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Dreifachsolarzellen bestehend aus III-V-Verbindungshalbleitern und Germanium erreichen heutzutage Wirkungsgrade über 40% unter konzentriertem Sonnenlicht. Sie bestehen aus mehreren übereinander gestapelten Teilzellen und können im Vergleich zu konventionellen Silicium-Solarzellen einen größeren Teil des Sonnenspektrums in elektrische Energie umwandeln.Ziel dieser Dissertation ist es, eine GaAs-basierte Mehrfachsolarzelle zu entwickeln, bei der die Germanium-Unterzelle durch eine Silicium-Solarzelle ersetzt wird. Da Silicium im Vergleich zu Germanium deutlich besser verfügbar und kostengünstiger ist, stellt dieses Solarzellenkonzept eine vielversprechende Alternative zu der etablierten Ga0.50In0.50P/Ga0.99In0.01As/Ge-Dreifachsolarzelle dar.Die Herausforderung in der Herstellung von Ga0.51In0.49P/GaAs/Si-Dreifachsolarzellen lag bisher in den unterschiedlichen Gitterkonstanten und thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Si und GaAs. Deshalb entstehen beim direkten Wachstum auf Silicium Kristalldefekte in den GaAs-Mittel- und Ga0.51In0.49P-Oberzellen, welche ihre Effizienzen reduzieren. Um solche Defekte zu verhindern, wird in dieser Arbeit ein neuer Ansatz verfolgt. Zunächst werden Ga0.51In0.49P/GaAs-Zweifachsolarzellen mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) gitterangepasst auf GaAs-Substraten abgeschieden und danach durch direktes Wafer-Bonding bei Temperaturen zwischen 20°C und 120°C mit separat hergestellten Si-Solarzellen verbunden.Ein Schwerpunkt dieser Dissertation liegt deshalb auf der Entwicklung einer mechanisch stabilen, optisch transparenten und elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen Si und GaAs. Dafür wird das atomstrahlaktivierte Wafer-Bonding-Verfahren verwendet und optimiert. Es können Si/GaAs Wafer-Bonds ohne makroskopische Fehlstellen an der Grenzfläche hergestellt werden, die hohe Bondfestigkeiten besitzen. Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopaufnahmen von Si/GaAs Wafer-Bonds zeigen, dass eine 2 bis 3 nm dicke amorphe Schicht an der Grenzfläche existiert, welche durch die Akkumulation von Atomstrahl-induzierten Kristalldefekten entsteht. Elektrisch aktive Defekte, die während der Atomstrahlbehandlung entstehen, beeinträchtigen außerdem den Ladungsträgertransport über die Si/GaAs Bondgrenzfläche. Dieser Effekt wird anhand eines theoretischen Modells diskutiert und temperaturabhängige Strom-Spannungs-Kennlinien werden genutzt, um die Höhe der Potentialbarriere an der Si/GaAs Grenzfläche zu bestimmen. Durch die Reduktion der Defektdichte an der Grenzfläche und die Verwendung einer höher dotierten n-GaAs Bondschicht können schließlich erstmals Si/GaAs Wafer-Bonds mit linearer Strom-Spannungs-Kennlinie bei Raumtemperatur und einem niedrigen Grenzflächenwiderstand von ca. 3.6×10-3 Ωcm² realisiert werden.Dieser optimierte atomstrahlaktivierte Wafer-Bonding-Prozess wird genutzt, um Ga0.51In0.49P/GaAs/Si-Dreifachsolarzellen herzustellen. Die Mehrfachsolarzellen erzielen bereits Wirkungsgrade von bis zu 25.6% unter einfacher und 30.2% unter 112-facher Sonnenkonzentration.

In this thesis, crystalline silicon thin films by atmospheric pressure chemical vapour deposition have been studied. These silicon films can be deposited on silicon wafers or transferred to various substrates for photovoltaic applications. One of the main advantages is the flexibility in thickness and doping concentration which allows the application of the silicon thin films in various solar cell concepts. The combination of these films with an industrial solar cell fabrication process has a high efficiency potential and offers a cost reduction as well as reduced material consumption. The key aspects of this publication were the deposition process, the characterisation of silicon thin films and the implementation of these layers into different solar cell concepts. In the following subchapters the main findings will be summarised and suggestions for further investigation will be given.Silicon Deposition by APCVD at Temperatures from 1150 °C to 850 °CThe silicon deposition by atmospheric pressure chemical vapour deposition (APCVD) using chlorosilanes is described by a set of gas phase and surface reactions. A general and a simplified model of these chemical reactions for the decomposition and the deposition process using TCS as precursor have been discussed. The identified assumptions and limitations of the simplified model underline the importance of process characterisation.Since the deposition process also depends on the reactor setup, a general description of the lab-type deposition tool RTCVD100 and RTCVD160 was given. The presented characterisation of the deposition homogeneity is crucial for the material characterisation as well as solar cell fabrication and shows the limitations and the influence of the deposition properties. Based on the deposition of cSiTF at 1150 °C an additional process at 1050 °C has been developed.The correlations between precursor composition, deposition temperature, deposition rate substrates orientation and doping incorporation show the complexity of crystalline silicon thin film (cSiTF) deposition. Therefore, detailed investigations of the deposition process at temperatures between 1150 °C and 850 °C with different gas mixtures have been carried out. The change in deposition rate from 0.5 ± 0.2 µm/min to 2.4 ±0.4 µm/min increases the throughput or allows the reproducible formation of silicon films with a thickness below 500 nm. The basic mechanism for the doping incorporation and the resulting doping range of 1x1015 1/cm³ to 2x1020 1/cm³ for boron and 1x1017 1/cm³ to 3x1020 1/cm³ for phosphorous have been explained. Additionally, the increase in doping incorporation by almost one order of magnitude depending on the Cl/H ratio has been investigated.Subsequently, the process development has been used to further optimise the deposition of the epitaxial emitters. The deposition of advanced emitter profiles with a thickness from 500 nm to 3.5 µm and the deposition on textured as well as planar wafers has been analysed. Furthermore, the reduction of contact peak thickness from 500 nm to 25-50 nm by diffusion or epitaxial deposition and the influence of the following process step have been discussed.Apart from the epitaxial deposition on silicon substrates at a deposition temperature from 1150 °C to 950 °C the direct deposition of microcrystalline silicon thin film (µcSiTF) on substrates with intermediate layers between 1050 °C and 850 °C has been realised using APCVD. In addition, the successful deposition of µcSiTF on temperature sensitive substrates like borosilicate glass has been presented. These µcSiTF can be applied as single junction thin film solar cell, as active layer in a tandem solar cell, as diffusion barrier or contact layer and as seed layer for recrystallisation. The basic understanding of this deposition process has been complemented by an investigation about the nucleation process. The experimental results show that the random nucleation density of silicon on SiNx and SiOx by PECVD is increasing with temperature and results in a homogeneous seed layer. However, the etching of thermal SiO2 in hydrogen atmosphere at temperatures above 900 °C reduces the nucleation density on this type of intermediate layer from approximately 270 to 40 counts/mm2.The presented experimental results and the identified correlations are essential for the optimisation and further development of the deposition processes by APCVD.Crystallographic Characterisation of Silicon Thin FilmsDifferent measurement methods to characterise the crystallographic properties of cSiTF have been presented. The formation of various defects like etch pits, stacking faults and spikes in the epitaxial layer depending on the deposition temperature, precursor composition as well as substrate orientation have been shown. The increasing number of stacking faults and the change in recombination intensity of those defects at temperatures below 1100 °C can result in a VOC loss of approximately 200 mV.The microcrystalline silicon films by direct deposition have been characterised with EBSD, XRD and µRaman measurements. The crystallographic properties of these layers including a grain size of 2-3 µm and the columnar growth have been determined. Various measurements to determine the electrical material quality of microcrystalline silicon films depending on deposition and post treatment parameters have also been done. These experiments lead to the conclusion that the RTA and RPHP treatments are necessary for a deposition temperature below 1000 °C because the stress and temperature sensitive defects can be reduced.The limitations of established measurement techniques for the characterisation of cSiTF and the benefit of approaches like the calibrated µRaman, µPL and µLBIC measurements have been shown. Based on a set of calibration samples it is possible to determine the doping concentration above 6x1016 1/cm3 by analysing the Fano resonance. The presented measurements of epitaxial silicon films have been used to investigate the overall material quality and the stress distribution in these layers. Furthermore, the investigation of the growth interface between epitaxial films and the silicon substrates shows no increased stress or recombination activity. However, the influence of the growth regime of epitaxial films on the reflection properties of textures samples has been identified as crucial parameter.These experiments have been necessary to explain and improve the material quality of cSiTF in general. Furthermore, these measurements prove the applicability of epitaxial emitters for wafer based solar cells.Lifetime measurements of cSiTF and wafer based solar cellsThe challenges and solutions for reliable effective minority carrier lifetime measurements on various cSiTF have been discussed. Based on the upgraded setup and an improved measurement routine the MWPCD signal intensity has been increased from approximately 4 mV to values above 35 mV. In combination with a new analysis algorithm, which incorporates the effect of carrier trapping on the decay transient, it is possible to determine reliable lifetimes below 1 µs of various cSiTF. Additional experiments to determine the influence of the excitation laser wavelength, the excess carrier density, the substrates and the passivation have been evaluated. The measurements of cSiTF deposited in the RTCVD160 show an effective diffusion length of about 90-120 µm and epitaxial cSiTF on recrystallised templates of 50-80 µm. Subsequently, MDP, LBIC and IQE measurements of cSiTF solar cells have been conducted to validate the MWPCD results and to determine the material quality of cSiTF.Furthermore, QSSPC measurements of silicon wafers with epitaxial emitters and experiments to investigate the material degradation at high temperatures have been presented. The effective lifetime and emitter saturation current measurements underline the successful optimisation of the epitaxial emitter deposition. At 1050 °C the effective minority carrier lifetimes of 200 µs for p-type and 250 µs for n-type show an increase of more than one order of magnitude compared to the standard epitaxial process at 1150 °C. The emitter saturation current of J0e < 45 fA/cm2 for p-type and J0e < 30 fA/cm2 for n-type FZ wafers show the potential for an application of epitaxial emitters into industrial and high efficiency solar cell concepts.In addition, the lifetime degradation of silicon substrates during the standard deposition process above 1100 °C has been analysed. The experiments show a minor lifetime degradation due to the formation of thermal defects by the high thermal budget and the cooling ramp. However, the diffusion of impurities depending on duration, ambient gas and temperature in the reactor has been identified as the dominating effect. Iron concentrations measurements on reference wafers of 1x108 1/cm3 increases to values of 4x1011 1/cm3 after a 4 min annealing process at 1100 °C. Alternative effects like the formation of mono vacancies and the migration of defects from the silicon surface have also been discussed.Solar cells using cSiTF and µcSiTFThe properties and possible adjustments to cSiTF solar cells have been investigated using the epitaxial wafer equivalent (EpiWE) concept. An alternative formation of the BSF by diffusion from a gaseous source with similar absorber material quality EPD < 2x104 1/cm² and the integration of a plasma texture have been carried out. An optimisation in absorber thickness to 30 µm and the decrease of open circuit voltages at deposition temperatures below 1100 °C has been presented. Furthermore, the development and a proof of concept of a solar cell process for the n-type cSiTF with p-type epitaxial emitter by APCVD with a record VOC of 655 mV and an efficiency of 13.9 % have been realised.Additional experiments have been conducted to investigate the different applications for the microcrystalline silicon layers by direct deposition using APCVD below 1000 °C. The presented experiments evaluate the solar cell properties of these layers including the parameters contact resistance, series resistance and material lifetime. The solar cell batches proof the feasibility of these concepts and show a VOC of 466 mV and a current of 14 mA without light trapping and texturing for a 10 µm thick absorber. Additional results and simulation by PC1D lead to the conclusion that the absorber layer has to be reduced to a thickness of 6 µm. Using microcrystalline silicon layers as seed layer on glass in combination with e-beam crystallisation shows voltages of 539 mV. A more industrial feasible approach is the crystallisation by ZMR resulting in voltages of 614 mV [8].These results and the characterisation of cSiTF solar cells will be used to increase the efficiency and the overall understanding of various cSiTF concepts.Wafer based solar cells with epitaxial emitterIn the last Chapter the development of n- and p-type solar cell concepts with epitaxial emitters has been presented. Solar cell simulations by PC1D and process simulations by Sentaurus Process have been conducted to determine the potential and limitations of epitaxial emitters by APCVD and to optimise the fabrication process. Based on these simulations and the improvement in material quality, the solar cell batches show record efficiencies of eta = 16.4 % for n-type solar cells and eta = 16.1 % for p-type cells on mc wafers. Optimised deposition process for mc wafers at 1000 °C and for mono crystalline wafers at 1025 °C have been established.The adjustments in metallisation and passivation lead to optimised concepts and new solar cell processes for epitaxial emitters and for cSiTF concepts as well. The record solar cells with a conversion efficiency of eta = 20.0 % on n-type, FZ and eta = 18.4 % on p-type, FZ proves that epitaxial emitters are able to compete with the state of the art diffusion process. These results are an increase in efficiency of over 2 % absolute over the last 3 years und show the successful process optimisation. The diffusion length Leff > 1500 µm and the similar open circuit voltages compared to the diffused emitter of 658 mV for n-type solar cells also underline their potential for high efficiency and industrial application.The improvement and the transfer of the epitaxial emitter from a simplified development concept to the high efficiency concepts includes the development of the plasma texture with in-situ selective emitter formation (JSC = + 2.85 mA/cm²) and an epitaxial BSF.In summary it can be stated that the advancements in process development presented in this thesis have already been used to optimise the current deposition process of cSiTF and will contribute to the ongoing development. Furthermore, the thorough characterisation and the application of alternative characterisation methods will contribute to a better understanding of cSiTF.

