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Synthetisierung und Charakterisierung von Si/SiO2-Nanostrukturen als Hetero-Emitter für siliziumbasierte Solarzellen
Roczen López, Maurizio José
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthetisierung und Charakterisierung nanostrukturierter Schichtsysteme mit dem Ziel, einen Si/SiO2-Nanodot-Hetero-Emitter (Si/SiO2-ND-HE) zu konstruieren, der als funktionale Schicht in einer siliziumbasierten Solarzelle integriert werden kann. Der Si/SiO2-ND-HE besteht aus kristallinen Si (c-Si) -Nanodots, die von einer SiO2-Matrix umgeben sind. Gegenüber einem konventionellen Emitter aus amorphen Si (a-Si) oder c-Si ermöglicht der Si/SiO2-ND-HE höhere Bandoffsets sowie eine verringerte parasitäre Lichtabsorption. Insbesondere besitzt der Si/SiO2-ND-HE das Potential, Quanteneffekte zur Effizienzsteigerung nutzbar zu machen. Voraussetzung für den Einsatz des Si/SiO2-ND-HE in einer Si-Solarzelle ist die Gewährleistung der Passivierung des angrenzenden c-Si-Absorbers und der Induktion einer Bandverbiegung durch dotierte Si-Nanodots. Zusätzlich dazu muss ein Stromtransport durch den Emitter ermöglicht werden. Diese Bedingungen erfordern eine präzise Kontrolle über das Wachstum der Si-Nanodots und der SiO2-Matrix. Zu diesem Zweck werden in dieser Arbeit zwei verschiedene Methoden zur Herstellung des Si/SiO2-ND-HE untersucht: (i) die Entnetzung dünner a-Si-Schichten in Kombination mit einer plasmaunterstützten Oxidation (Plasmaoxidation) und (ii) die Entmischung von nicht-stöchiometrischen SiOx-Schichten. Die Arbeit beinhaltet umfangreiche systematische Untersuchungen der physikalischen Eigenschaften der Si-Nanodots und der SiO2-Matrix. Dies ermöglicht fundierte Aussagen über deren strukturelle Eigenschaften zu treffen, sowie die Passivierungsmechanismen und den Ladungsträgertransport zu analysieren. In der vorliegenden Arbeit wird die Entnetzung erstmalig auf oxidierte c-Si-Wafern mit einem ultradünnen Oxid (< 2 nm) durchgeführt. In Kombination mit der Plasmaoxidation wird ein neues Konzept für die Herstellung eines Si/SiO2-ND-HE entwickelt, das eine genaue Kontrolle des Nanodot-Wachstums und der Bildung der SiO2-Matrix ermöglicht. Mit dieser Methode ist es möglich, c-Si-Nanodots mit hoher Dichte und Inter-Dot-Abständen < 2 nm bei 600 °C herzustellen. Dies führt zu einer Erhöhung des Ladungsträgertransports durch den Emitter und ermöglicht eine temperatur- und prozessstabile Passivierung. Im direkten Vergleich zur etablierten Entmischungsmethode stellt die Entnetzungsmethode bezüglich der Kontrolle über die Dichte und Größe der Si-Nanodots, der Qualität der Passivierung und dem Stromtransport einen deutlichen Fortschritt dar. Für die Entmischungsmethode wird in dieser Arbeit erstmals gezeigt, dass durch n- und p- dotierte SiOx-Schichten mit O/Si < 0,4 in einem c-Si-Wafer eine Bandverbiegung von über 700 meV induziert. Diese bliebt auch nach dem Entmischungsprozess vorhanden. Die n-dotierten SiOx-Schichten werden erstmalig in dieser Arbeit als Heteroemitter in einer polykristallinen Si-Dünnschichtzelle implementiert. Es wird gezeigt, dass bereits in einfachen, nicht-optimierten Teststrukturen Leerlaufspannung von 400 mV möglich sind. Die SiOx-Schichten schützen zudem eine darunter liegende ZnO:Al Schicht vor einer thermischen Degradation. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse liefern wesentliche Beiträge zum modernen Forschungsfeld der Si-Nanophotovoltaik und eröffnen neue Methoden in der Herstellung eines nanostrukturierten Si/SiO2-Hetero-Emitters.
In the present study the fabrication and characterization of nanostructured multilayer systems are investigated in order to construct a Si/SiO2-nanodot-hetero-emitter (Si/SiO2-ND-HE) which can be integrated as a functional layer in silicon-based solar cells. The Si/SiO2-ND-HE consists of crystalline Si (c-Si) nanodots surrounded by a SiO2-matrix. Compared with conventional emitters consisting of amorphous Si (a-Si) or c-Si, the Si/SiO2-ND-HE offers higher band offsets and lower parasitic light absorption. In addition the Si/SiO2-ND-HE holds the potential to improve conversion efficiency by exploiting quantum effects. A prerequisite for the integration of a Si/SiO2-ND-HE in a Si solar cell device is to ensure the passivation of the adjacent c-Si-absorber and the induction of a band bending by doped Si nanodots. In addition, the charge carrier transport through the emitter has to be provided. In order to fulfill these conditions a precise control over the growth process of the Si-nanodots and the SiO2-matrix is required. This study examines two different methods to produce a Si/SiO2-ND-HE: (i) the dewetting of thin a-Si-layers in combination with a plasma-assisted oxidation (plasma oxidation) and (ii) the decomposition of non-stoichiometric SiOx-layers. This work contains systematic studies of the physical properties of Si-nanodots and the surrounding SiO2-matrix and provide founded analysis on their structural properties as well as the passivation mechanisms and the charge carrier transport. In the present study the dewetting is performed for the first time onto oxidized c-Si wafers with an ultra-thin oxide (< 2nm). In combination with the plasma oxidation process a new concept for producing a Si/SiO2-ND-HE is developed which allows a precise control of the Si-nanodot growth and the formation of the SiO2-matrix. By this new method a high density of c-Si nanodots with short inter-dot distances (< 2 nm) at a process temperature of 600 °C can be obtained. This leads to an increment of the charge carrier transport through the Si/SiO2-ND-HE and allows the fabrication of temperature- and process-stable passivation layers. In comparison to the more established decomposition method, the dewetting technique is superior in terms of controlling the density and size of Si-nanodots, the quality of the substrate passivation and the current transport through the emitter itself. For the decomposition technique, a band bending of more than 700 meV induced by n- and p-doped SiOx-films with O/Si < 0.4 onto c-Si Wafers is presented. This high band bending remains the same even after the decomposition of the films. The n-doped SiOx-films are integrated for the first time as Si/SiO2-ND-HE in a polycrystalline Si thin film solar cell. For an unoptimized test structure an open-circuit voltage above 400 mV is presented. In addition, the SiOx-films protect an underlying ZnO:Al layer from thermal degradation. The results obtained in this work make significant contributions to the modern research field of Si nano-photovoltaics and show new ways for the fabrication of a nanostructured Si/SiO2-hetero-emitter.
