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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, two alternative solutions to the standard potassium hydroxide (KOH)– isopropyl alcohol (IPA)texturization process of as-cut mono-crystalline silicon (mono-Si) wafers used in photovoltaics are presented.The standard KOH-IPA etch solution suffers from two drawbacks when the texturization process is carried out at 80oC, i.e. near the boiling point of IPA (82.4oC), as it is usually carried out in the photovoltaic community.The first problem corresponds to the constant evaporation of IPA during the etching process. The quick solution here is the re-dosing of IPA, but unfortunately this solution has economic disadvantages, i.e., high costs.The second problem corresponds to the high sensitivity of the KOH-IPA etch solution to the wafer characteristics of the as-cut mono-Si wafers. In other words, it means that different pyramidal results are obtained when different assortments of ascut mono-Si wafers (e.g. from different manufacturers) are textured.In this context, the introduction of new sawing methods for silicon also changes the surface morphology of the as-cut silicon (Si) wafers. This implies a modification of the etching process in order to obtain almost the same pyramidal texture on differently sawn wafers.The solution proposed for the first problem corresponds to the usage of another alcohol. An alcohol with high boiling point in order to avoid constant evaporation of it during the etching process and to reduce etching time. The alcohol which fulfills these demands is polyvinyl alcohol (PVA) and the new solution is now called KOHPVA solution. Due to the characteristics of the new alcohol an etching temperature of 100oC was used.Although the pyramidal texture results produced on as-cut mono-Si wafers by using the new KOH-PVA etch solution are similar to those obtained by using the standard KOH-IPA etch solution, some well-defined differences were observed. For example, the pyramid size of the KOH-PVA texture (4 μm in average) is only about half of the pyramid size of the KOH-IPA texture (8 μm in average). Another important difference is that the KOH-PVA texture shows 1% lower weighted reflectance (between 400-1100 nm) compared to the reflectance of KOH-IPA textured wafers.When trying to explain this difference by means of geometrical optics and the ray tracing software SUNRAYS, no difference was found. This is due to the fact, that in geometrical optical theory it is assumed that the size of the pyramids is bigger than the wavelength impinging on it, and because SUNRYAS does not take into consideration the random nature of the wet chemically produced pyramidal texture. However, the difference in reflectance can be well explained by solving the wave equation, and by considering diffraction phenomena of pyramids (or structures) with sizes between 1-4 μm. With this method it is also possible to take into consideration the random nature of the wet chemically produced pyramidal texture.Although some optical differences are observed between the KOH-IPA and KOHPVA texture, at solar cell level both textures show similar results.The second solution proposed in this work corresponds to the introduction of a closed etching bath in order to recover evaporated IPA (from the standard KOH-IPA etch solution) during the etching process. The closed etching bath was developed by the wet etching company LOTUS. A cooling system was adapted on top of the closed etching bath in order to liquefy evaporated IPA and conduct it again to the reservoir.Furthermore, the new closed etching bath enables the periodic application of low pressure (below atmospheric pressure) inside the closed etching bath during the etching process. This accelerates the etching process, and therefore the etching time can be reduced to almost half of the time of a texturization process taking place at atmospheric pressure (by using the same standard KOH-IPA etch solution).The periodic decrease of the pressure inside the bath, containing a standard KOH-IPA solution and the as-cut mono-Si wafers at constant temperature of 80oC, implies a decrease of the boiling point of IPA. Therefore IPA evaporates periodically when low pressure is applied, thereby removing the hydrogen bubbles and monosilicic acid particles from the surface of the silicon wafers. Thus the surface can be supplied with fresh etch solution and the etching process is accelerated.

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.