Differential light-biased dynamic measurements of charge carrier recombination properties in semiconductors have long been known to yield only differential rather than actual recombination properties. Therefore, the determination of injection-dependent recombination properties from such measurements was previously found to require integration over the entire injection range. Recent investigations of the phase shift between a time-modulated irradiation of silicon samples and excess carrier density reveal a striking analogy to the above findings: the phase shift is greater than the actual effective carrier lifetime in the case of a positive derivative of lifetime with respect to excess carrier density, and vice versa. This work attempts to rearrange the mentioned previous findings in a quantitative theoretical description of light-biased dynamic measurements of effective carrier lifetime. Both light-biased differential lifetime measurements as well as harmonically time-modulated methods without additional bias light are shown to represent a limiting case in a general treatment of light-biased dynamic lifetime measurements derived here. Finally, we sketch a way to obtain actual recombination properties from differential measurements—referred to as a differential-to-actual (d2a) lifetime analysis, which does not require integration over the entire injection range.

In this work, new approaches for the characterization of crystalline silicon wafers and solar cells using electroluminescence imaging (ELI) and photoluminescence imaging (PLI) were presented.Basis for the measurements was the construction of a sensitive, camera based luminescence imaging setup with a widely adjustable field of view. GaAs based optical filters were introduced for near optimal excitation light suppression. The illumination of samples for PLI is possible both with an LED panel and a homogenized solid-state laser. Both light sources have an adjustable and calibrated photon flux.A lifetime calibration method for PL images based on QSSPC measurements was implemented. To correlate the spatially resolved PLI data with integral QSSPC values, the QSSPC sensitivity distribution was characterized.In addition to the default Si CCD camera, several InGaAs cameras were evaluated and compared for the measurement of defect band luminescence. Corresponding measurements of a multicrystalline Si solar cell at different temperatures show both an anticorrelation of band-to-band PL with defect band PL and a PL increase for low temperatures.To separate the contributing factors to solar cell series resistance, a technique based on EL images was developed. A multilayered 2-D model of the solar cell is solved and fitted to p-n junction voltage maps from ELI until both voltage distributions agree. The series resistances of front metallization grid, metallization contact, emitter and base are parameters in the solar cell model and reach their respective values during fitting. The obtained results for different solar cells qualitatively respond correctly to changes, e.g. of emitter sheet resistance. However, light scattering effects lead to a systematic underestimation of the solar cell resistivity. Further refinements taking care of this issue are required to make quantitatively correct measurements.A newly developed technique for calibration-free imaging of the minority charge carrier lifetime tau_eff using time-resolved photoluminescence imaging (TR-PLI) was presented. The measurement is based on a modulated illumination of the sample, synchronized to a periodically shuttered recording of the PL emission. Three different shutter setups were described, with increasing experimental complexity and correspondingly higher time-resolution. The first setup uses a rotating shutter wheel in front of the camera lens and was able to resolve tau_eff down to ~300µs. The second setup-which was filed for patent-uses a shutter wheel in the intermediate image plane between two objective lenses, extending the measurement range down to ~5µs. The third setup is based on an electronically switched image intensifier unit, which allows reliable mapping of tau_eff from ~2.5µs to several ms. The electronic shuttering also simplifies evaluation and calibration, making this setup the preferred choice if the required image intensifier can be acquired.A comparison of the three shutter setups shows very similar results within their respective measurement range. The choice of excitation frequency has significant impact on the uncertainty of the measurement, an empirical optimum was found at f_exc = 1/tau_eff,max. Compared to the established lifetime measurement techniques QSSPC and µ-PCD, very good agreement was observed. At low excess carrier densities the measurements could not be compared as the results from QSSPC and µ-PCD were impaired by trapping and DRM artifacts, to which TR-PLI is less susceptible.To increase the dynamic range of the measurement, the TR-PLI lifetime map can be used to calibrate steady-state PL images. Also, a map of tau_eff at a laterally homogeneous excess carrier density can be obtained by the combination of several measurements.During the course of this work, several ideas to improve upon the presented techniques could not yet be realized. The series resistance characterization method would benefit from the implementation of a solar cell model including carrier diffusion, as well as the deconvolution of blurring effects in the luminescence images. The combined use of EL and PL might improve the robustness of the fitting procedure for this technique.For TR-PLI, a change of the evaluation method to use discrete Fourier transformation instead of fitting a model function is a promising approach to speed up the evaluation procedure, provided it does not degrade measurement quality. Alternatively, the procedure may be accelerated by the use of GPU computing for the evaluation algorithm. To extend the TR-PLI measurement range to even shorter lifetimes, a pulsed laser might be used for illumination. Extending the evaluation theory to account for rise and fall times of the illumination is another possible step to a greater measurement range.

This thesis focuses on three aspects of rear passivated solar cells:• The first part presented the theoretical aspects, with the analytical modeling of rear passivated solar cells.A special attention was given to analytical modeling of recombination losses and series resistance losses.• In the second part, two characterization methods for advanced solar cell structures have been resented. These methods, which were developed uring the Ph.D., are especially adapted to rear passivated structures.• In the third part, the technological aspect was developed, with the development of a deposition technique for Al2O3 passivation layers.

Der Siliziumwafer hat einen der größten Anteile an den Kosten einer auf kristallinem Silizium basierten Solarzelle.Diese Arbeit beschreibt den Einfluss verschiedenster Prozessschritte der Solarzellenherstellung auf eine Reihe neuartiger, defektreicher Silizium-Wafermaterialien, die verglichen mit herkömmlichen Silizium-Wafermaterialien gewisse Kostenvorteile bieten.Im Besonderen wird ein Hocheffizienzprozess für Laborsolarzellen vorgestellt, der sich auf eine Vielzahl unterschiedlicher Silizium-Wafermaterialien anwenden lässt und eine Bestimmung des Wirkungsgradpotentials dieser Materialien ermöglicht.

