Untersuchung neuartiger SiNx-Antireflexschichten für Siliziumsolarzellen

Abstract

Antireflexbeschichtungen (ARCs) auf Solarzellen werden eingesetzt um deren Wirkungsgrad zu verbessern. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit ARCs aus wasserstoffhaltigem Siliziumnitrid (SiNx:H), welche mit plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD) auf multikristallinem Silizium erzeugt wurden. Es wurden zahlreiche Einstellungen der Beschichtungsanlage getestet, Einschichtsysteme und Zweischichtsysteme. Die so entstandenen Schichten wurden im Spektrometer, im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) und teilweise auch mit electron energy loss spectroscopy (EELS) untersucht. Die aufgenommenen Reflexionsspektren wurden im Programm Film Wizard mit theoretischen Kurven verglichen, um die Schichtzusammensetzungen zu bestimmen. Um die Oberflächenpassivierung durch diese Schichten zu charakterisieren, wurden auch Messungen der Ladungsträgerlebensdauer durchgeführt. Dazu wurden jeweils die Werte vor- und nach dem "Kontaktfeuern" (einem Heißtemperaturschritt im Produktionsprozess) verglichen. Abschließend wurde theoretisch analysiert und berechnet, mit welchen der erzeugbaren Schichten und Schichtsystemen bei realen Einstrahlungsbedingungen die meisten einfallenden Photonen genützt werden könnten.<br />Es zeigte sich, dass die Schichtdickenbestimmung im TEM sehr gut funktioniert, wenngleich die zusätzlichen EELS Untersuchungen keine physikalisch sinnvollen N/Si Verhältnisse ergaben. Die Ergebnisse zeigten weiters, dass die Bestimmung der Schichtzusammensetzungen über das Reflexionsspektrum teilweise problematisch ist, da die tatsächlichen Kurven nicht immer vollständig erklärt werden können. Eine Umrechnung der so bestimmten Werte auf ein N/Si Verhältnis gestaltete sich noch schwieriger, da die Literatur sich beim Zusammenhang zwischen Brechungsindex und N/Si Verhältnis nicht einig ist.<br />Was die Messung der Ladungsträgerlebensdauer betrifft, so konnte gezeigt werden, dass stickstoffreichere Schichten tendenziell unempfindlicher gegen Hochtemperaturschritte sind. Für einige Beschichtungsarten konnten durch den Feuerungsprozess sehr hohe Steigerungen der Lebensdauer erzielt werden. Die theoretischen Berechnungen versprechen eine mögliche Wirkungsgradsteigerung der Solarzellen bei Verwendung bestimmter Zweischichtsysteme, viel versprechend sind hierbei sehr gute Berechnungsergebnisse für Schichtarten, bei denen auch hohe Lebensdauersteigerungen gemessen wurden.<br />

Anti-reflex coatings (ARCs) on solar cells are used to increase their efficiency. In this thesis ARCs made of hydrogenous silicon nitride (SiNx:H) grown by plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD) on multicrystalline silicon were investigated. Many different settings of the PECVD system were tested, manufacturing single- and double layer ARCs. These layers were examined in a spectrometer, a transmission electron microscope (TEM) and partially by electron energy loss spectroscopy (EELS). The recorded reflection spectra were compared with calculated curves from the thin-film program Film Wizard in order to determine the composition of the layers. Carrier-lifetime measurements were taken to characterize the surface passivation.<br />Therefore measurements before and after the "contact-firing" (a high temperature step) were compared. Furthermore it was analyzed and calculated which producible layers, or combination of layers, would give best results on theoretical usable photons under real illumination conditions.<br />It turned out that thickness measurements in TEM worked well, although the additional EELS analysis did not show trustworthy N/Si ratios.<br />Furthermore the determination of the layer composition via the reflection spectra is partly problematic because the actual curves can not always be fully explained. A derivation of the determined values to N/Si ratios is even more difficult, because literature does not agree on this subject.<br />Concerning the carrier lifetime measurements, it could be shown that nitrogen-rich layers tend to be less sensitive to high temperature steps. Some sorts of layers achieved very high improvement of carrier lifetime after the firing step. The theoretical calculations promise possible increase of efficiency of the solar cells using certain double layers. Here it was very promising, that good calculation results could be obtained by layers that have also shown high improvement in carrier lifetime.<br />