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Abstract:
Die elektronische Qualität der Grenzfläche zwischen amorphem und kristallinem Silizium ist der entscheidende Baustein von amorph-kristallinen Wafer-Solarzellen mit hohen Wirkungsgraden, die bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden. Drei Eigenschaften der Grenzfläche bestimmen die Energiewandeleffizienz der Silizium-Heteroübergang-Solarzellen: der Sprung (offset) in den Bandkanten a-Si:H und c-Si, Grenzflächen-Defekte und die Band- Verbiegung im c-Si. Diese drei Aspekte bilden den Schwerpunkt dieser Arbeit. Zunächst wird ein analytischesModell entwickelt, das die Band-Verbiegung in c-Si berechnet. Die Zustandsdichte-Verteilung (ZDV) in der a-Si:H Band-Lücke wird als konstant angenommen. Der Einfluss folgender Struktur-Eigenschaften auf die Bandverbiegung wird untersucht: Band-Verschiebung, ZDV im a-Si:H, Grenzflächen-Defekte, etc. Der Effekt des quantenmechanischen Confinements an der Grenzfläche wird diskutiert. Analytische Berechnungen werden mit temperaturabhängigenMessungen der planaren Leitfähigkeit verglichen. Hieraus lassen sich die Sprünge der Valenz- bzw. Leitungsband-Kanten mittels Untersuchungen an (p)a-Si:H/(n)c-Si bzw. (n)a-Si:H/(p)c-Si Strukturen bestimmen: Werte von 0.36 eV bzw. 0.15 eV wurden gemessen. Die Valenzband-Offset ist temperaturunabhängig, während der Leitungsband-Offset den Bandlücken-Variationen folgt. Es wird gefunden, dass der Ladungsneutralpunkt (branch point) in a-Si:H unabhängig von der Dotierung ist. Anschliessend wird das analytische Modell verbessert, um zwei Aspekte der Solarzellen- Struktur besser zu simulieren: den Kontakt mit einem transparenten leitfähigen Oxid und die Anwesenheit einer ultra-dünnen intrinsischen a-Si:H Pufferschicht.Messungen der planaren Leitfähigkeit werden durch Berechnungen der Bandverbiegung mit diesem verbessertenModell ausgewertet. Es wird gezeigt, dass einMittelweg zwischen einer guten Passivierung und einer hohen Band-Verbiegung gesucht werden muss. Das kann durch die Optimierung der Pufferschicht-Eigenschaften (Dicke, Dotierung), des leitfähigen Oxids (hohe Austrittsarbeit) und des (p)a-Si:H Emitters (Dicke und ZDV) bewerkstelligt werden. Insbesondere kann eine hohe Zustandsdichte imEmitter positiv für die Zellen sein. Schließlich wurde eine Präparationsmethode für ultradünne Tunneloxide entwickelt,die für Heteroübergang Solarzellen benutzt wurde. Die c-Si Oberfläche wurde in deionisierten 80 °C warmenWasser oxidiert und darauf mittels PECVD eine dotierte a-Si:H-Schicht deponiert: dadurch wird eine (p)a-Si:H/SiO2/(n)c-Si Struktur hergestellt. Ein Tunnelstrom-Modell wurde entwickelt, in der Simulations-Software AFORS-HET implementiert und benutzt, um den Einfluss einer Grenzflächen-Barriere auf den Stromtransport in Solarzellen zu bestimmen. Für dicke und hohe Barrieren wird der Strom drastisch reduziert. Allerdings hat das Oxid keinen negativen Einfluss auf das optische Verhalten. Experimentell wird gefunden, dass oxidierte Proben eine bessere Passivierungs-Qualität zeigen als Proben ohne Pufferschicht. Dieser Befund wird durch eine höhere negative Festladung erklärt. In den oxidierten Proben ist die Band-Verbiegung höher als in Proben mit einer (i)a-Si:H Pufferschicht. Solarzellen wiesen nach, dass das neue Konzept das Potenzial hat, hohe Wirkungsgrade zu erreichen: bei un-optimierten Proben wurde eine Leerlauf-Spannung vonmehr als 650 mV gezeigt, der Füllfaktor der Zellen zeigt, dass das Oxid keine Barriere für den Ladungstransport bildet.