Characterization of ingots and wafers is important for quality control and evaluation of new manufacturing processes. On ingots the mechanisms of charge carrier lifetime and resistivity measurements have been investigated, involving the determination of the instrument characteristics. Scheil's equation was confirmed, the iron concentration was determined and boron oxygen defects were detected in the outer layer. The protocols SEMI MF-1188-1107 and SEMI MF-1391-0704 for determination of interstitial oxygen and substitutional carbon concentrations by infrared spectroscopy require sample thicknesses, which exceed common wafer thicknesses. Effects on thinner samples have been studied. We found a relation between resolution, sample thickness and the appearance of interference fringes. Physical and mathematical efforts to get rid of the interferences failed. A recalibration for the conversion coefficients is done for use with lower resolutions. To evaluate defect engineering of interstitial iron, an iron mapping method has been implemented for a Microwave-Photoconductance-Decay device.

Die Arbeit behandelt neben den Grundlagen der Lumineszenz in Silizium den Aufbau und die Entwicklung eines Photolumineszenz-Messplatzes. Bei der Photolumineszenz-Methode kommt die optische Anregung von Ladungsträgern mittels eines Infrarotlasers bzw. mittels eines LED-Arrays zum Einsatz. Die im Silizium auftretende Rekombinationsstrahlung (Lumineszenz) wird mittels einer sensitiven Infrarotkamera detektiert, wodurch sich unter anderem Informationen über Ladungsträger-Lebensdauern in Siliziumwafern ermitteln lassen.Im Rahmen der Arbeit wurden die beiden Anregungsmechanismen bezüglich ihres optischen Verhaltens dahingehend optimiert, bestmögliche und artefaktfreie Photolumineszenz-Messungen zu ermöglichen. Dazu wurden unter anderem eingehende Verbesserungen bezüglich der für Photolumineszenz-Messungen essentiellen optischen Filterung der intensiven Anregungsstrahlung durchgeführt. Hierbei wurde ein Langpassfilter auf GaAs-Basis verwendet, welcher die gestellten Anforderungen ideal erfüllt. Auf einige der bei kamerabasierten Lumineszenz-Messplätzen auftretenden Messartefakte, wie beispielsweise eine zentralsymmetrische Intensitätsüberhöhung, wird ebenfalls eingegangen. Des Weiteren wurde ein Algorithmus erarbeitet, welcher mittels externer QSSPC-Messung die Lebensdauer-Kalibrierung der PL-Aufnahmen ermöglicht. Die diesbezüglich durchgeführten Untersuchungen zum Zustandekommen des verwendeten QSSPC-Lebensdauermittelwerts sind detailiert behandelt.Abschließend werden einige mittels des aufgebauten Messplatzes ermöglichte Messungen vorgestellt. Dazu gehören ebenso Messungen, welche die Kombination aus elektrischer und optischer Anregung von Solarzellen verwenden.

Photovoltaische Konzentratormodule mit III-V Dreifachsolarzellen erzielen bemerkenswert hohe Wirkungsgrade bei der Umwandlung von solarer in elektrische Energie. Daher sind diese Module potentiell gut geeignete Kandidaten für die kostengünstige Erzeugung von erneuerbarer elektrischer Energie. Auch aus wissenschaftlicher Sicht stellen diese Konzentratormodule ein spannendes Betätigungsfeld dar. Insbesondere war vor Beginn der vorliegenden Arbeit nicht klar, wie und inwieweit die Leistung dieser Module im Betrieb unter Außenbedingungen durch unterschiedliche Einflussfaktoren wie Spektrum und Temperatur bestimmt wird. In weiterer Folge war unbekannt, wie der Energieertrag von Konzentratormodulen mit III-V Dreifachsolarzellen von diesen Einflussfaktoren bestimmt wird. Mit der vorliegenden Arbeit wurden wichtige Beiträge zum Verständnis dieser Module geleistet.Der Einfluss des solaren Spektrums auf Konzentratormodule mit III-V Dreifachsolarzellen wurde im Rahmen von Langzeituntersuchungen unter Außenbedingungen analysiert. Zu diesem Zweck wurde, ausgehend von der am Fraunhofer ISE entwickelten Spektralmetrikmethode [5, 94], eine neue Methode zur Quantifizierung spektraler Einflüsse entwickelt. Mit dieser Methode konnten funktionale Zusammenhänge zwischen dem spektralen Einfluss und elektrischen Parametern der untersuchten Module hergestellt werden. Auf Basis dieser Funktionen konnte der spektrale Einfluss in Modellen zur Beschreibung der Leistung und des Energieertrages implementiert werden.Im Rahmen dieser Arbeit wurde einer der weltweit ersten Sonnensimulatoren für Konzentratormodule aufgebaut. Dieser Sonnensimulator wurde sorgfältig evaluiert und speziell dazu eingesetzt, die Experimente unter realen Außenbedingungen zu ergänzen. So wurden experimentelle Methoden entwickelt, bei der Konzentratormodule am Sonnensimulator unter variabler Ausrichtung, Temperatur, Intensität und Winkeldivergenz kontrolliert untersucht werden können. Dies erlaubte in weiterer Folge eine Methode zu entwickeln, mit der erstmals die mittlere Temperatur der Solarzellen in einem Konzentratormodul unter realen Außenbedingungen bestimmt werden konnte.Bei der Analyse des Temperatureinflusses wurde bei keinem der untersuchten Konzentratormodule eine deutliche und stetige Abnahme des Wirkungsgrades mit steigender Zelltemperatur beobachtet. Dies stand im Widerspruch zu dem Verhalten, wie es aus der Literatur für die verwendeten Dreifachsolarzellen bekannt ist. Dieses ungewöhnliche Verhalten lässt sich durch eine Temperaturabhängigkeit der Fresnellinsen erklären, welche speziell in [107, 108] beschrieben wird. Zur Implementierung dieses Effektes in Leistungs- und Energieertragsmodelle wurde im Rahmen dieser Arbeit quadratische Funktion benutzt, um die Temperaturabhängigkeit des Kurzschlussstromes zu beschreiben. Außerdem wurde eine Funktion gefunden, mit der sich der Einfluss der direkten solaren Einstrahlung bzw. der Temperatur auf die offene Klemmenspannung von Konzentratormodulen gut beschreiben lässt.Auf dem Gebiet der experimentellen Untersuchung von Zirkumsolarstrahlung und deren Effekt auf Konzentratormodule wurde im Rahmen dieser Arbeit Pionierarbeit geleistet. Zum Einen wurde der Einfluss von Zirkumsolarstrahlung unter kontrollierten Bedingungen am oben erwähnten Sonnensimulator untersucht. Zum Anderen wurde eine Messmethode entwickelt, mit welcher der Effekt von Zirkumsolarstrahlung auf die untersuchten Konzentratormodule näherungsweise abgeschätzt werden konnte. Außerdem wurde erstmals der Einfluss von Zirruswolken, welche eine wesentliche Ursache für hohe Zirkumsolaranteile sind, auf Konzentratormodule untersucht. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Leistung der untersuchten Konzentratormodule in einer Bandbreite von etwa 5% durch Variationen in der Zirkumsolarstrahlung beeinflusst wird. Allerdings sind weitere Untersuchungen nötig, um den Effekt der Zirkumsolarstrahlung besser verstehen zu können und in weiterer Folge die Zirkumsolarstrahlung in Leistungs- und Energiertragsmodelle implementieren zu können.In dieser Arbeit wurden zwei Modelle vorgestellt, welche die Leistung von Konzentratormodulen in Abhängigkeit von Umgebungseinflüssen beschreiben. Bei beiden Modellen handelt es sich um Regressionsmodelle. Das bedeutet, dass die Modellparameter mittels Regression von Messdaten bestimmt werden. Ein Modell benutzt nur die Direktnormalstrahlung als direkte Einflussgröße. Das andere Modell benutzt die Direktnormalstrahlung, das Spektrum und die Umgebungstemperatur als Einflussgrößen, wobei der Kurzschlussstrom, dem Füllfaktor und die offene Klemmenspannung separat berechnet werden. Die Parameter des letzten Modells werden mittels multi-linearer Regression aus Messdaten bestimmt. Beide Modelle wurden anhand von Messungen in Sevilla (Spanien) evaluiert. Dabei zeigte sich, dass der mittlere Modellfehler etwa ±4% für das Direktnormalstrahlung basierte Regressionsmodell und ±3% für das multi-lineare Regressionsmodell beträgt. Die produzierte Energie wird mit beiden Modellen sehr gut beschrieben. Konkret wurde die Energie, die im Laufe eines Jahres in Sevilla produziert wurde, mit dem multi-linearen Regressionsmodell auf 0.3% genau bestimmt.Es wurde ein Modell zur Berechnung des Energieertrages von Konzentratormodulen vorgestellt, das auf den standortabhängigen Messwerten der Direktnormalstrahlung, der Umgebungstemperatur, und der atmosphärischen Zusammensetzung basiert. Für sieben ausgewählte Standorte wurden die Energieerträge der untersuchten Konzentratormodule und zwei kommerzielle (aktuelle) Flachmodule mit kristallinen Siliziumsolarzellen berechnet. Sowohl für die Konzentratormodule als auch die Flachmodule wurde eine 2-achsige Nachführung bei der Berechnung des Energieertrages zugrunde gelegt. Der höchste berechnete flächenbezogene Energieertrag betrug 651 kWh/m²/Jahr und wurde für das Konzentratormodul ISE T 049 am Standort Sede Boker (Israel) erzielt. Das ist etwa 52% mehr flächenbezogene Energie, als dort mit dem Flachmodul mit multikristallinen Silizumsolarzellen (SW 235 Poly) erzeugt wird, und etwa 13% mehr Energie, als dort für ein hocheffizientes Flachmodul der Firma Sun Power (SP E19 318) berechnet wird. Dagegen wurde der Energieertrag der Konzentratormodule für den Standort Ispra (Norditalien) als deutlich geringer (13-27%) errechnet als jener für das Modul SP E19 318. Es zeigte sich, dass spektrale Effekte den Energieertrag der untersuchten Konzentratormodule am Standort Ispra limitieren. Dabei wurde als vorrangige Ursache die vergleichsweise hohe geographische Breite identifiziert. Einen untergeordneten Einfluss auf den Energieertrag der Konzentratormodule hat die Zusammensetzung der Atmosphäre.Für Standorte, die auf Breitengraden

