in silicon thin-film solar cells,” Nanoscale, vol. 8, no. 16, pp. 8722–8728, 2016.
- [7] D. Eisenhauer, G. Köppel, K. Jäger, D. Chen, O. Shargaieva, P. Sonntag, D. Amkreutz, B. Rech, and C. Becker, “Smooth anti-reflective three-dimensional textures for liquid phase crystallized silicon thin-film solar cells on glass,” Sci. Rep., vol. 7, no. 1, p. 2658, Dec. 2017.