Im Rahmen dieser Arbeit werden gesputterte Aluminium-dotierte Zinkoxidschichten als Frontseitenkontakt für Siliziumsolarzellen untersucht. Es wird untersucht, welche Herstellungsparameter zu hochtransparenten, gut leitfähigen Schichten führen. Die Schichten werden weiterhin mittels Hall-Messungen, XRD, Spektroskopie und Ellipsometrie auf Dotierung, Mobilität, Kristallinität und Bandlücke hin untersucht.Mittels Simulationen wird die optimale Schichtdicke für einfache und doppelte Antireflexionsschichten (ARC) ermittelt. Weitere Simulationen untersuchen den Einfluss der Austrittsarbeit auf die elektrischen Eigenschaften einer Siliziumsolarzelle mit Heteroübergang. Experimentell wird die Eignung dieser Schichten durch Herstellung solcher Solarzellen demonstriert.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Untersuchungen zur Reproduzierbarkeit von Lebensdauermessungen an Proben, deren Oberflächen mit Chinhydron-Methanol passiviert wurden, durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die Reproduzierbarkeit stark von der Reinigung der Proben und der Zeit zwischen den einzelnen Messungen abhängt. Auch die Möglichkeit eines lichtinduzierten Passiviermechanismus wurde in Betracht gezogen. Es konnte nachgewiesen werden, dass sich, wenn auf eine möglichst identische Durchführung der verschiedenen Prozessschritte geachtet wird, Abweichungen vom Mittelwert der Messungen an einer Probe von unter 10% erzielen lassen.In einem weiteren Experiment wurde der Einfluss der Defektumverteilung bei einer Temperatur von 390°C auf die Lebensdauer von Proben aus multikristallinem Silizium ortsaufgelöst untersucht. Durch einen ersten zweistündigen Temperaturschritt konnte die mittlere Lebensdauer der drei untersuchten Proben um bis zu 50% verbessert werden. Ein Vergleich der Photolumineszenz-Aufnahmen der beiden Messungen vor und nach dem Temperaturschritt zeigte, dass sich auch die Rekombinationsaktivität der Korngrenzen verringert. Weitere Temperaturbehandlungen lie ßen einen immer geringer werdenden E ffekt erkennen. Nach einer Gesamtzeit von 32 h wurden die Proben erneut für 8 h bei 390°C behandelt. Die Veränderung der mittleren Lebensdauer durch diesen letzten Temperaturschritt lag unter 5%. Eine Betrachtung der ortsaufgelösten relativen Di fferenzen ergab, dass sich die Rekombinationsaktivität in diesem letzten Temperaturschritt auch lokal kaum veränderte. Aus diesem Grund wurden in weiteren Experimenten vor den eigentlichen Untersuchungen Pretemper-Schritte durchgeführt, um die Defektumverteilung vor den anderen Prozessschritten größ tenteils abzuschließen.Bei der Wasserstoff passivierung durch die Eindiff usion von Wasserstoff aus einer wasserstoff reichen SiNx-Schicht, die bei Temperaturen über 600°C in einem Feuerofen durchgeführt wird, können weitere Defektumverteilungen und die Auflösung von Präzipitaten auftreten. Daher wurde in einer weiteren Untersuchung nachgewiesen, dass auch durch die Eindi ffusion aus einer SiNx-Schicht bei tieferen Temperaturen (390°C) eine e ffektive Wasserstoffpassivierung von Defekten im mc-Si erreicht werden kann.Für das Experiment zur Bestimmung der Bindungsenergie von Wasserstoff an Korngrenzen wurde an einigen Proben vor dem Pretemper-Schritt und der Wasserstoffpassivierung ein Getterschritt in Form einer POCl3-Diff usion durchgeführt. Durch eine Betrachtung der Korngrenzen konnte gezeigt werden, dass die Rekombinationsaktivität von willkürlich orientierten Korngrenzen durch diesen Prozessschritt besonders effektiv reduziert werden kann. Koinzidenz- und Kleinwinkelkorngrenzen ließen dagegen eine geringere Verbesserung erkennen.Im Verlauf des Experiments stellte sich zudem heraus, dass willkürlich orientierte Korngrenzen nach einer Wassersto ffpassivierung mit vorangegangenem POCl3- und Pretemper-Schritt, kaum mehr rekombinationsaktiv sind. Andere Korngrenzentypen konnten durch diese Prozessfolge auch mit Wasserstoff passiviert werden, jedoch in geringerem Maß e. An Proben, die vor dem Pretemper-Schritt keine POCl3-Behandlung erhielten, konnte