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Thermische Nachbehandlung von aluminiumdotiertem Zinkoxid und die Silizium/Zinkoxid-Grenzfläche
Wimmer, Mark
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der thermischen Nachbehandlung von aluminiumdotiertem Zinkoxid (ZnO:Al) unter Siliziumdeckschichten. Die Untersuchung ist einerseits dadurch motiviert, dass das entsprechende Schichtsystem in polykristallinen Siliziumdünnschichtsolarzellen auftritt, welche bei ihrer Prozessierung thermische Behandlungen durchlaufen, desweiteren können thermische Nachbehandlungen die elektrischen und optischen Eigenschaften von ZnO:Al, welches allgemein als transparentes und leitfähiges Oxid Anwendung findet, verändern und verbessern. Die Untersuchung fokussiert zunächst auf die Fragestellung, welche Veränderungen in den Volumeneigenschaften der thermisch nachbehandelten ZnO:Al-Schichten auftreten und analysiert diese insbesondere durch elektrische Transportmessungen, Spektrophotometrie und Röntgenbeugung. Darüber hinaus wird die vergrabene Silizium/Zinkoxid (Si/ZnO)-Grenzfläche methodisch aufwendig durch Photolektronenspektroskopie mit harten Röntgenstrahlen an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II untersucht. Es wird gezeigt, dass die elektrischen und optischen Eigenschaften von ZnO:Al durch thermische Nachbehandlungen deutlich verbessert werden können. Hierbei hervorzuheben ist eine deutliche Erhöhung der Mobilität der Ladungsträger, wie sie insbesondere durch elektrische Transportmessungen aber auch in optischen Messungen durch eine verringerte Absorption nachgewiesen werden kann. Die Erhöhung der Mobilität ist wesentlich auf eine thermisch induzierte Absenkung der Defektdichte an den Korngrenzen des polykristallinen ZnO:Al zurückzuführen. Ergänzend kann auf eine Erhöhung der Mobilität in den Kristalliten des Materials geschlossen werden, die z.B. durch das Ausheilen neutraler Defekte bedingt sein kann. Die thermische Nachbehandlung zur Verbesserung der elektrischen und optischen Eigenschaften kann auch auf industriell hergestelltes und großflächig abgeschiedenes ZnO:Al auf Floatglas übertragen werden. Mehrstufige thermische Nachbehandlungen erlauben innerhalb gewisser Grenzen eine gezielte Variation der elektrischen und optischen Eigenschaften. Die Analyse der Si/ZnO-Grenzfläche lässt auf eine thermisch induzierte Oxidation des Siliziums an der Grenzfläche schließen. Darüber hinaus ist eine Anreicherung von Zink und Aluminium im Silizium in der Nähe der Grenzfläche feststellbar. Der Vergleich verschiedener Heizprozesse gibt Hinweise darauf, dass der Kristallisations-prozess des Siliziums auf dem ZnO:Al eine Anreicherung von Zink im Silizium über den Einfluss einer rein thermischen Behandlung hinaus begünstigt. Während die Nutzung von ZnO:Al in polykristallinen Siliziumdünnschichtsolarzellen aufgrund der Verbesserung seiner Eigenschaften bei thermischer Behandlung grundsätzlich anzustreben ist, müssen die thermisch induzierten Veränderungen an der Si/ZnO-Grenzfläche bei der weiteren Optimierung des Bauteils miteinbezogen werden.
In the present study thermal post-deposition treatments of aluminum-doped zinc oxide (ZnO:Al) under protective silicon layers are investigated. On the one hand the study is motivated by the fact that such a layer stack is part of polycrystalline silicon solar cells which undergo thermal treatments during their processing, on the other hand thermal post-deposition treatments can influence the electrical and optical properties of ZnO:Al itself as a transparent and conductive oxide. First, the investigation focuses on changes of ZnO:Al bulk properties induced by thermal post-deposition treatments. Methods used for characterisation include electrical transport measurements, spectrophotometry and x-ray diffraction. Furthermore the buried silicon/zinc oxide (Si/ZnO) interface is analysed by hard x-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) using the synchrotron facility BESSY II. It is shown that thermal post-deposition treatments can improve the electrical and optical properties of ZnO:Al significantly. Thereby the increase of the mobility of the free charge carriers has to be highlighted. This increase can be observed by electrical transport measurements and is accompanied by a decrease in the absorption of the films as well. The increase of the mobility can be explained by a thermally induced decrease of the defect density at the grain boundaries of the film. Additionally an increased free carrier mobility in the grain interior is found, which could be caused by healing of neutral defects. By adjusting temperature and time, thermal post-deposition treatments can be applied to ZnO:Al films which are deposited by an industrial sputter coater on large float-glass substrates as well. Two-stage heating processes allow for a specific variation of the electrical and optical properties of ZnO:Al films within certain limits. The analysis of the Si/ZnO interface reveals a thermally induced oxidation of the silicon at the interface. Furthermore, an accumulation of zinc and aluminum in the silicon near the Si/ZnO interface was observed. Comparing different heating procedures the results suggest that the crystallisation process of the silicon on ZnO:Al itself enhances the enrichment of zinc in the silicon beside the influence of the mere thermal treatment. While the potential of the implementation of ZnO:Al in polycrystalline silicon solar cells is generally emphasized by its improving properties upon thermal treatments, the chemical changes at the Si/ZnO interface need to be considered for further device optimization.