The amorphous silicon carbide films investigated throughout this work were pro-duced on the basis of plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The two different PECVD reactors used for the deposition of the films were presented. The principle development of the material was conducted at the AK400M batch-type reactor from Roth&Rau and the processes were then transferred to an industrial type SINA in-line reactor from the same company. For standard passivating Si-rich a-Si1 xCx layers deposited in the AK400M reactor working with RF power only, SIMS measurements revealed rather low C-atom densities (< 10 at.%) in the matrix. Doping atom densities of 1×1021 cm-3 for phosphorous and of 5×1020 cm-3 for boron were determined for a typical gas flow of 100 sccm (B2H6 or PH3 highly diluted in H2). The a Si1 xCx films fabricated in the SINA reactor exhibit a similar composition as well as similar electrical properties as their batch-type counterparts.A parallel analysis of a-Si1-xCx/c-Si and a-Si1-xCx/c-Ge systems was performed. From literature it is known that the main differences in terms of surface passivation of crystalline silicon and germanium substrates are the instability of (thermally grown) GexOy and the limited practicability of hydrogen for the passivation of Ge dangling bonds. From a compositional viewpoint, the performed transmission electron micros-copy (TEM) studies reveal no difference in the film structure depending on the substrate type. With increasing C-content, the Si-rich a-Si1-xCx films become less dense, a fact which is attributed to an increasing microvoid density. The c-Si surface passivation quality is found to be directly correlated with the Si-H bond density in the film. The onset of Si H bond rupture at around 300°C therefore coincides with the onset of electrical degradation independently of the carbon content and the doping density in the film. The surface passivation of germanium by a-Si1-xCx demonstrates a fairly different behavior. First of all, the thermal stability of intrinsic films is significantly increased. The electrical degradation starts at temperatures as high as 450°C and therefore indicates a “decoupling” of hydrogen present in the film and passivation quality.Regarding the optimum substrate temperature during film deposition, a value of Topt=270°C was found to provide the best overall performance for Si as well as for the Ge substrate. A similar behavior for both substrate types is observed for deposition temperatures below and above this temperature. Post-deposition annealing improves the passivation quality for Tann Topt. This finding is in accordance with the role of hydrogen for the passivation of c-Si surfaces. As a result of the experiments, the carbon in the a-Si matrix is supposed to inhibit the epitaxial growth observed for a-Si depositions at increased temperatures. The latter is considered to be responsible for the electrical degradation of the film. In the case of c Ge, the level of surface passivation is assumed to be indirectly correlated with the hydrogen incorporation at increased deposition temperatures since the latter is supposed to have a direct impact on the growth kinetics of the film.From isothermal lifetime experiments, an activation energy for the degradation of the passivation quality was extracted. For the c-Si/a-Si1-xCx system this energy amounts to approx. 0.5 eV, for the c-Ge/a-Si1-xCx system a value of approx. 2 eV was found, clearly pointing to different passivation mechanisms involved. Furthermore the results of this type of experiment allow for linking the temperature stability of the electrical properties of the film to the equilibrium between Si-H bond rupture and its inverse process (Si H↔Si + H). The latter is triggered by the availability of free atomic or molecular hydrogen in the matrix.A set of a-Si1-xCx passivated silicon wafers of different thicknesses allowed for the extraction of the “pure” injection dependent effective SRVs. The fitting of the SRV data of p- and n-type silicon substrate with the extended Shockley-Read-Hall (SRH) model reveals a change of sign for the fixed charge density parameter Qf of the film when changing the doping polarity of the substrate. The existence of amphoteric interface (near) states is confirmed by SPV measurements. Several experiments performed with the a-Si1-xCx/c-Ge system point to a direct saturation of Ge dangling-bonds by Si- and/or C-atoms. The latter effectively suppresses carrier recombination at the germanium surface. The passivation of c-Si surfaces on the contrary is inherently linked to the saturation of Si dangling-bonds by hydrogen. Although the incorporation of carbon in the a-Si matrix was shown to clearly enhance the thermal stability of the c-Si passivation in the temperature range up to 500°C (as compared to pure a-Si), the stability during firing processes (750-900°C) could not be verified.The performance of intrinsic and doped a-Si1-x¬Cx as rear side passivation (in im-mediate contact to the solar cell base) was investigated. Intrinsic films preserve their excellent passivation quality at the solar cell level, in particular no indication of inversion layer shunting comparable to the phenomenon observed in SiNx is found. The performance of its doped counterparts as passivating media strongly depends on the doping level and on the applied rear contacting scheme. However, the major benefit of doped Si-rich a Si1 xCx layers is unveiled in combination with (thin) intrinsic films. This is demonstrated by a newly developed rear passivation and contacting scheme based on intrinsic and doped a Si1 xCx films in conjunction with an adequate laser process (PassDop). The fulfilled demands of the amorphous silicon carbide system on the rear of the solar cell are threefold: very low SRVs are yielded by the intrinsic film next to the crystalline silicon interface, an overlying highly doped Si-rich a Si1 xCx layer acts as dopant source during the laser process and a C-rich layer enhances the optical con-finement at the rear of the cell. On high-efficiency n-type solar cells, this approach evidenced a very high process stability and led to efficiencies of up to 22.4 % (Voc =701 mV, FF =80.1 %). On p-type cells, the equivalent process yielded efficiencies of up to 21.6 % (Voc =683 mV, FF =80.7 %) being therefore directly comparable to passivation schemes featuring high quality thermal SiO2 and to atomic-layer deposited Al2O3 in combination with the LFC process.The use of a highly doped a Si1 xCx layer as a doping source during the solar cell fabrication can result in a thermally stable high-low passivation scheme. A simplified process sequence for n-type solar cells based on the in-situ diffusion of a n+ BSF from phosphorous doped a Si1 xCx was introduced. The diffusion of the rear high-low junc-tion takes place during the high-temperature process for the formation of the boron emitter. The rear contacting is done by a laser process equal to the one presented in the PassDop approach. The introduction of an additional C-rich film on the rear makes this approach optically superior to diffused full area contacted BSFs. In combination with a well passivated front side, this concept was found to have an efficiency potential of up to 20 %.Layer structures based on amorphous silicon carbide were also applied to the solar cell front side. The former necessarily comprise at least a two layer system. A thin Si-rich film (≈ 10 nm) next to the interface is needed for the electrical surface passivation and a C-rich film of adjusted layer thickness serves as anti-reflection coating (ARC).Si-rich a-Si1-x¬Cx films exhibit good passivation properties on planar (shiny etched) phosphorous diffused n+-surfaces (J0e ≈ 40 fA/cm2), however a strongly deteriorated performance is observed on textured (random pyramids) surfaces (J0e ≈ 400 fA/cm2). Boron diffused p+-surfaces could not be satisfactorily passivated by a-Si1-x¬Cx. (J0e ≈ 900 fA/cm2). The typical procedure for the extraction of the emitter saturation current density (J0e) from lifetime measurements was found to be unfeasible for the passivation with a Si1 xCx. This finding is ascribed to the strongly injection dependent surface recombination velocity of a Si1 xCx at low injection levels independently of the surface doping polarity.C-rich a SiyC1-y (y >0.5) layers were optimized regarding their transparency, yielding anti-reflection coating properties slightly inferior to the ones of typical ARC-SiNx. A low temperature approach for the front side passivation and front contact formation (SE-PassDop) was presented which basically consists of a laser process for opening of the silicon carbide and of subsequent front metallization by Ni/Ag or Ni/Cu plating. During the laser process, additional dopant atoms incorporated in the front passivation scheme are driven into the surface and allow for the formation of a selective emitter.First p-type solar cells featuring the PassDop rear and the SE-PassDop front side approach for the passivation and contacting of respective surfaces were fabricated with planar (shiny etched) and textured (random pyramids) front side. A strong parasitic absorption on the front side is mainly attributed to a non-optimized C-rich a SiyC1-y layer. Open-circuit voltages of up to 672 mV and 623 mV evidence a high level of surface passivation on planar emitters and a strongly deteriorated performance on textured surfaces, respectively. The feasibility of the metallization concept including the laser process is impressively demonstrated by fill factors of up to 79 %. The incor-poration of a doped, Si-rich a Si1 xCx film in the emitter passivation scheme proved to be beneficial in terms of series (contact) resistance as well as in terms of front surface recombination.While the parasitic absorption in the front a-SiCx layer stack should be strongly re-duced by application of an optimized C-rich a SiyC1-y layer and by further reduction of the thickness of the passivating/dopant containing films, it is not yet clear how to over-come the problems related to the poor electrical passivation of surfaces featuring random pyramids.As a final, practical remark, passivating a Si1 xCx is more closely related to amor-phous silicon than to SiNx – from a chemical as well as from an electrical viewpoint. However, “carbon doping” of the amorphous silicon matrix clearly exhibits a beneficial impact on the (low temperature) thermal stability of the film (< 500°C) while maintaining an excellent level of electrical properties.

