Preparation and characterization of transparent electrodes optimized for thin film solar cells

Abstract

Die Bedeutung von transparenten Elektroden, welche eine hohe optische Transparenz mit guter elektrischer Leitfähigkeit kombinieren, für optoelektronische Anwendungen wie Solarzellen oder Flachbildschirme nimmt stetig zu. In den letzten Jahren wurde die Forschung nach kostengünstigen und flexiblen transparenten Elektroden intensiviert. Diese Diplomarbeit untersucht zwei Arten von transparenten Elektroden, die auf reichlich verfügbaren Materialien wie Kupfer, Titandioxid (TiOx) oder Aluminium-dotiertem Zinkoxid (AZO) basieren: (1) in Fotolack eingebettete nanostrukturierte Metallgitter sowie (2) flache Metallschichten, die zwischen dielektrischen Filmen eingeschlossen sind. (1) Eine neue Herstellungsmethode für nanostrukturierte Metallelektroden wird vorgeschlagen. Durch die Herstellung von flachen, in einen Polymer eingebetteten Elektroden wird die Oberflächenrauigkeit verringert und die Leitfähigkeit erhöht, wodurch sich auch die Anwendungsmöglichkeiten in Mehrschichtsystemen verbessern. Die Struktur von zufällig angeordneten Nanodrähten wird durch nasschemisches Ätzen eines Fotolackes und thermisches Bedampfen auf eine homogene Metallstruktur übertragen. Die Etablierung dieser neuen Herstellungsmethode wurde versucht, und die dabei auftretenden Schwierigkeiten werden in dieser Arbeit dokumentiert. (2) Transparente Elektroden, die auf einer dünnen Kupferschicht basieren, werden durch Simulationen und experimentelle Herstellung untersucht. Der Simulationsalgorithmus untersucht die Anwendbarkeit von verschiedenen dielektrischen Materialien auf Basis ihrer Brechungsindizes. Eine möglichst hohe Transmission in einem breiten Spektralbereich (400-900 nm) soll erreicht werden, um die Elektroden für Solarzellen zu optimieren. Die ideale Schichtdicke der Dielektrika wird ebenfalls berechnet. Auf Basis der Simulation wurden Dreischichtelektroden gesputtert, wobei Kupfer auf einem TiOx-beschichteten Glassubstrat abgeschieden und mit einer AZO-Schicht bedeckt wurde. Inselförmiges Wachstum der Kupferschicht konnte durch die Erhöhung der Sputterleistung vermindert werden. Für hohe Sputterleistungen wurden verbesserte optische und elektrische Leistungsfähigkeit und gute Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen gemessen. Im Vergleich zu anderen in der Literatur berichteten Kupferelektroden wurde ein höherer Haackscher Gütefaktor ermittelt. Raues Schichtwachstum von TiOx auf PET-Substraten führte zu verminderten optoelektronischen Eigenschaften der Dreischichtelektroden auf PET. Durch eine zusätzliche AZO Schicht zwischen dem PET und dem TiOx konnte die Leistungsfähigkeit wieder erhöht werden. Diese Elektroden lieferten ähnliche Eigenschaften wie Dreischichtelektroden die auf PEN-Substraten ohne AZO-Zwischenschicht abgeschieden wurden.

Transparent electrodes, combining high transparency and good electrical conductivity, are of increasing importance for the application in optoelectronic devices, such as solar cells or flat panel displays. In recent years, the research in low-cost transparent electrodes, which may also be applied to flexible devices, has gained rising interest. This thesis investigates transparent electrodes based on abundant materials like copper, titanium dioxide (TiOx) or aluminium-doped zinc oxide (AZO). Two types of electrodes are examined: (1) nanostructured meshes embedded in a photoresist and (2) planar metal layers embedded in dielectric films. (1) A new preparation method for nanostructured metal grid electrodes is proposed. The goal is to prepare flat electrodes embedded in a polymer and hence facilitate the device applicability of the nanostructured electrodes, due to reduced roughness and increased conductivity. Wet chemical etching of a lift-off resist was employed to copy the pattern of randomly distributed nanowires to a homogenously deposited metal layer. The establishment of the process was investigated, and the challenges occurring during this phase are documented in this thesis. (2) Transparent electrodes based on an ultrathin Cu layer, embedded between two dielectric layers, are optimized by simulations and experiments. Firstly, a simulation algorithm was applied to screen various dielectric materials based on their respective refractive index. The goal is to maximize the transmittance in a broad spectral range (400-900 nm), optimized for single-junction solar cells. The optimal layer thicknesses were also obtained from the simulation. Based on this, sputtered transparent electrodes were developed with the Cu layer deposited on TiOx-coated glass and an AZO film deposited on top. Increasing the sputter power of the Cu layer was found to be crucial for suppressing the films island-like growth. Increased optical and electrical performance was obtained for high sputter powers, agreeing well with the simulation results. The figure of merit is superior to previously reported Cu-based transparent electrodes, with average transmittances above 0.79 and a minimum sheet resistance of 6.5 --. The deposition of the trilayer electrode on flexible PET substrates leads to reduced performance due to the rough growth of TiOx on PET. The performance was partially restored by inserting an additional AZO buffer layer between PET and TiOx. Depositing the trilayer electrode on flexible PEN substrates resulted in similar performance as obtained for the buffer layer electrode on PET.