PECVD Anlagen für die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen aus hydrogeniertem amorphen Silizium a-Si:H.
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Dünnschichtsolarzellen aus hydrogeniertem amorphen Silizium a-Si:H.

Die meisten photovoltaischen Solarzellen bestehen heute noch aus einkristallinem oder polykristallinem Silizium, manchmal auch Germanium. Dünnschichtsolarzellen finden aber immer stärkere Verbreitung. Es gibt derzeit im Wesentlichen 3 Typen von Dünnschichtsolarzellen:

Aufgrund der besseren Lichtabsorption dieser Materialien im Vergleich zu einkristallinem oder polykristallinem Silicium können diese Materialien in dünnen Schichten auf ein Substrat, oft Glas aufgebracht werden. Weniger Materialeinsatz führt zu niedrigeren Kosten, falls die Herstellung der dünnen Schichten kostengünstig realisiert werden kann.
Durch die Einstrahlung von Sonnenlicht werden in der Solarzelle Ladungsträger gebildet, die anschließend zu den Elektroden diffundieren wodurch Spannung aufgebaut und photovoltaischer Strom erzeugt wird. Ladungsträger haben im Halbleiter eine begrenzte Lebensdauer bzw. Diffusionslänge. Je dünner die Schicht ist, umso leichter erreichen die Ladungsträger die Elektroden und umso effektiver ist die Solarzelle.

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Aufbau einer Solarzelle aus hydrogeniertem, amorphen Silicium.

a-Si:H Solarzelle

Amorphes Silicium oder a-Si ist aufgrund der vielen offenen Bindungen nicht für Solarzellen geeignet, da die Ladungsträger in so einem Material nur eine sehr kurze Lebensdauer haben. Bei Absättigung der offenen Bindungen mit Wasserstoff entsteht jedoch ein für Dünnschichtsolarzellen gut geeignetes, hydrogeniertes, amorphes Silizium a-Si:H. Es absorbiert Licht ausreichend gut und ermöglicht genügend lange Ladungsträgerlebenszeiten. Zudem kann dieses Material mit Bor oder Phosphor dotiert werden.
Die Solarzelle besteht aus einer transparenten, leitenden Schicht, einer leitenden p-dotierten a-SiC:H-Schicht, der Absorberschicht aus intrinsischem a-Si:H oder a-SiGe:H und einer n-dotierten a-Si:H -Schicht. Es entsteht eine sogenannte p-i-n-Struktur. Die beiden p- bzw. n-dotierten Schichten erzeugen das elektrische Feld um die Ladungsträger zu trennen. Die obere, p-dotierte Schicht soll dabei möglichst wenig Licht absorbieren, da dort generierte Ladungsträger zu schnell rekombinieren würden. Das kann erreicht werden durch eine Legierung des Siliciums mit Kohlenstoff. Für die intrinsische Absorberschicht muss ein Kompromiss gefunden werden: Eine dickere Schicht erhöht die Lichtabsorption, aber die Zahl der Ladungsträger, die die Elektroden erreichen wird aufgrund der erhöhten Rekombinationsrate verringert. Dadurch wird die Effektivität der Dünnschichtsolarzelle beeinträchtigt. Ein Ausweg ist die Fertigung von Mehrschicht-Solarzellen aus 2 bis 3 Schichten, sogenannten Tandemzellen oder Dreifachzellen. Durch den Aufbau der Solarzelle aus 2 bis 3 p-i-n-Strukturen wird die Lichtabsorption deutlich erhöht und die Spannung der Solarzelle verdoppelt bzw. verdreifacht sich durch diese Serienschaltung. Insbesondere bei solchen Mehrschichtsolarzellen wird die unterste Schicht gerne mit Germanium legiert a-SiGe:H, um die Lichtabsorption im niedrigwelligen Lichtbereich zu erhöhen.
Wie auch bei Solarzellen aus einkristallinem oder poly-kristallinem Silicium wird die vorderste, leitende Schicht texturiert, um durch den diffusen Lichteinfall einen längeren Weg des Lichts durch die Solarzelle zu erreichen und damit die Ausbeute zu erhöhen.
Wenn das Glas als Unterlage für die Abscheidung der verschiedenen Schichten dient und somit das Glas über der Solarzelle liegt, spricht man von einer Superstratkonfiguration, während der Aufbau der Solarzelle auf einem nicht-transparenten Träger auf der Rückseite Substratkonfiguration genannt wird.

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Herstellung von Dünnschichtsolarzellen aus amorphem Silicium durch PECVD-Technologie.

Die wesentlichen Bestandteile der a-Si:H-Solarzellen sind die 3 Schichten aus p-dotiertem, intrinsischem und n-dotiertem Material (p-i-n). Sie werden in der Regel durch plasmagestützte Abscheidung aus der Gasphase erzeugt (PECVD). Dies kann bei relativ niedrigen Temperaturen erfolgen. Als Gas wird Silan SiH4 eingesetzt. Bei Verdünnung des Gases mit Wasserstoff können die Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten positiv beeinflusst werden. Durch Zusatz von Phosphin PH3 bzw. Diboran B2H6 kann die Dotierung der beiden äußeren Schichten aus amorphem Silizium erreicht werden. Zusatz von Methan CH4 erzeugt die Kohlenstofflegierung der a-SiC:H Frontschicht und eine Beimengung von German GeH4 erzeugt die Legierung der a-SiGe:H Absorberschicht bei mehrschichtigen Solarzellen.
Für die Abscheidung im Labor genügt in der Regel eine einfache Parallelplattenkonfiguration der PECVD-Anlage mit einem 13,56MHz RF-Generator. Die im Plasma gebildeten Radikale bestehen zu einem großen Teil aus SiH
3-Radikalen, die auf der Siliciumoberfläche adsorbieren und dort diffundieren bis sie eine offene Siliciumbindung finden.
Für Produktion ist die Abscheiderate allerdings zu niedrig. Sie kann durch den Einsatz der Mikrowellentechnologie verbessert werden. Plasma wird extern durch einen Mikrowellengenerator erzeugt und in die Reaktionskammer geleitet. Dadurch kann eine höhere Abscheiderate erreicht werden, ohne die Bildung von SiH
2-Radikalen zu erhöhen, die die Eigenschaften der Solarzelle negativ beeinflussen würden.

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