kein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Passivierbarkeit der unterschiedlichen Korngrenzen und dem Korngrenzentyp festgestellt werden. Dies lässt sich damit erklären, dass an Korngrenzen hauptsächlich off ene Bindungen mit Wassersto ff passiviert werden können. Die stark mit Verunreinigungen dekorierten, willkürlich orientierten Korngrenzen könnten sich daher ohne vorangegangene POCl3-Diffusion schlechter passivieren lassen, als nach einem Getterschritt, der diese Korngrenzen eff ektiv von Verunreinigungen befreit. Eine weitere Erklärung, die jedoch nach den Ergebnissen des Experiments zur Bestimmung der Bindungsenergien von Wasserstoff an Korngrenzen weniger wahrscheinlich erscheint, wäre, dass durch die Wasserstoff passivierung hauptsächlich Verunreinigungen passiviert werden. Die stark dekorierten willkürlich orientierten Korngrenzen, würden sich daher besser passivieren lassen.In dieser Diplomarbeit konnte die Bindungsenergie von Wasserstoff an Defekten in multikristallinem Silizium ortsaufgelöst bestimmt werden. Dazu wurde die Rekombinationsaktivität der untersuchten Proben mittels Photolumineszenzmessungen charakterisiert. Mit dieser Methode konnten für die 5x5 cm2 groß en Proben Bindungsenergiekarten mit einer Auflösung von ca. 50 μm pro Pixel erstellt werden, wodurch auch die Untersuchung von Korngrenzen ermöglicht wurde. Die zur Reaktivierung der wassersto ffpassivierten Defekte nötigen Temperaturschritte wurden mit variierenden Zeiten bei 390°C durchgeführt.An den Proben, bei denen die Wasserstoffdiff usion aus der SiNx:H-Schicht bei Temperaturen über 600°C im Feuerofen durchgeführt wurde, konnten Bindungsenergien von Wasserstoff an Korngrenzen im Bereich von 2,50 eV bis 2,53 eV berechnet werden. Diese Werte liegen sehr nahe beim Literaturwert von 2,5 eV [Pea92]. Für die bei 390°C passivierten Proben war die Qualität der ermittelten Bindungsenergiekarten schlechter. Aus diesem Grund konnten weniger Korngrenzen untersucht werden. Die errechneten Bindungsenergien von Wasserstoff an Korngrenzen liegen jedoch größ tenteils im selben Bereich. Mittels EBSD-Messungen konnten für einige Gebiete auf den Proben die Korngrenzen klassifiziert werden. An den untersuchten Korngrenzentypen konnte kein Zusammenhang zwischen der Bindungsenergie von Wasserstoff an die Korngrenzen und dem Korngrenzentyp gefunden werden. Da sich unter den betrachteten Korngrenzen jedoch keine Koinzidenzkorngrenzen mit geringer Koinzidenz(hoher Sigma -Wert) befanden, ist ein solcher Zusammenhang nicht auszuschlie ßen. Eine Untersuchung weiterer Korngrenzentypen in weiterführenden Experimenten könnte darüber Aufschluss geben. Die geringe Schwankung der ermittelten Bindungsenergiewerten legt die Vermutung nahe, dass an allen Korngrenzen die Bindungsenergie an die selbe Defektart, vermutlich o ffene Bindungen, ermittelt wurde.Während des gesamten Experiments wurden Temperaturreferenzproben mitgeführt, mittels derer ausgeschlossen werden sollte, dass sich die Veränderung der Rekombinationsaktivität der Proben auf Defektumverteilungen zurückführen lässt. Die Lebensdauern dieser Proben nahm jedoch nach den Temperaturbehandlungen zur Ausdi ffusion von Wassersto ff in einigen Fällen im selben Maß e ab, wie bei den wassersto ffpassivierten Proben. Da alle Proben vor der eigentlichen Untersuchung einen 40-stündigen Pretemperschritt erhielten, der die Defektumverteilung größtenteils abschließen sollte, wird vermutet, dass die Veränderung der Lebensdauern der Temperaturreferenzproben durch einen anderen Eff ekt erklärt werden kann. Um dies zu klären, werden momentan weitere Untersuchungen durchgeführt.Insgesamt stellt das durchgeführte Verfahren zur Bestimmung der Bindungsenergie von Wasserstoff an Defekten in Verbindung mit der ortsaufgelösten Charakterisierung der Rekombinationsaktivität mittels Photolumineszenzmessungen eine erfolgreiche Methode zur Untersuchung der Bindungsenergien an Korngrenzen dar. Die so ermittelten Bindungsenergien können zu einem verbesserten Verständnis der Wasserstoff passivierung verschiedener Defektarten führen.

