Untersuchungen zur Hot-wire CVD auf kristallinem Silizium und deren Anwendung in Solarzellen

Investigations on Hot-wire CVD on crystalline silicon and its application in solar cells

  • In den letzten Jahren konnte ein beachtlicher Fortschritt bei der Entwicklung kostengünstiger, hoch effektiver Si-Solarzellen mit kristalliner Basis und einem Emitter aus amorphem Silizium (a-Si:H) beobachtet werden. Für die Herstellung dieser Emitter wird zur Zeit ausschliesslich die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD)verwendet, die jedoch aufgrund ihrer Hochfrequenztechnik sehr aufwendig ist. Die Hot-wire CVD, das heisst die Abscheidung durch Zersetzung eines Gases an einem heissen Draht, ist in dieser Hinsicht eine viel versprechende Alternative. Ziel dieser Arbeit ist es, das Hot-wire Wachstum auf Si-Wafern zu charakterisieren, um auf diese Weise eine systematische Optimierung von Solarzellen mit kristalliner Basis zu erreichen. Daher wurden sowohl grundlegende materialwissenschaftliche als auch bauelementspezifische Fragen diskutiert. Mittels kinetischer in-situ Ellipsometrie wurde erstmals die Hot-wire CVD von Silizium auf poliertem HF-geätztem (100)-Silizium untersucht und die zeitliche Entwicklung eines epitaktischen Wachstums beobachtet. Im Verlauf der Deposition kann die Epitaxie abbrechen und sich eine Mischphase aus kristallinem und amorphem Silizium bilden, wobei der c-Si-Volumenanteil nahezu linear mit der Zeit abnimmt und anschließend reines a-Si:H-Wachstum stattfindet. Die Dicken der rein epitaktischen Schicht als auch der Mischphase nehmen mit ansteigender Substrattemperatur Ts und sinkender Depositionsrate R zu. Bei Ts=300 °C und R=1.4 A/s konnte eine epitaktische Schichtdicke grösser 200 nm abgeschieden werden. Untersuchungen zur Hot-wire CVD von Germanium auf poliertem HF-geätztem (100)-Silizium zeigten erstmals, dass ein über 170 nm dickes heteroepitaktisches Wachstum bei Ts= 350°C und R=2.8 A/s möglich ist. Daher besitzt die Hot-wire CVD viel versprechende Perspektiven hinsichtlich der industriellen Herstellung (opto-)elektronischer Bauelemente auf der Nanometerskala. Verschiedenartige Si-Schichten (amorph/nanokristallin/einkristallin, n/p-dotiert) wurden mittels Hot-wire CVD hergestellt und als Emitter von Solarzellen mit kristalliner Si-Basis aufgebracht. Mit (n)a-Si:H-Emittern auf texturierten Wafer wurde ein intrinsischer Wirkungsgrad von 15.2% erreicht. Ausserdem ermöglicht die Hot-wire Deposition epitaktischer Emitter die Verwendung von SiO2 oder SiN als Antireflexionsschicht anstelle von transparenten leitfähigen Oxiden (TCO) und damit eine deutliche Reduzierung der Herstellungskosten. Die Leerlaufspannung und der Füllfaktor der hergestellten Solarzellen hängen stark von der Passivierung der Waferoberlfäche ab, wobei beide Hellkennlinienparameter durch eine optimierte Hot-wire Wasserstoffbehandlung des Substrats vor der Emitterdeposition hohe stabile Werte erreichen. Abschliessend wird festgestellt, dass die in-situ Ellipsometrie hervorragend zur zerstörungsfreien und oberflächensensitiven Untersuchung des Schichtwachstum mittels Hot-wire CVD geeignet ist. Ausserdem ist die Hot-wire CVD sehr gut für die Herstellung von Si-Solarzellen mit kristalliner Basis geeignet und besitzt viel versprechende Perspektiven bezüglich (opto-)elektronischer Bauelemente auf der Nanometerskala.
  • In the last years remarkable progress has been observed in the development of cost-effective, high conversion efficiency solar cells based on hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) emitters grown on crystalline silicon. The issue is whether one can achieve high conversion efficiencies with simpler fabrication techniques than the conventionally used Plasma Enhanced chemical vapour deposition (PECVD). In this context the Hot-wire CVD, which utilises the decomposition of silane gas at a heated filament for the thin film deposition, has shown its great potential for yielding device quality a-Si:H films. The subjects of this thesis are the Hot-wire CVD of silicon and germanium on polished HF-etched (100)-silicon as well as the development of silicon wafer based solar cells. Therefore questions on materials research and (opto-)electronic devices are discussed. For the first time the Hot-wire growth of silicon of polished, HF-etched (100)silicon has been investigated in-situ by ellipsometry and the time evolution of low-temperature epitaxy has been observed. During deposition the epitaxial growth can break down yielding a mixed phase consisting of crystalline and amorphous silicon, whereas the crystalline volume fraction decreases almost linearly with deposition time. The thicknesses of the fully epitaxially grown film and the mixed phase increase with higher substrate temperature Ts and lower deposition rate R. At Ts=300 °C and R=1.4 A/s an epitaxial thickness of more than 200nm could be achieved. Furthermore investigations on Hot-wire deposited germanium on polished, HF-etched (100)-silicon have shown, that more than 170 nm of heteroepitaxial growth is possible at Ts=350 °C and R=2.8 A/s. Therefore the Hot-wire CVD opens up new vistas for the fabrication of (opto-)electronic devices on a nanometer scale. Several types of Si-films (amorphous/nanocrystalline/epitaxial, n/p-doping) deposited by Hot-wire CVD have been included for the first time as emitters in wafer based solar cells. With (n)a-Si:H-emitters on textured wafers an intrinsic conversion efficiency of 15.2% has been achieved. The incorporation of epitaxially grown emitters offers the employment of SiO2 or SiN as antireflective coating instead of transparent conductive oxides (TCO) and therefore a considerable reduction in production cost. The open circuit voltage as well as the fillfactor of the solar cells depend strongly on the surface passivation of the substrate and by using appropriate Hot-wire hydrogen treatment prior emitter deposition both parematers reach reproducable high values. In summary it has been shown that ellipsometry is a very sensitive, non-destructive tool for in-situ monitoring the growth of Hot-wire deposited films. Furthermore the Hot-wire CVD is suitable for manufacturing wafer based solar cells and the epitaxially grown films are very promising for the fabrication of (opto-)electronic devices.

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Metadaten
Author:Holger Seitz
URN (permanent link):urn:nbn:de:bsz:386-kluedo-15643
Advisor:Henning Fouckhardt
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2000
Year of Publication:2000
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2000/12/22
Tag:amorphes Silizium
GND-Keyword:Cat-CVD-Verfahren ; Ellipsometrie ; Epitaxie ; Heterosolarzelle ; Silicium ; Solarzelle ; Transparent-leitendes Oxid
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Physik
DDC-Cassification:530 Physik
PACS-Classification (physics):61.43.Dq Amorphous semiconductors, metals, and alloys
81.15.Gh Chemical vapor deposition (including plasma-enhanced CVD, MOCVD, etc.) (for chemistry of MOCVD, see 82.33.Ya in physical chemistry and chemical physics)

$Rev: 12793 $