Erhöhte Rekombination an Silizium-Oberflächen bei schwacher Beleuchtung durch H-induzierte Defekte

Ins­be­son­de­re für So­lar­zel­len aus kris­talli­nen Si­li­zi­um-Sub­stra­ten ho­her elekt­ri­scher Qua­li­tät ist der Ein­fluss der Si-Ober­flä­che auf den Wir­kungs­grad von Si-So­lar­zel­len von gro­ßer Be­deu­tung. An der Zellober­flä­che ist die Kris­tall­struk­tur auf­ge­bro­chen. Da­her sind dort vie­le De­fek­te vor­han­den, wel­che als Re­kom­bi­na­ti­ons­zen­tren für La­dungs­trä­ger wir­ken: Ein frei­es Elekt­ron re­kom­bi­niert mit ei­nem Loch be­vor es am Kon­takt an­kommt und kann da­her nicht zum elekt­ri­schen Strom der Zel­le bei­tra­gen. Re­kom­bi­na­ti­on ist an­de­rer­seits an die­sen De­fekt­zen­tren nur dann mög­lich, wenn so­wohl ein Elekt­ron als auch ein Loch ver­füg­bar sind.

Zur Ver­mei­dung von Re­kom­bi­na­ti­on an der Ober­flä­che wird Was­serstoff ver­wen­det; da­mit las­sen sich die auf­ge­bro­che­nen Si-Bin­dun­gen ab­sät­ti­gen, was zur Re­duk­ti­on der De­fekt­dich­te führt. Eine wei­te­re Mög­lich­keit bes­teht da­rin, eine La­dung­trä­ger­sor­te, z. B. Lö­cher, von der Ober­flä­che zu ver­drän­gen, so dass den dort vor­han­de­nen Elekt­ro­nen kein Re­kom­bi­na­ti­ons­part­ner zur Ver­fü­gung steht. Dies kann bei­spiels­wei­se durch Auf­brin­gen von ge­la­de­nen Die­lekt­ri­ka, wie SiN_X (po­si­ti­ve La­dun­gen) oder Al₂O₃ (ne­ga­ti­ve La­dun­gen) re­a­li­siert wer­den.

Oft sinkt die Qua­li­tät der elekt­ri­schen Pas­si­vie­rung mit­tels ge­la­de­ner Dieelekt­ri­ka mit ab­neh­men­der Be­leuch­tungs­dich­te. Um die­ses Phä­no­men un­ter­bin­den zu kön­nen, ist es wich­tig, die Ur­sa­chen auf mik­ro­sko­pi­scher Ebe­ne zu ver­ste­hen. Da­her wur­de am ISFH ein phy­si­ka­li­sches Mo­dell ent­wi­ckelt, wel­ches die er­höh­te Re­kom­bi­na­ti­on bei Nied­ri­gin­jek­ti­on für alle re­le­van­ten Do­tier- und In­jek­ti­ons­dich­ten be­schrei­ben kann.

In die­sem Mo­dell geht man da­von aus, dass eine dün­ne Schicht des Si­li­zi­ums un­ter­halb der Ober­flä­che stark ge­schä­digt ist. Eine sol­che Schä­di­gung kann bei­spiels­wei­se durch den Io­nen­be­schuss des Si­li­zi­ums wäh­rend des De­po­si­ti­ons­pro­zes­ses der Die­lekt­ri­ka ver­ur­sacht wer­den. Wei­ter­hin ist es mög­lich, dass Was­serstoff-Ato­me, die als Fol­ge der Vor­be­hand­lung in ho­hen Kon­zen­tra­ti­o­nen an der Si-Ober­flä­che vor­han­den sind, wäh­rend des Auf­brin­gens der Pas­siv­ier­schich­ten in den Wa­fer ein­dif­fun­die­ren. In mo­de­ra­er Kon­zen­tra­ti­on wir­ken sich H-Ato­me po­si­tiv auf die Re­kom­bi­na­ti­ons­ei­gen­schaf­ten von Si­li­zi­um aus. Sind die­se H-Ato­me je­doch in über­mä­ßi­ger An­zahl vor­han­den, bil­den Sie Clus­ter und spren­gen das kris­talli­ne Si-Netz­werk. Da­durch ent­ste­hen wie­der­um neue De­fek­te. Hoch­auf­lö­sen­de Trans­mis­si­on­se­lekt­ro­nen­mik­ro­sko­pie (HRTEM)-Auf­nah­men der Uni­ver­si­tät Göt­tin­gen (Abb. 35), be­stä­tig­ten un­se­re Ver­mu­tung, dass das Si­li­zi­um nahe der Grenz­flä­che ge­schä­digt ist.

Die Ober­flä­chen-Re­kom­bi­na­ti­ons­ra­te kann mit Hil­fe von Mes­sun­gen der La­dungs­trä­ger­le­bens­dau­er in Ab­hän­gig­keit von der Über­schuss­la­dungs­trä­ger­dich­te Δn cha­rak­te­ri­siert wer­den. Hier­zu wird zu­nächst die Le­bens­dau­er der La­dungs­trä­ger der ge­sam­ten Pro­be ge­mes­sen. Nach Ab­zie­hen der Re­kom­bi­na­ti­ons­ra­te von La­dungs­trä­gern, die im Sub­strat re­kom­bi­nie­ren, kann da­raus die Ober­flä­chen­re­kom­bi­na­ti­on­ge­schwin­dig­keit (S_eff) be­stimmt wer­den. Ver­gleicht man die­se Mes­sun­gen mit der The­o­rie, tre­ten je­doch gro­ße Dis­kre­pan­zen auf: Wäh­rend die The­o­rie für SiN_X-pas­si­vier­te Wa­fer bei ge­rin­gen Be­leuch­tungs­stär­ken ein be­leuch­tungs­un­hab­hän­gi­ges Ver­hal­ten von S_eff vor­her­sagt, sieht man in Mes­sun­gen ein star­kes An­stei­gen von Seff für ab­neh­men­de Wer­te von Δn (Abb. 36). Un­ter Be­rück­sich­ti­gung des ge­schä­dig­ten Be­rei­ches in der Si­mu­la­ti­on las­sen sich die Mes­sun­gen je­doch sehr ge­nau be­schrei­ben. In die­sem Mo­dell wird an­ge­nom­men, dass die De­fekt­kon­zen­tra­ti­on mit dem Ab­stand von der Ober­flä­che ex­po­nen­ti­ell in den Wa­fer hi­nein ab­klingt. Dies kann durch den Le­bens­dau­er­pa­ra­me­ter be­schrie­ben wer­den, der um­ge­kehrt pro­por­ti­o­nal zur De­fekt­dich­te ist (Abb. 37).

Der be­obach­te­te An­stieg von S_eff nimmt mit zu­neh­men­der Do­tier­kon­zen­tra­ti­on des Si­li­zi­ums deut­lich ab. Um die­sen Ef­fekt ab­zu­schwä­chen, wer­den ober­flä­chen­na­he Be­rei­che bei der Zell­her­stel­lung oft zu­sätz­lich do­tiert. Die­se Do­tie­rung ist sehr ener­gie- und kos­ten­auf­wän­dig. Un­ser Mo­dell lie­fert jetzt eine mik­ros­ko­pi­sche Er­klä­rung für die er­höh­te Re­kom­bi­na­ti­ons­ra­te bei ge­rin­gen In­jek­ti­ons­dich­ten. Auf die­se Wei­se kann es ei­nen we­sent­li­chen Bei­trag leis­ten, Zell­kon­zep­te an­zu­pas­sen und so­mit die Her­stel­lungs­kos­ten zu senken.