Deposition and characterisation of molybdenum oxide as a charge carrier selective p-contact for solar cell integration

Kurzfassung

In Siliziumsolarzellen werden meist dotierte Siliziumschichten zur Ladungsträgerseparation verwendet [1]. Sowohl p- als auch n-dotiertes amorphes Silizium im Frontkontakt der Solarzellen führen jedoch zu einer erhöhten parasitären Absorption von kurzwelligem Licht, welche den Wirkungsgrad der Solarzelle verringert [2, 3]. Ein vielversprechender Ansatz, diesen negativen Effekt zu umgehen und dennoch eine hohe Ladungsträgerseparation zu erreichen, ist die Verwendung von Molybdän(VI)-oxid (MoO3) als transparente p-Schicht im Frontkontakt, welche p-dotiertes Silizium ersetzt. Die große optische Bandlücke des Molybdänoxids fuhrt zu einer Reduzierung der parasitären Absorption. Durch die hohe Austrittsarbeit des Molybdänoxids und die Lage des Fermi-Niveaus nahe des Leitungsbandes kommt es zu einer Bandverschiebung an der Grenzfläche zum Silizium. Diese Bandverschiebung fuhrt zu einer Ansammlung von Löchern, sodass eine Potentialdifferenz zur n-dotieren Siliziumschicht an der Rückseite der Solarzellen entsteht, die zur Ladungsträgerseparation genutzt wird [1, 4, 5]. Ziel dieser Arbeit ist es, für ein bestehendes Solarzellenkonzept einer amorphen Siliziumsolarzelle in p-i-n Struktur, welches eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht im Frontkontakt verwendet, das optische Verhalten der Solarzelle zu verbessern. Dies soll erreicht werden, indem die konventionelle p-Schicht aus Silizium durch eine dünne Schicht aus Molybdänoxid ersetzt wird. Eine p-i-n Solarzelle besteht aus einer intrinsischen, undotierten Absorberschicht, die sich zwischen wenigen Nanometern dünnen p- und n-dotierten Schichten befindet. Mit Hilfe der p- und n-dotierten Schicht wird eine Potentialdifferenz über dem Absorber aufgebaut. Das einfallende Licht dringt durch die p-Schicht in die Solarzelle ein und wird größtenteils in der intrinsischen Absorberschicht unter der Bildung von Elektron-Loch-Paaren absorbiert. Durch die Potentialdifferenz zwischen p- und n-Schicht kommt es zur Ladungsträgerseparation. Bei einer Solarzellenstruktur in umgekehrter Reihenfolge wird von einer n-i-p Solarzelle gesprochen [6, 7]. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung der strukturellen, der elektrischen und der optischen Eigenschaften des Molybdänoxids in Einzelschichten, zur späteren Verwendung in amorphen Siliziumsolarzellen. Dabei wird der Einfluss der Parameter Schichtdicke, Abscheidungsrate, Sauerstoffzufluss und Lagerung auf die Eigenschaften der MoO3 Schichten ausgewertet. Zusätzlich werden verschiedene Molybdänoxidschichten als p-Schicht in amorphe Siliziumsolarzellen implementiert und die Leistung der Zellen untersucht. Die Einzelschichten werden mittels Elektronenstrahlverdampfen hergestellt und mit Hilfe von Raman Spektroskopie, Röntgenbeugung (XRD), Rasterkraftmikroskopie (AFM), Dunkelleitfähigkeitsmessung, UV-Vis Spektroskopie und Ellipsometrie charakterisiert. Raman Spektroskopie und Röntgenbeugung zeigen, dass bei Raumtemperatur auf Glas abgeschiedene Molybdänoxidschichten eine amorphe Struktur besitzen. Eine Variation der Abscheidungsrate, sowie ein zusätzlicher Sauerstofffluss während der Abscheidung besitzen keinen erkennbaren Einfluss auf die amorphe Struktur des Molybdänoxids. Rasterkraftmessungen zeigen auch bei einer Variation von Abscheidungsrate und Sauerstofffluss eine geringe Oberflächenrauheit des Molybdänoxids. Aufgrund der geringen Oberflächenrauheit des abgeschiedenen Molybdänoxids kann auch bei dünnen Schichten von 10 nm eine ungestörte, homogene Schicht erwartet werden. Unterschiede können jedoch im optischen und elektrischen Verhalten der Molybdänoxidschichten bei einer Variation der Abscheidungsrate gemessen