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.

Per Definition werden Gitterschwingungen in Festkörpern als Phononen bezeichnet. Phononen sind Quasiteilchen und lassen sich sowohl im Wellen- als auch im Teilchenbild beschreiben. Im wissenschaftlichen Alltag wird zumeist nur der hochfrequente Teil ab Frequenzen von GHz des Spektrums als solche bezeichnet.Die vorliegende Dissertation befasst sich mit Phononen in einem Frequenzbereich von 104 - 1013 Hz. Angefangen von Siliziummembranen, die bei niedrigen Frequenzen zum Schwingen angeregt werden, sind Experimente zu akustischen Oberflächenwellen in einem mittleren Frequenzband gezeigt. Thermische Untersuchungen an Siliziummembranen schließen den Frequenzbereich nach oben hin ab und führen zur Realisierung einer thermischen Diode.

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 Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops in Kombination mit einem EBIC- und EBSD-System ermöglicht es, Solarzellen oder deren Ausgangsmaterialien mit einer hohen Auflösung zu untersuchen. Damit besteht die Möglichkeit, die Mikrostruktur einer Probe zu bestimmen und ausgedehnte Kristalldefekte zu klassifizieren. Die ortsaufgelöste Messung des induzierten Kurzschlussstroms kann schnell und detailliert durchgeführt werden und eröffnet mit der Kühl- und Heizvorrichtung weitere Möglichkeiten zur Defektcharakterisierung.Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde der Fokus auf die elektronenmikroskopische Analyse von Defekten gelegt. Zu Beginn dieser Arbeit wurde die Theorie über Kristalldefekte und die Generation sowie Rekombination von Ladungsträgern dargelegt. Weiterhin wurde das verwendete Rasterelektronenmikroskop vorgestellt und die Funktionsweise des zusätzlich installierten EBSD- und EBIC-Detektors beschrieben. Aufbauend auf diese theoretischen Grundlagen konnten Modelle eröffnet werden, mit denen die Rekombinationsaktivität von Korngrenzen bewertet werden kann.Nach einer eingehenden Aufbauphase des Geräts konnten Messparameter für EBSD- und EBIC-Untersuchungen ermittelt werden, welche aussagekräftige Ergebnisse für multikristallines Silizium liefern. Anschließend wurden mehrere Untersuchungen durchgeführt, um Informationen über die Rekombinationsaktivität multikristalliner Solarzellen zu erhalten. Zur Vergleichbarkeit der Ergebnisse wurden benachbarte Si-Wafer verwendet.Die Untersuchung SiN-Abscheidung zur Passivierung von Korngrenzen in Verbindung mit einem verlängertem Getterschritt ergab, dass ein Großteil willkürlich orientierter Korngrenzen als Getterzentren wirken und während eines Getterschritts Fremdatome binden und so die Materialqualität der angrenzenden Körner verbessern. Anhand der Rekombinationsaktivität wurde erkannt, dass besonders ungeordnete Korngrenzen mit Missorientierungen < 30° dann stark zur Ladungsträgerrekombination beitragen, wenn während der Solarzellenprozessierung auf eine SiN-Abscheidung verzichtet wird. Für geordnete Korngrenzen, den Koinzidenzkorngrenzen, weisen die Ergebnisse darauf hin, dass Korngrenzen mit einem höheren Ordnungsgrad und somit einer geringen Verzerrung der Bindungen eine niedrige Rekombinationsaktivität zeigen. Nur vereinzelt wird