Chapter 1 gives an introductory overview of the current status of photovoltaics, with focus on crystalline silicon (c-Si) based technology. An essential contribution to the reduction of electricity generation costs at the solar module production level is to be expected mainly from reduced silicon consumption by using thinner wafers and/or employing cheaper silicon feedstock. Together with sufficient light trapping, the key factor to being able to exploit the combined cost reduction potential by using thin solar grade silicon wafers is the availability of very good and industrially applicable electronic surface passivation methods. That way, material quality makes almost no difference anymore when going down to wafer thicknesses of 30 µm from the current 150-200 µm. This gives the motivation for this work.Chapter 2 gives an overview of the theoretical bases of surface passivation and antireflection coating and describes the methods and equipment used to characterize the layers created in this work.While the µPCD was applied to obtain spatially resolved lifetime maps of the entire sample, the QSSPC was subsequently used to determine absolute values of the best areas that can be compared with the literature, as QSSPC is the established standard in c-Si photovoltaics.The refractive index and thickness of the investigated dielectric films were measured by spectroscopic ellipsometry, and the chemical composition was analyzed by Fourier-Transformed Infrared Spectroscopy (FTIR) to investigate relations with the surface passivation and optical properties.Chapter 3 explains the difference between growth and deposition as methods to obtain a film on top of a substrate and gives some examples of the dielectrics and their formation techniques which are most commonly used in current c-Si solar cell technology, with focus on SiOx and SiNx from thermal oxidation and Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), respectively.Subsequently, the thin film formation technology by PECVD is described more detailed, and the particularities of the low-frequency (LF) direct-plasma PECVD reactor from Centrotherm, mainly used in this work, are outlined.In chapter 4, the results of experiments with a-SiNx:H (SiNx) are presented. SiNx was solely deposited using the LF Centrotherm system, in contrast to SiCx.Regarding deposition parameters, the influence of the gas flow ratio and wafer position in the horizontal boat position on the passivation and optical properties as deposited and after simulated contact co-firing were investigated.As an approach to potentially reduce the costs of PECVD deposition by using cheaper precursor gases, the effect of a variation of the purity grade of ammonia used for the SiNx depositions was investigated on lifetime samples as well as solar cells. Finally, the long-term stability of the encapsulated solar cells was tested by temperature variation cycling as no clear difference between the different purity grades was detectable on the cell level between ammonia purity grades N50 (UHP), N36 and N20 (industrial grade, 99% purity).Chapter 5 presents the experiments and results of a-SiCx:H (SiCx) depositions from methane and silane by both 13.56 MHz high-frequency and 40 kHz low-frequency PECVD, as well as experiments with a-SiCxNy:H (SiCxNy) deposited by low-frequency PECVD from either methane, ammonia and silane or ammonia together with an alternative silicon-containing precursor.Resulting films were characterized by QSSPC lifetime measurements and thickness and refractive index evaluated by spectroscopic ellipsometry. The low-frequency deposited samples were later also subject to FTIR measurements to investigate their structure and chemical composition.The best passivation was found for layers fabricated by the high-frequency PECVD with highest Si content, i.e. these layers were stoichiometrically close to amorphous silicon, with the passivation quality continuously decreasing with Si content. This trend changed after firing, with the highest effective lifetime being reached at a GFR of 6, whereas the passivation of the 4 ms sample almost completely degraded to 4 µs, which is in accordance with a-Si:H results, not able to withstand firing.SiCx from LF-PECVD gave lower passivation for the as-deposited layers, but the best passivation after firing is better than for the films deposited by HF-PECVD within this work, and equals the best passivation by intrinsic SiCx reported by two authors.

In this thesis the passivation and diffusion of hydrogen of sputtered silicon nitride layers in multicristalline silicon solar cells was investigated. Firstly the dependence of the volume passivation from different deposition and layer parameters such as temperature, pressure, and layer thickness was examined. The focus of this investigation was the influence of these parameters on the diffusion respectively the passivation of the solar cell. Based on a literature research and the experimental results a qualitative model which describes the diffusion mechanisms of hydrogen in a solar cell could be found. By optimizing the hydrogen concentration and by using an ammonium pretreatment before coating the cell efficiency could be improved significantly. Based on the investigation of the working mechanisms of the ammonium pretreatment, alternative ammonium prepreatment methods were tested such as a DC-plasma pretreatment and a RF cathode.

Um die Rückseitenpassivierung von siebgedruckten bifacialen Solarzellen zu verbessern, wurde im Rahmen dieser Arbeit die Qualität der Passivierungsschicht dieser Solarzellen in Abhängigkeit ihrer wesentlichen Eigenschaften charakterisiert. Weiter wurden verschiedene Rückseiten-Passivierungen bei der Herstellung von bifacialen Solarzellen realisiert und die hergestellten Solarzellen im Hinblick auf ihre Rückseitenpassivierung charakterisiert.

This work was motivated by the large impact of the electrical material quality on the performance of crystalline silicon solar cells. The material quality is determined by electrically active defects in silicon. A main objective of this work was developing and improving analysing methods based on lifetime spectroscopy to increase and further complete the knowledge of electrically active metallic defects in silicon. In particular, the temperature and injection-dependent charge carrier lifetime has been investigated to determine the characteristics of metallic point defects. The spectroscopic potential of this method has been investigated and compared to other analysing methods. Additional studies were performed in correlation with the metastable boron-oxygen defect complex in boron doped monocrystalline silicon crystals. The large photovoltaic market share of Czochralski-silicon causes the economic importance of the light-induced degradation losses due to this defect. Against this background investigations were performed within the present work regarding monocrystalline silicon material alternatives to avoid light-induced degradation losses. Cell efficiency degradation could be avoided by the use of gallium doping. Nevertheless, although optimised high temperature process steps were used the oxygen contamination of the silicon played a key role regarding the achieved efficiencies. In addition float-zone silicon crystals with a small amount of oxygen contamination were investigated. This material was crystallised with a special process which is potentially suitable to significantly reduce the float-zone material price. In summary, application of the investigated materials for cell processing is a very promising alternative to increase the cell efficiency which is stable under illumination.

Die Arbeit behandelt, ausgehend von einem Grundlagenteil zur Lumineszenz von Siliziumsolarzellen, den Aufbau eines Messplatzes zur bildgebenden Charakterisierung von Solarzellen mittels Elektrolumineszenz. Dabei wird die Umkehrung des Photoeffekts ausgenutzt, also die Emission von Photonen beim Anlegen einer Spannung an die Solarzelle. Hauptbestandteil der Arbeit ist der genaue Aufbau des Messplatzes und seiner Komponenten, sowie die grundsätzlichen Überlegungen und Anforderungen zur Auswahl der Einzelkomponenten, einschließlich eines Abschnitts zu den Grundlagen von CCD-Kameras. Anschließend folgt eine Übersicht der mit dem Messplatz durchgeführten Messungen. Es werden die durch Elektrolumineszenz bisher messbaren Eigenschaften von Solarzellen aufgeführt und anhand von Messergebnissen demonstriert, wie sich häufig auftretende Defekte und Produktionsfehler kristalliner Siliziumsolarzellen unterscheiden lassen.

Solarzellen aus Silizium nutzen die im Sonnenspektrum enthaltene Energie nur unvollständig aus. Diese Verluste können durch Photonen-Management reduziert werden. Photonen-Management zielt darauf, den Wirkungsgrad von Solarzellensystemen zu erhöhen, indem das Sonnenspektrum aufgeteilt oder verändert wird, bevor das Sonnenlicht von Solarzellen absorbiert wird.In dieser Arbeit werden dazu zwei Konzepte untersucht: Fluoreszenzkonzentratoren mit photonischen Strukturen und die energetische Hochkonversion von Photonen. Mit theoretischen Modellen werden die wesentlichen Wirkmechanismen untersucht, sowie experimentell wesentliche Materialeigenschaften bestimmt und komplette Solarzellensysteme realisiert. Für beide Gebiete werden konzeptionell weiterführende Systemarchitekturen entwickelt, die Perspektiven für eine erfolgreiche Anwendung der Konzepte eröffnen.

The present work was concerned with the analysis of electrically active defects in silicon for solar cells. Analysis of such defects was performed using the two different characterization techniques deep-level transient spectroscopy and lifetime spectroscopy. The challenge of the present work was the in-depth comparison of the different measurement and evaluation techniques as well as the experimental use of these techniques for accessing the defect parameters of various impurities in silicon material.

In dieser Arbeit wurde das Folienmaterial Ribbon Growth on Substrate, welches auf einem Substrat direkt aus der Schmelze auskristallisiert, in Hinblick auf seine Eignung als Wafer für Photovoltaikanwendungen evaluiert. Dazu wurden Zusammenhänge zwischen elektronischen Kenngrößen und der Kristallstruktur hergestellt.Zu diesem Zweck wurden verschiedene Wafer zu Solarzellen prozessiert und diese mit den ortsaufgelösten Meßmethoden LBIC und Thermografie charakterisiert. Stellen mit auffälligen Inhomogenitäten wurden mit einem Laser herauspräpariert, und die Kristallstruktur sowie die Defektverteilung wurde naßchemisch für lichtmikroskopische und elektronenmikroskopische Untersuchungen sichtbar gemacht.

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden verschiedene Laserverfahren zur industriellen Fertigung von kristallinen Siliziumsolarzellen angewandt und untersucht. Diese beinhalten vor allem die selektive Ablation von Silizium sowie auf die entsprechenden Oberflächen abgeschiedenen dünnen Schichten aus Dielektrika , Lacken oder Metallen, die Legierung von Metallen in den Halbleiter sowie das selektive Dotieren von Halbleitermaterial. Alle Prozesse wurden zuerst mit unterschiedlichen experimentellen Verfahren charakterisiert und abschließend auf verschiedenen Solarzellenstrukturen qualifiziert.