werden. Die Leitfähigkeit der Molybdänoxidschichten steigt mit sinkender Abscheidungsrate an, zeigt jedoch keine Beeinflussung durch einen Sauerstofffluss während der Abscheidung. Optisch äußert sich eine hohe Abscheidungsrate in einer erhöhten Reflektion und einer verringerten Absorption. Darüber hinaus wird gezeigt, dass ein Sauerstoffzufluss während der Abscheidung die optischen Eigenschaften in Bezug auf eine erhöhte Transmission und reduziert Reflektion beeinflusst. Dieser Einfluss zeigt sich zusätzlich in der Reduzierung des Brechungsindexes, sowie des Extinktionskoeffizienten im Rahmen von Ellipsometriemessungen. Einen großen Effekt auf die optischen Eigenschaften zeigte die Lagerung von Molybdänoxidschichten an Laboratmosphäre. Die Aussetzung an Luft führt zu einer Erhöhung der Transmission, sowie so zu einer Reduzierung der Reflektion. Welche Faktoren, wie beispielsweise Sauerstoff, Feuchtigkeit und kohlenstoffhaltige Verunreinigungen zu diesem Verhalten führen und welchen Einfluss eine Lagerung an Umgebungsatmosphäre auf die elektrischen und strukturellen Eigenschaften der Molybdänoxidschicht besitzt, bedarf weiterer Untersuchungen. Molybdänoxidschichten mit unterschiedlichen Abscheidungsparametern und verschiedenen Nachbearbeitungen, wie Tempern und Lagerung an Umgebungsatmosphäre, wurden erfolgreich als p-Schicht in amorphe Siliziumsolarzellen implementiert. Zusätzlich wurden Referenzzellen mit einer p-Schicht aus dotiertem Silizium und Referenzzellen ohne p-Schicht hergestellt. Im Vergleich zu den Referenzsolarzellen ohne p-Schicht führt die Implementierung des Molybdänoxids zu einer deutlichen Erhöhung der Leerlaufspannung der Solarzellen. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse der Solarzellencharakterisierung, dass Molybdänoxid als effektive p-Schicht in amorphen Siliziumsolarzellen eingesetzt werden kann. Die leistungsstärkste Solarzelle, mit MoOx als p-Schicht (20 nm MoOx, 0.3 ˚ A·s-1, 0 sccm O2), erreicht einen maximalen Wirkungsgrad von 4.5%. Insgesamt besitzen die Solarzellen mit MoOx p-Schicht eine geringere Effizienz als die Referenzzellen mit einer Schicht aus p-dotiertem Silizium, die einen maximalen Wirkungsgrad von 5.33% erreichen. Es wird vermutet, dass die Temperierung auf 200°C während des PECVD Prozesses, sowie eine eventuelle Diffusion von Wasserstoff aus dem Siliziumabsorber in das Molybdänoxid für diesen Trend verantwortlich sein konnen. Eine Variation der Abscheidungsrate des MoOx, die die Leitfahigkeit der Schicht beeinflusst, zeigt entgegen den Erwartungen keinen Trend in Bezug auf die Effizienz der Solarzellen. In Bezug auf die Leistung der Solarzellen besitzt die Schichtdicke des Molybdänoxids, die im Bereich zwischen 5 nm und 20 nm variiert wurde, den größten Einfluss. Die Lagerung der MoOx Schicht an Umgebungsatmosphäre führt zu einer deutlichen Reduzierung der Solarzellenperformance. Die angestrebte optische Verbesserung der MoOx Solarzellen zeigt sich in den Ergebnissen der externen Quanteneffizienz. Im unteren Wellenlängenbereich zwischen 340 nm und 540 nm zeigen die Solarzellen mit MoOx p-Schicht eine deutlich höhere externe Quanteneffizienz, als die Referenzzellen mit konventioneller p-Schicht aus mikrokristallinem Silizium. Dieses Verhalten kann auf die deutlich größere optische Bandlücke des Molybdänoxids mit mehr als 2.8 eV, verglichen zu dotiertem mikrokristallinen Silizium mit einer Bandl¨ucke von etwa 1.8 eV, zurückgef¨uhrt werden. Resultierend daraus können die Solarzellen mit MoOx p-Schicht höhere Kurzschlussstromdichten erreichen. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass Molybdänoxid als p-Schicht in amorphen Siliziumsolarzellen genutzt werden kann und die parasitäre Absorption im Frontkontakt aufgrund der großeren optischen Bandlücke deutlich verringert wird