die Ladungsträgerrekombination durch Korngrenzen mit hoher Koinzidenz beeinflusst. Wenn während der Solarzellenprozessierung auch eine SiN-Abscheidung durchgeführt wird, wird die Ladungsträgerrekombination an willkürlich orientierte Korngrenzen bedeutend verringert. Diese Passivierung ist unabhängig vom Dekorationsgrad der Korngrenzen. Geordnete Korngrenzen lassen sich teilweise sogar besser passivieren, allerdings konnte an einigen Koinzidenzkorngrenzen die Rekombinationsaktivität lediglich zu einem gewissen Maß verringert werden. Die absolute Verbesserung des Materials ist somit an manchen Koinzidenzkorngrenzen abhängig vom Kontaminationsgrad. Die Korngrenzorientierung in verschiedenen Blockhöhen besteht zum wesentlichen Anteil (60% bis 80%) aus Korngrenzen, die in der Sigma3-Koinzidenzstruktur vorliegen. Da diese nur selten eine messbare Rekombinationsaktivität aufweisen, üben sie kaum negativen Einfluss auf die Effizienz einer Solarzelle aus. Die Abhängigkeit der Defektpassivierung von verschiedenen Prozesssequenzen wurde anhand von POCl-Diffusionen, SiN-Abscheidungen mit Feuerschritt und deren Kombination bestimmt. Durch eine alleinige SiN-Abscheidung konnte die Materialqualität nicht verbessert werden. In Kombination mit einer vorangegangenen POCl-Diffusion wird hingegen ein Großteil der Defekte passiviert.

In dieser Arbeit wurden die Auswirkungen lateraler Inhomogenitäten, die entweder in den betrachteten Silicium-Solarzellen selbst vorliegen oder die in den Solarzellen durch lateral inhomogene Messbedingungen induziert werden, auf verschiedene Messparameter untersucht. Hierzu wurden vorwiegend Netzwerksimulationen genutzt.Dazu wurde zunächst ein Netzwerkmodell für eine Silicium-Solarzelle mit einer Struktur ähnlich wie sie in der Industrie hergestellt wird und deren einzige laterale Inhomogenität die Vorderseitenmetallisierung darstellt, vorgestellt sowie dessen Eigenschaften untersucht. Dabei lag der Schwerpunkt auf der Untersuchung der Auswirkung der gewählten Auflösung des Netzwerkmodells auf die Simulationsergebnisse.Anschließend wurden Mess- und Simulationsergebnisse von bis auf Vorderseitenmetallisierung im Wesentlichen lateral homogenen Solarzellen verglichen. Hierbei wurden Hell- und Dunkelkennlinien sowie lokale Spannungsbilder betrachtet.Im Folgenden wurden Netzwerksimulationen zur Untersuchung verschiedener Anwendungen genutzt. Zunächst wurde der Einfluss einer lokalen Abschattung neben den Busbars bei der Ein-Sonnen-Hellkennlinienmessung auf die gemessene Offenklemmspannung und den Füllfaktor untersucht sowie die Auswirkung einer lateral inhomogenen Beleuchtung während sogenannter Suns-Voc-Messungen auf die bei einer Sonne Beleuchtungsintensität gemessene Offenklemmspannung. Anschließend wurde der Einfluss eines unbeabsichtigt lateral inhomogenen Emitterschichtwiderstands und Kontaktwiderstands auf den Wirkungsgrad industrieähnlicher Solarzellen betrachtet. Im folgenden Kapitel wurde das Potenzial von Solarzellen mit sogenannten Halbleiterfingern untersucht. Die Arbeit schließt ab mit der Analyse von Solarzellen, deren Dunkelkennlinien eine Schulter aufweisen, die nicht mit dem Zwei-Dioden-Modell beschrieben werden kann.