In dieser Arbeit wird die heutige Industriesolarzelle mit Dickfilmmetallisierung untersucht und Wege und Möglichkeiten aufgezeigt, diese weiter zu entwickeln und zu optimieren.Im ersten Teil der Arbeit wurden Solarzellen aus Solarsilizium hergestellt und untersucht. Solarsilizium, das direkt aus metallurgischen Silizium hergestellt wird, hat den Vorteil, dass es mit weniger Energieaufwand wesentlich kostengünstiger herzustellen ist als das bisher verwendete Electronic Grade (EG) Silizium. Es wurde eine optimierte Diffusion entwickelt, die durch zusätzliches Gettern die Leistung der Zellen verbessert. Es konnte gezeigt werden, dass die Solarzellen aus reinen SoG-Wafern konkurrenzfähig zu den bisher verwendeten EG-Silizium Wafern sind.Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Diffusion im Gürtelofen mit aufgesprühten Dotierstoffen untersucht. Dies hat den Vorteil, dass auch die Emitterdiffusion als Durchlaufprozess (Inline) erfolgen kann und ein aufwändiges Waferhandling vermieden wird. Ein beidseitiges Besprühen der Wafer führte durch ein verbessertes Phosphorgettern während der Diffusion zu höheren Wirkungsgraden. Es konnte gezeigt werden, dass sich mit der Sprühdiffusion Solarzellen mit vergleichbaren Wirkungsgraden wie bei der Diffusion aus der Gasphase (POCl3) herstellen lassen.Im Hauptteil der Arbeit wurde ein Konzept für bifaciale Solarzellen auf dünnen Wafern entwickelt. Charakteristisch für dieses Konzept ist die im Vergleich zur Industriesolarzelle veränderte Rückseite mit einem Bor-BSF. Zur Passivierung der p+-dotierten Oberfläche des Bor-BSFs wurde ein etwa 20 nm dickes Siliziumoxid aufgewachsen. Im Anschluss wurde ein Siliziumnitrid als Antireflexions- und Schutzschicht abgeschieden. Der offene Rückkontakt wurde mit einer aluminiumhaltigen Silber-Paste im Siebdruckverfahren hergestellt. Eine Durchbiegung der Wafer beim Kontaktsintern (im Vergleich zur herkömmlichen ganzflächigen Metallisierung der Rückseite mit Aluminium) konnte selbst bei bis zu 150 µm dünnen Wafer nicht beobachtet werden, womit das Konzept für dünne Wafer geeignet ist. Bei einseitiger Beleuchtung konnten Wirkungsgrade von 16,1% erreicht werden. Als zusätzlichen Bonus kann eine bifaciale Solarzelle auch das Licht auf der Rückseite einsammeln. Bei voller Beleuchtung von der Rückseite erreichen die Solarzellen noch etwa 60% - 80% ihrer normalen Leistung.Anhand von Simulationen mit dem Programm PC1D wurden die Solarzellen weiter analysiert. Damit konnte zunächst die Ausgangsleistung der Solarzellen bei bifacialer Beleuchtung abgeschätzt werden.Messungen mit einem Modul unter realen Bedingungen zeigten einen Leistungsgewinn von durchschnittlich 20% im Verlauf eines Tages durch die bifaciale Eigenschaft des Moduls.

This thesis contains the characterisation of block cast multicrystalline silicon (mc-Si) and the development of a solar cell process based on this material. Metallic impurities occuring commonly in mc-Si create recombination centers that have much lower capture cross section for holes than for electrons. This means that the lifetimes of the minority charge carrier in n-type Si should be higher compared to p-type Si containing the same concentration of impurities. The lifetime measurements presented in this work confirm this. This opens the opportunity to produce mc n-type Si solar cells with higher efficiencies than with the industrially used mc p-type Si.BBr3-Diffusion is optimised for emitter-diffusion on n-type mc-Si, showing a gettering effect of this process step, which leads to an increase of the lifetime of the minority charge carriers. In addition, the surface passivation of the emitter by thermal SiO2, SiNx and - as a new method - with SiCx is investigated. The best results are achieved with thermal SiO2, but also the results obtained with SiCx are promissing. With the new developped process a record efficiency of 15.2% is obtained on n-type mc-Si with a back-surface-field concept. Simulations show, that the very good electronic quality should lead to significantly higher efficiencies in the future.

Firstly industrial state of the art solar cell fabrication of the year 2006 is drafted shortly and the silicon-feedstock-challenge (absence of adequate solar silicon) is diskussed. Subsequently follows a detailed part concerning the concept of large-area "silicon liquid phase epitaxy solar cell". This concept is not affected by the silicon-feedstock-challenge. Basically Indium is used as melt or dilution. The solar cell area is about 25 square centimeters. By using liquid phase epitaxy the top layer (about 30 microns) of the metallurgical contaminated silicon wafers is improved. From the arising "wafer-equivalents" solar cells with a relevant efficiency (around 10%) can be made by a procedure close to industrial standards. This concept is evaluated with respect to industry relevance. At the end of this work solar cell concepts for the future are given.

Die vorherrschende Technologie zur Kontaktierung von Silizium-Solarzellen in der Photovoltaikindustrie ist die Dickfilmmetallisierung. Die Vorteile dieser kostengünstigen Technologie liegen im hohen Durchsatz, der geringen Zahl an Prozessschritten und der Möglichkeit, von dem Erfahrungsschatz der Mikroelektronik zu profitieren. Ein Weg zur weiteren Reduktion der Kosten pro Wattpeak ist die Steigerung des Wirkungsgrades von Industriesolarzellen. Die Hauptverluste einer solchen Solarzelle sind zum einen materialinduziert, zum anderen eng mit der Dickfilmmetallisierung verknüpft.In dieser Doktorarbeit wird deshalb die Dickfilmmetallisierung von kristallinen Silizium-Solarzellen grundlegend untersucht. Konkurrierende Prozesse während der Kontaktbildung werden getrennt voneinander analysiert. Aus den daraus gewonnenen Erkenntnissen werden Modelle für die Kontaktbildung und die elektrische Leitung in einem Dickfilmkontakt erstellt. Diese Modelle werden angewendet, um eine Prozesssequenz zu entwickeln, die es ermöglicht, moderat dotierte Emitter (ND, Oberfläche = 4×10^19 cm^-3) mit einer Standard-Silber-Dickfilmpaste zu kontaktieren. Des Weiteren werden blei- und cadmiumfreie Silber- und Aluminium-Dickfilmpasten zur Metallisierung von Solarzellen entwickelt. Optimierte Pasten, die innerhalb des europäischen Forschungsprojekts EC2Contact entwickelt wurden, führen zur Herstellung von Industriesolarzellen, die den Wirkungsgrad bleihaltiger Referenzpasten erreichen. Dies ist der bisher höchste publizierte Wirkungsgrad, der mit bleifreien Dickfilmpasten erzielt wurde. Die entwickelten Pasten werden derzeit vom Projektpartner Metalor in den Markt eingeführt.Diese Arbeit ist in drei Teile unterteilt. Der erste Teil handelt von der Industriesolarzelle im Allgemeinen. In Kapitel 1 wird dieser Typ Solarzelle und sein Herstellungsprozess vorgestellt. Im 2. Kapitel werden die Hauptverlustmechanismen in typischen Industriesolarzellen identifiziert und untersucht. Typische Charakterisierungsmethoden, die in dieser Arbeit benutzt werden, werden eingeführt und angewendet. Abschließend wird der Einfluss des Kontaktfeuerungsprozesses auf die Solarzellenleistung untersucht.Die Untersuchungen des Silberdickfilmkontaktes auf Solarzellen werden im zweiten Teil vorgestellt. In Kapitel 3 wird die Entwicklung des Linienwiderstands aufgrund von Sintern der Silberpartikel im schnellen Feuerprozess mit Hilfe einer neu entwickelten Messmethode, der in-situ Linienwiderstandsmessung, untersucht. Die Mikrostruktur des Kontaktinterfaces von Silberdickfilmkontakten zu Silizium wird mit elektronenmikroskopischen Aufnahmen und Röntgenstrahlanalysen in Kapitel 4 untersucht. Die elektrische Kontaktbildung ist Inhalt des Kapitels 5. Der Fokus liegt hier auf der Rolle des Bleioxids, welches in der Glasfritte enthalten ist. Die Glasfritte ist Teil einer typischen Dickfilmpaste. Sowohl der Einfluss der Oberflächenkonzentration des Phosphors als auch der Oberflächentextur des Siliziums wird studiert. Aus den Erkenntnissen wird ein Modell der Kontaktbildung aufgestellt. In Kapitel 6 werden die elektrischen Eigenschaften des eingebrannten Silber-Dickfilmkontakts untersucht. Mit Hilfe von grundlegenden Metall-Halbleiter Gleichungen werden die Eigenschaften des Silberdickfilmkontakts simuliert und die Ergebnisse mit experimentellen Daten verglichen. Die Kinetik der elektrischen Kontaktbildung wird mit Hilfe der neu entwickelten In-Situ Kontaktwiderstandsmessung studiert. Des Weiteren wird der hilfreiche Effekt eines Forming Gas Anneals auf den Kontaktwiderstand des Silberdickfilmkontakts zum Silizium untersucht. Die Ergebnisse werden zur erfolgreichen Herstellung einer Solarzelle mit einem moderat dotierten Emitter mit einem Serienwiderstand von 0.7 Ohmcm^2 führen.Im dritten Teil wird die Entwicklung von bleifreien Dickfilmpasten zusammengefasst. Das in Kapitel 5 entwickelte Modell der Silberdickfilmkontaktbildung wird in Kapitel 7 angewendet, um geeignete Alternativen zum Bleioxid zu finden. Schließlich werden diese Untersuchungen zur erfolgreichen Entwicklung einer blei- und cadmiumfreien Silberpaste führen. In Kapitel 8 werden die Untersuchungen und Experimente zur Entwicklung einer blei- und cadmiumfreien Aluminiumpaste vorgestellt.

