Siliziumbasierte nanostrukturierte Dünnschichtmaterialien als innovative funktionale Elemente für Solarzellen der nächsten Generation

(SINOVA)

(BMBF-Projekt)

Ziel

SINOVA ist ein Verbundprojekt gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung. Ziel des Projektes ist die Bearbeitung der technologischen Grundlagen zur Realisierung hocheffizienter Dünnschicht-Solarzellen auf Siliziumbasis. Im Fokus stehen vor allem Konzepte, die das Shockley-Queisser Limit für Si-Zellen mit „single junction“ von ca. 33 % überschreiten. Hierfür soll das Potential der Nanotechnologie mit seiner Technologieplattform zur funktionalen Verbesserung von Silizium-basierten Dünnschichtzellen gezielt eingesetzt und transferiert werden. Die Herausforderung für die Forschung im Materialsystem Silizium besteht darin, innovative funktionale Elemente zu schaffen, die die jeweiligen elektronischen und optischen Aufgaben in einer Solarzelle optimal erfüllen. Eine bedeutende Möglichkeit für das physikalische Materialdesign ist die Verwendung von nanostrukturierten Materialkombinationen, so dass (i) die physikalischen Eigenschaften eines solchen Metamaterials entweder eine Mischung aus denen der Einzelmaterialien ist oder (ii) dass im Si-Materialsystem neue physikalische Eigenschaften durch Quanteneffekte in den Nanostrukturen entstehen.

Ergebnis

Es  wurden Verfahren zur Präparation von Si-Nanodots, eingebettet in SiO2, die als Heteroemitter geeignet sind, entwickelt. Es wurden zwei Wege beschritten: (i) Entnetzung von amorphen Si-Schichten, (ii) Entmischung von SiOx-Schichten (0

Es gelang, Si-Nanodots mit Größen bis herunter zu ca. 1nm zu präparieren. Die Festphasenkristallisation findet bei Temperaturen von ca. 600°C statt. Die zu entmischenden SiOx-Schichten wurden mit verschiedenen Verfahren präpariert: thermische Verdampfung, Elektronenstrahlverdampfung, ECR-CVD und PECVD. Es stellte sich heraus, daß die PECVD das geeignetste Verfahren ist, um reproduzierbar die Stöchiometrie der Schichten über einen weiten Bereich einzustellen. Für die Entmischung der Schichten in Si und SiO2 sind Temperaturen von 900°C erforderlich, eine Kristallisation der Nanodots erfolgt bei Temperaturen über 1000°C.

Zur Reduzierung der Grenzflächenzustandsdichten zwischen Nanodot-Schicht und Substrat sind temperaturstabile Tunneloxide erforderlich, die neben guten Passiviereigenschaften auch einen Stromtransport gewährleisten müssen. Diese Anforderungen erfüllen die Plasmaoxide (Oxidation mit neutralem atomarem Sauerstoff). Als optimale Schichtdicke für das Plasmaoxid erwiesen sich ca. 1,5nm. Die durch Entmischung von SiOx hergestellten Nanodot-Schichten wurden sowohl n-, als auch p-dotiert. Durch die dotierten Schichten wird im kristallinen Si-Substrat eine Bandverbiegung von 730mV erzeugt. Desweiteren wurde durch I-U-Messungen an diesen Schichtstrukturen eine impliziertes VOC von 718 mV ermittelt, so daß die Voraussetzungen für eine Hetero-Solarzelle mit Nanodot-Emitter, die eine offene Klemmenspannung von > 700mV hat, erfüllt sind.

Die Beiträge des HZB umfassen zum einen die Präparation von Si/SiO2 Nanodot-Schichten, die als Emitter in Kombination mit einem kristallinen Silizium-Absorber zum Einsatz kommen. Darüber hinaus werden am HZB ultra-dünne Oxide mittels Plasma-Oxidation hergestellt, welche von photogenerierten Ladungsträgern durchtunnelt werden können, eine wichtige Voraussetzung für Ladungsträgertransport in nanostrukturierten Solarzellen.