This thesis considers the use of alternative silicon materials for photovoltaics – often termed “upgraded metallurgical grade” silicon – from different angles and evaluates the risks and implications for the wafer and solar cell properties at selected steps along the entire process chain.The properties of the alternative, upgraded metallurgical grade silicon materials analyzed in the course of this thesis were governed by the simultaneous presence of boron and phosphorus in high concentrations (in the order of >2x1016 at/cm3) which has fundamen-tal consequences for the base resistivity, the carrier mobility and the light-induced degra-dation in UMG-Si wafers.Aiming to compare the experimental data to existing models, the majority carrier con-ductivity and Hall mobility of UMG-Si and intentionally compensated wafers doped with various B- and P-concentrations was investigated. In compensated silicon, the mobility decreases significantly firstly with growing sum of both dopants (NA+ND), hence with in-creasing density of ionized scattering centers, and secondly with decreasing net doping concentration p0=(NA-ND), attributed to a weakening of the Coulombic screening of ion-ized atoms. Our measurements suggest that in the commonly accepted model for com-pensated silicon published by Klaassen, the modified Coulombic screening is not correctly implemented. Hence, Klaassen’s model can currently be used safely only in a limited range of NA- and ND-values when regarding compensated silicon (e.g. UMG-Si).A thorough investigation of the light-induced degradation in compensated and UMG Cz-silicon wafers revealed that in general the normalized Cz-defect concentration is a func-tion of the compensation ratio RC, which surprisingly holds for p- as well as for n-type material. For the special case of UMG-Si wafers with p-type net doping concentrations usually used for solar cells, the Cz-defect density can alternatively be described by a lin-ear dependence on the net doping concentration, supporting results obtained by other groups. Therefore, for oxygen-rich UMG-Si the net doping concentration of the feedstock should be reduced in order to minimize the light-induced degradation. This can only be realized by simultaneously decreasing the B- and P-concentration.Although the concentration of transition metals in UMG-Si is not as high as previously expected, it has been worthwhile to test the feasibility of the concept of “defect engineer-ing” via intrinsic gettering and co-precipitation (intentional addition of e.g. Cu to the melt). It was shown that an interaction between the total transition metal content in the melt and the crystallization process has a negative impact on the silicon crystal quality, the harmfulness depending on the impurity elements. Moreover, in carefully prepared NAA measurements the total metal concentration was observed to depend (super-) line-arly on the dislocation density. Both observations point towards a non-linear crystal de-fect generation process being started if the metal content in the melt exceeds a critical level, prohibiting the exploitation of co-precipitation.The optimal design of temperature ramps aimed at intrinsic gettering was demonstrated to depend on the metal species: While intermediate diffusers (Fe, Cr,…) re-precipitate at 600 °C after a high-temperature step (>800 C), the same temperature ramp leads to the dissolution of the large clusters of fast diffusers (Ni,…) being present after mc-Si so-lidification. Subsequently, the fast diffusers spread along grain boundaries and disloca-tions, thus presenting a larger recombination active effective surface than before. Our experiments indicate that for intrinsic gettering of fast diffusers like Ni, lower tempera-tures (around 500°C-550°C) and longer gettering times (12 h) are necessary.However, in NAA measurements the fast diffusers Ni and Cu, and to some extent also Co, were seen to be easily gettered during P-emitter diffusion even at high initial concentra-tions from highly dislocated wafer regions. At the same time, P-diffusion gettering of the intermediate diffusers Fe or Cr from high dislocation density areas is not effective, allow-ing for a significant reduction only in less defected crystal regions.These results implicate that the interplay of extrinsic and intrinsic gettering can be aimed at and optimized for the specific group of intermediate diffusers, since fast diffusers are externally gettered while