Photozellen mit niedriger Bandlücke, d.h. kleiner als jene von Si, können in Tandem-Solarzellen oder in der Thermophotovoltaik (TPV) angewandt werden. Niedrige Bandlücken können durch das Einbetten von Lagen mit SiGe-Nanostrukturen in Si erzielt werden. Befindet sich solch ein Stapel in der Raumladungszone einer pin Diode, erhöht sich dadurch die Infrarot-Sensibilität der Photozelle. Die Kompatibilität zur Si-Technologie wird durch die Verwendung von kristallinen Si-Scheiben als Substrat und durch Ultrahochvakuum-Epitaxie aus der Gasphase (UHV-CVD -- Ultra High Vacuum-Chemical Vapour Deposition) gewährleistet, das eine kosteneffizientere Massenfertigung im Vergleich zu anderen Materialien mit niedriger Bandlücke, wie z.B. GaSb, verspricht. Die Gitterfehlanpassung zwischen Si und Ge von ca. 4% führt zur Stauchung der SiGe Strukturen, welche die maximale Dicke, die epitaktisch abgeschieden werden kann, limitiert. Da Absorption des Lichtes eine Voraussetzung für die photovoltaische Umwandlung in Elektrizität ist, und die abscheidbare SiGe-Dicke klein im Vergleich zur Dicke einer Si Photozelle ist, wird für eine vergleichbare Quantenausbeute ein entsprechend höherer Absorptionskoeffizient der SiGe Nanostrukturen benötigt. Die örtliche Begrenztheit der Ladungsträger (Confinement) in den SiGe Nanostrukturen bewirken eine Verbreiterung ihrer Wellenfunktion im Impulsraum, die zu einer höheren Wahrscheinlichkeit eines direkten Übergangs der Ladungsträger vom Valenz- zum Leitungsband führt. Deshalb kann erwartet werden, dass diese Übergänge, die kein Phonon benötigen, die optische Absorption signifikant erhöhen. In dieser Arbeit wird die optische Absorption von SiGe Nanostrukturen zum ersten Mal in absoluten Einheiten untersucht und die Ergebnisse mit einer Photostrommessung verglichen. Darüberhinaus werden die Gestehungskosten von Elektrizität, die durch TPV erzeugt wird, abgeschätzt.Die optische Absorption der SiGe Strukturen wurde mittels interner Vielfachreflexions-Spektroskopie gemessen, bei der das Licht den Stapel von SiGe Lagen mehr als 400 mal durchläuft. Die Totalreflexion des Lichtes bewirkt eine stehende elektromagnetische Welle. Der Absorptionskoeffizient wurde aus den experimentellen Daten unter Berücksichtigung der Geometrie und der Verteilung des elektrischen Feldes gewonnen. Das Messergebnis wurde mit einem theoretischen Modell verglichen, das die Bandstruktur des gestauchten SiGe, sowie Confinement-Effekte berücksichtigt. Der Vergleich von der Photostrom- mit der Absorptionsmessung weist darauf hin, dass einige Photonen mit einer Energie < 1 eV nicht in Photostrom umgewandelt werden. Ohne Lichteinfang wären 1000 Lagen mit SiGe Strukturen notwendig, um 1% des Lichtes mit einer Photonenenegie von 1 eV zu absorbieren. Lichteinfang und eine Verbesserung der Abscheide-Technologie ist erforderlich, um SiGe Nanostrukturen zu erhalten, die für den Einsatz in der Photozellen-Produktion geeignet sind.Es wurde eine detaillierte Kostenabschätzung für TPV-Systeme angefertigt, die auf drei verschiedenen Photozell-Technologien basieren: Si Photozellen, GaSb Photozellen und Photozellen mit niedriger Bandlücke, zu einem Preis, wie er mit Si-kompatibler Technologie zu erwarten ist. Für die Berechnung der Kosten der Elektrizität wurde eine Lebensdauer von 20 Jahren, ein jährlicher Zinssatz von 4,25% und ein jährlicher Wartungsaufwand von 1% der Investitionskosten angesetzt. Für die Bestimmung der Produktionskosten eines TPV-Systems mit einer thermischen Leistung von 12-20 kW wurden die Kosten der TPV-Einzelkomponenten zuzüglich 100 EUR/kW_{el,peak} für die Fertigung und Kleinteile angenommen. Die Kosten des GaSb basierten Systems wurde von den Kosten der Photozellen und der Annahme, dass diese 35% der Gesamtkosten betragen, berechnet. Die Berechnung wurde für vier verschiedene TPV-Szenarien durchgeführt: Ein Prototyp-System, das auf existierender Si Solarzellen Technologie basiert (Systemwirkungsgrad eta_{sys} = 1,0%), ergibt Investitionskosten von 3.000 EUR/kW_{el,peak}, ein optimiertes Si Photozellen basiertes, mit verfügbarer Technologie fertigbares System (eta_{sys} = 1,5%) ergibt Investitionskosten von 900 EUR/kW_{el,peak}, ein weiter optimiertes System, das auf zukünftiger, kostengünstiger Technologie basiert (eta_{sys} = 5%) ergibt Investitionskosten von 340 EUR/kW_{el,peak} und ein auf GaSb Photozellen basiertes System (eta_{sys} = 12,3% mit Wärmetauscher) ergibt Investitionskosten von 1.900 EUR/kW_{el,peak}. Die daraus resultierenden Elektrizitätskosten betragen zwischen 6 und 25 EURcents/kWh_{el} (inklusive 3,5 EURcents/kWh für das Gas) und wurden mit jenen einer Brennstoffzelle (31 EURcents/kWh) und eines Gasmotors (23 EURcents/kWh) verglichen.

Within this work amorphous SiC is investigated for its applicability in photovoltaic devices. The temperature stability and dopability of SiC makes this material very attractive for applications in this area. Physical basics of amorphous SiC networks and plasma processes are discussed and first measurements with FTIR of the different layer types show the complexity of the network. The special features of the plasma reactor such as high temperature deposition and two-source excitation are also discussed. Beside plasma etching I furthermore tested the etching behaviour of stoichiometric SiC in different wet chemical etching solutions. The results show that etching of SiC, especially when it is already annealed, is very difficult for both etching processes. Furthermore, stress measurements of our layers deposited and annealed at different temperatures show the change of stress from compressive (

The cumulative output of produced solar cells reached the 1 Gigawatt level in 2002. Assuming an annual growth rate of 40 %, as was seen in 2003, this will be the total produced power in 2004 alone. The consequence is a definite decline of Wattpeak-prices of solar cells. Simultaneously, the importance of the worldwide shortage of available silicon material is increasing. Therefore, the potential for cost reduction and material savings will play a major role in the future of the solar cell industry.In addition to wafer area enlargement this demand could be filled by a reduction in material thickness. The number of wafers sawed from silicon blocks could be increased by 40 % by using 200 µm wafer thicknesses instead of 330 µm. A reduction in wafer thickness requires appropriate process adaptations. The conception, development and evaluation of a manufacturing sequence suitable for thinner wafers form the essence of the work in this thesis.Reducing wafer thickness also reduces mechanical stability with a corresponding increase in the breakage rate in industrial production and therefore a production loss. To understand the reasons behind this material weakness, the mechanical properties of silicon wafers and the impact of different process steps on the material were investigated in detail in this thesis.The alkaline etch process was found to increase the mechanical stability by 10 %, and high temperature steps were found to lead to a stability decrease. For damaged material, crack propagation after diffusion was found. To sort out cracked material, crack recognition methods are necessary, four are introduced in this work and evaluated. Two of these methods were enhanced for solar cells. The first is a mechanical stability test (Twist-Test), which showed a reduction in the breakage rate of 75 % when used in an industrial investigation.The second crack detection method investigated was Laser-Scanning-Vibrometry, which was enhanced for crack recognition on solar cells. This method is based on a modal-analysis of wafers that are excited to mechanical swinging by acoustic waves. By comparing the resonance frequencies, cracks in silicon wafers were detected. In order to increase the recognition rate, different pattern recognition methods were tested using Finite-Element -simulations. The general capability for crack detection on silicon wafers was demonstrated with these results.In addition to a decrease in stability, a reduction in cell thickness leads to strong bowing after metallization of solar cells. This could exceed the limits required for module fabrication. The reasons for this bowing and possibilities for its reduction are discussed in detail in this work. A fitting formula for bow-calculations is described. By reducing the amount of printed paste, the bowing was reduced by up to 35 % while maintaining cell efficiency. Aluminium concentration optimisations resulted in 60 % less bowing. Further reductions in the bow were realised by varying firing conditions, front grid designs, paste compositions and by special rear side screen designs. With these results, processing of wafers down to 160 µm thickness, sized 12.5*12.5 cm² with low bowing was demonstrated. The best cell efficiency of a 180 µm thick solar cell was 16 %.Reducing the cell thickness has a direct effect on efficiency. The reduced thickness results in a reduced short circuit current due to the reduced light absorption and may result in a reduced open circuit voltage due to the increased influence of rear side recombination. To understand the influence of reducing the thickness on cell parameters, simulations and experiments on neighbouring material of varying thicknesses were done. The experiments showed a 7 mV reduction in open circuit voltage and 0.7 mA/cm² reduction in short circuit current with a reduction in wafer thicknesses from 305 µm to 120 µm. For cases where the diffusion length was greater than the cell thicknesses, this effect could be explained by rear-side recombination effects. In order to lower front-side reflection, novel plasma texturing was integrated into the industrial process developed for thin wafers. Following several optimisations, an increase in short circuit current of 0.9 mA/cm² and an increase in open circuit voltage of 2-3 mV were demonstrated.The work in this thesis describes the physical boundary conditions for thin silicon wafer processing and demonstrates methods to reach high cell efficiency with modified industrial process sequences.

The worldwide increase in solar cell production may lead to a shortage of silicon material in the foreseeable future. To overcome this problem, new silicon wafer materials with potentially lower production costs and material losses have been developed. Two of these materials are RGS (Ribbon Growth on Substrate)- and Tri-silicon. This thesis addresses the development of solar cell processes optimised to the specific properties of these two silicon materials. In addition to the development of the solar cell processes, a detailed analysis of the specific properties of both materials is presented.Firstly, a cell process is defined that uses simple process sequences but nevertheless has an eye on high efficiencies. This standard process is then used as a basis for optimisations on the specific properties of both materials. Furthermore, additional process steps and all characterisation methods used in this work are explained briefly.Due to the importance of hydrogen passivation for RGS-silicon, several parameters of an already existing microwave induced remote hydrogen plasma (MIRHP) passivation system are optimised. Theoretical considerations concerning the concentration profile of atomic hydrogen in the reactor show good agreement with experimental results. In addition, the identification of the appropriate distance between plasma and sample and different gas compositions are studied.The first material examined in detail is RGS-silicon. SIMS measurements show the concentration profile of deuteron after MIRDP passivation. Comparing the results with theoretical models leads to the conclusion that the effective diffusion of hydrogen (deuteron) is a combination of Fickian diffusion and hindered diffusion (multiple trapping).To reveal the influence of the high defect density in RGS-silicon on minority charge carriers, a new technique is developed to determine the mobilities of the minorities in silicon materials with low diffusion lengths. The mobilities are shown to be reduced by a factor of 2-3 compared to CZ silicon.By implementing the H-passivation and a front surface texturing in the solar cell process and by depositing a double antireflection coating (DARC) on the front surface, a new record efficiency of 13.2% was obtained for a 4 cm² solar cell. This is the first time ever that an efficiency over 13% was achieved with RGS-silicon material.The second material dealt with in this thesis is Tri-silicon (Tri-Si). A breakage experiment is designed and reveals a higher stability as well as a higher stiffness for Tri-Si compared to CZ silicon, so that thinner wafers can be used for solar cell production without losses in yield. However, after applying an acidic front surface texturing this advantage vanishes.Before optimising the cell process for Tri-Si, simulations are performed that demonstrate a high dependency of the efficiency of a Tri-Si solar cell on the recombination rate at the back surface. Therefore, an aluminium back surface field is implemented, based on screen printed aluminium used in industrial processes rather than evaporated aluminium used in the standard process. Additionally, the galvanisation of the front grid and a front surface texture are implemented in the cell process. After applying a DARC, record efficiencies of 18.8% with a cell area of 4 cm² were reached.

Silicon ribbons are grown directly out of the silicon melt in the required size and thickness. Therefore, they have the potential to significantly reduce the costs of a crystalline silicon solar cell module, as cost intensive wafering steps are completely avoidable. However, more crystal defects can be found in these materials than in conventionally cast silicon. Consequently, the solar cell process has to be adapted specifically to the needs of ribbon materials in order to reach high conversion efficiencies, so that the lower crystallisation costs can be turned into profit.For that reason, the material properties of vertically grown, multicrystalline Edge-defined Film-fed Growth (EFG) and String Ribbon silicon are investigated in this work with the help of Hall- and minority charge carrier lifetime measurements first. Afterwards lifetime enhancements that can be achieved by gettering or hydrogenation steps are discussed. Combinations of both types of processing steps are also investigated. With the help of the obtained results a solar cell process is developed which is well adapted to the needs of the mentioned ribbon materials, so that finally new record efficiencies of 16.7 for EFG and 17.7 for String Ribbon silicon have been reached.

The first part of this thesis covers techniques for the local analysis of current production (LBIC) and current losses (thermography) in solar cells. In the second part, surface treatment of silicon by plasma etching and silicon nitride deposition (LPCVD, PECVD and sputtering techniques) is discussed.

The primary part of this work is the localisation of short circuits in solar cells with the help of an infrared camera. Short circuits in solar cells worse their efficiency so its detection maybe useful to improve cell concepts as well as processing parameters.Thermal resolutions of suitable infrared cameras are about 20 to 100 mK. For detection of weaker heat losses in the range of 10 to 20 µK the sensivity is improved by using the lock-in technique.The established lock-in thermography induces the current flow at the short circuits by applying an external current source via the existing electrical connectors of the solar cell. The metallization of the solar cells is one of the last steps in its fabrication. Therefore this measuring method is restricted to readily processed solar cells.In this work this method was improved by the new developed LimoLIT (Light modulated Lock-In Thermography). Here the p/n-junction of the semiconductor is used to seperate electron/hole-pairs generated by incident light. Metal connectors are no longer neccesary. This gives the option to do measurements in early processing stages cause the definition of the p/n-junction is one of the first steps in processing solar cells.Studies of both measurement techniques on selected solar cells are presented especially a process monitoring enabled by LimoLIT. Although both techniques are compared with each other.

Within this work, three different multicrystalline silicon ribbon materials were characterised regarding their electrical transport properties: String Ribbon (SR), Edge defined Film fed Growth (EFG) and Ribbon Growth on Substrate (RGS). These materials offer a cost effective base for solar cell processing but differ in their electrical properties compared to monocrystalline silicon.Spatially resolved measurements of the minority carrier lifetime in SR and EFG show an inhomogeneous structure of stripe shaped areas of higher and lower lifetime. The mobilities and concentrations of the minority charge carriers within these areas are determined via temperature dependent Hall-measurements. The resulting curves can be explained using two different grain boundary models. Thereby some samples show a maximum in the temperature dependence of the Hall-mobility, which can be explained by a positive charged grain boundary with donor-type trap niveaus. A characteristic minimum in the Hall-mobility is found for other samples, which is typical for small grained silicon. This may be a hint for a negative charged grain boundary with acceptor-type trap niveaus.Successive hydrogenation with different durations and temperatures results in an improvement of the electrical transport for all investigated materials. Some samples reached after a sufficient hydrogenation electrical transport values comparable to monocrystalline silicon in the investigated temperature range.

Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Kostenreduzierung bei der Herstellung von Si-Solarzellen durch die Anwendung einer speziellen LPE-Technologie auf UMG Si-Substraten. Dadurch wurde der Einsatz von EG-Si bei der LPE-Solarzellenherstellung erstmals völlig überflüssig. Eine neue, industriell kompatible Siebdrucktechnologie ermöglichte die Realisierung von kostengünstigen und effizienten Solarzellen.Hochwertige Si-Schichten wurden mit einer horizontalen LPE-Anlage auf unterschiedlichen Si-Substraten abgeschieden. Die Verwendung von UMG-Si als Substrat gelang, da die Diffusion von Verunreinigungen aus dem Substrat in die LPE-Schicht unterhalb der SIMS-Nachweisgrenze lag. Mit Hall-Messungen wurden LPE-Schichten mit unterschiedlichen Herstellungsparametern charakterisiert und optimiert. Durch chemisches Ätzen gelang die optische Auflösung von LPE-Schicht, UMG-Substrat und deren Übergang. Aus der LBIC-Analyse und PC1D-Simulation wurde die optimale LPE-Schichtdicke berechnet.Die Abscheidung auf strukturierten Substraten erhöhte die effektive Schichtdicke und verbesserte die Lichteinkopplung. Die Entwicklung eines neuen Solarzellenprozesses aus einem Standardprozess erfolgte durch Ersetzung oder Streichung einzelner Prozessschritte und der Anpassung an das verwendete Si.Für die Kontaktierung und die Diffusion wurde eine Siebdrucktechnologie entwickelt. Durch eine SiNx-ARC und ein BSF konnte der Wirkungsgrad h gesteigert werden. Die Optimierung ergab bei Zellen mit einer SiNx-ARC ein h von 14,5 (CZ-Si) bzw. 13,3 (MC-Si).Bei MC-Si konnte eine starke T-Abhängigkeit nachgewiesen werden. Selektive Pastenemitter wurden durch Siebdruckdiffusion ohne zusätzliche Prozessschritte realisiert. Der Siebdruckprozess wurde auf LPE-Si-Schichten übertragen und durch eine optimierte Schichtdicke und MIRHP, h maximiert. Bei LPE/UMG-Zellen lag hmax bei 9,0 (TiO2/MgF2-DARC, Siebdruckprozess).Ein Vergleich von CVD- bzw. LPE-Zellen auf UMG-Substraten schloss diese Arbeit ab.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Epitaxie von III-V Solarzellen aus GaAs, GaInAs, GaInP, GaInP/GaAs, und GaInP/GaInAs. Es werden die verschiedenen Schritte der Herstellung und Optimierung der Struktur von der Epitaxie bis hin zur Kontakttechnologie und Meßtechnik der fertigen Solarzelle behandelt. Die Strukturen wurden mit Hilfe eines in der Halbleiterindustrie eingesetzten Reaktors zur Metallorganischen- Gasphasenepitaxie hergestellt. Die Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung der Abscheidebedingungen zum Wachstum von Schichten aus GaAs, AlGaInP, AlGaAs und GaInAs auf GaAs und Ge Substrat. Herausragend sind die Ergebnisse zu Solarzellen auf der Basis von GaInAs, fehlangepaßt gewachsen auf GaAs Substrat. Erstmals wurden Tandemsolarzellen aus GaInP auf GaInAs realisiert und ein Rekordwirkungsggrad von bis zu 31.3 bei einer Konzentration von 300 Sonnen erreicht.

This master thesis covers generation and recombination of minority charge carriers in (multi-) crystalline silicon. Lifetime mappings were recorded using a microwave-detected photo- conductance decay measurement (µ-PCD method). Spatially resolved spectral response measurement were carried out by detecting the photocurrent generated by a laser spot. In both applications spatial accuracy is determined by the minimum focus of the applied laser.