slow diffusers cannot be mobilized in the interesting tempera-ture and time scale.Reports on inferior reverse characteristics of UMG mc-Si solar cells, possibly posing a danger to the solar modules by generating “hot spots”, incited detailed investigations of the diode breakdown behavior of mc-Si solar cells in general. In this thesis, it was shown that in these devices breakdown happens in three stages termed “early”, “soft” and “hard” breakdown which can be clearly distinguished by their breakdown voltage and reverse I-V characteristics resulting from (at least) three different physical reasons.All three breakdown types have in common that white light is emitted from the break-down sites, pointing at the occurrence of “hot” electrons. It can be concluded that elec-tron multiplication due to avalanching is always involved in a way, possibly initiated by tunneling processes at the beginning.“Early breakdown” sets on at around -4 to -5 V and is presumably induced by surface defects including paste particles from the front as well as from the rear side metallization and small pits in the surface structure. Early breakdown can be explained by a modifica-tion of the emitter leading to a local increase of the electric field in the space charge re-gion. Since early breakdown is highly localized and starts at very low reverse voltages, the local heat generation can become large, possibly being harmful to solar modules. However, in most practical cases the heat remains relatively low.The “soft breakdown” happens exclusively at recombination active crystal defects. XRF-measurements at soft breakdown sites provided strong evidence that it is caused by metal precipitates close to the solar cell surface, i.e. close to or in the space charge re-gion. The onset voltage is influenced by several factors: Both a high impurity concentra-tion and a high base net doping concentration decrease the soft breakdown voltage, as does deep etching of dislocations and grain boundaries during the wet chemical texturiza-tion. Depending on the solar cell properties, the onset voltage of soft breakdown can therefore vary between -8 to -14 V. Due to the wide lateral distribution of recombination active defects and the soft reverse I-V characteristics, it is expected that soft breakdown does not pose any danger to solar modules.To explain the physical mechanism of soft diode breakdown found at the sites of metallic precipitates, a numerical simulation describing the internal Schottky junction between silicide clusters with the surrounding silicon was set up. Under reverse bias in thermody-namic equilibrium, the electric fields around the metal clusters can reach very large val-ues (>5x105 V/cm) which are generally assumed to lead to avalanche electron multiplica-tion.The “hard breakdown” sets on around -14 to -16 V, happening at deeply etched disloca-tions at which no recombination active impurities have accumulated. Due to fast increase of the reverse current with increasing reverse voltage, this breakdown type can be detri-mental if the necessary high reverse voltage is reached.Having clarified the physical mechanisms of diode breakdown in mc-Si solar cells in gen-eral, the relatively high net doping concentration in the base of UMG-Si solar cells was identified to be the main reason for the large reverse currents at low breakdown volt-ages. Since thus, the UMG-Si reverse bias behavior can be attributed to the soft break-down type, we expect that the risk of including UMG-Si solar cells in solar modules is not larger compared to modules consisting of conventional mc-Si cells.In summary, important properties of UMG-Si wafers (low conductivity mobility and mi-nority carrier lifetime, high Cz-defect concentration as well as relatively high reverse cur-rents) are related to the high concentration of boron and phosphorus. Hence, by further reducing their amount in the silicon feedstock, which is currently being done already quite successfully by several feedstock producers, upgraded metallurgical grade silicon is expected to constitute an interesting, cost-effective alternative to conventional material at present and in the near future. However, as optimizations of the solar cell processes have been yielding significantly increasing efficiencies, in the long term, the fate of UMG-Si will depend firstly on its ability to keep up with future process developments, and sec-ondly on the future trend of silicon feedstock prices.

Laser tragen immer mehr dazu bei kostengünstige Prozessschritte für die Massenproduktion von hocheffizienten Solarzellen zu ermöglichen. Eine neuartige Lasertechnologie, das so genannte Laser Chemical Processing (LCP), wird am Fraunhofer ISE für verschiedene Anwendungen im Bereich der kristallinen Silicium-Solarzellen entwickelt. Hierbei eröffnet ein gekoppelter Laser-Flüssigkeitsstrahl mit geeigneten chemikalischen Zusätzen eine Vielzahl von thermochemischen Bearbeitungsmöglichkeiten, wie z.B. eine qualitativ hochwertige Mikrostrukturierung oder eine lokale Dotierung.Das Ziel dieser Arbeit ist es die physikalischen Vorgänge beim LCP zu beschreiben. Die grundlegenden Effekte der Bereiche Optik, Thermodynamik und Fluiddynamik werden modelliert und mittels verschiedener numerischer Methoden gelöst. Der Vergleich der Simulationsergebnisse mit experimentellen Ergebnissen beweist eine erfolgreiche Beschreibung dieses Multiphysik-Problems innerhalb bestimmter Parameterbereiche.

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.

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 this thesis, novel in-situ CVD processes have been investigated that promise to decrease the costs and increase cell efficiencies at the same time. The central approach is the epitaxial wafer-equivalent cell structure, consisting of an epitaxial layer deposited on a low-cost silicon substrate. This epitaxial wafer-equivalent (EpiWE) is then processed using a standard solar cell process. The main goal of this thesis project was to improve the quality and the electrical properties of the deposited films for a future industrial-type application of the crystalline silicon thin-film solar cells. Two major aspects were considered: the silicon deposition with adapted doping profiles and the functional HCl etching for optical confinement and substrate gettering.Special attention was paid to improve the efficiencies of the crystalline silicon thin-film solar cells with conventional emitters made by POCl3 diffusion. The doping level of the base has a major impact on the efficiency and optimum constant doping levels slightly higher than conventional wafer solar cells were found. Simulations showed that the influence of positive drift fields in the base is relevant for low minority carrier lifetimes and no light confinement. It was found that an epitaxial BSF decreases the short circuit current density when the substrate lifetime is higher than 0.1 µs. For substrates with shorter lifetimes or high interface recombination rates, however, a BSF is essential to hinder the minority carriers from diffusing into the substrate, where they are likely to recombine. From comparisons with simulation results, carrier lifetimes between 1 and 5 µs for epitaxial base layers on Cz substrates have been identified. Epitaxial layers with high base lifetimes showed a large gain in short circuit current density for thicker bases. By applying these optimisations, efficiencies of crystalline silicon thin-film solar cells up to 16.1% on Cz and 14.5% on mc substrates were achieved.One main focus of this thesis was the application of silicon epitaxy for the emitter formation. This can either be performed ex-situ for wafer cells or in-situ for crystalline silicon thin-film solar cells. Emitter formation by epitaxial growth has many advantages; the most important are the in-situ process for the epitaxial wafer-equivalents, the fast process realisation and the possibility to design the emitter profile as desired. The performance of the emitters was first tested on wafers. Boron-doped emitters were grown on n-type wafers and resulted in efficiencies up to 15.9%. However, a high surface recombination velocity was observed and better passivation layers than SiO2 are still required. In contrast, the passivation of SiO2 on n+-type surfaces is excellent and the quality of the epitaxial emitter could be investigated.A highly innovative process for emitter formation was established in this work, where a blue sensitive emitter can be easily prepared. In order to prevent the phosphorus from out-diffusing from the epitaxial emitter layer, the wafers are cooled in a PH3/H2 atmosphere. This not only prevents the out-diffusion but also increases the doping concentration at the surface. This is advantageous as high surface concentrations are necessary for most metallisation methods in order to achieve low contact resistances. EpiWE solar cells with photolithographic grid definition and evaporated contacts showed efficiencies up to 15.2% on highly-doped Cz substrates and small area. Even on large area cells on Cz material, an efficiency of 14.9% with a high open circuit voltage of 655 mV and a fill factor of 79.9% was achieved, exceeding the values of the reference sample with a 120 Ω/sq. POCl3 emitter. Furthermore, efficiencies up to 13.6% were reached on highly-doped multicrystalline substrates. It was found that the fill factors of the multicrystalline cells with epitaxial emitters are partly limited due to the inhomogeneous growth of the emitter on different grain orientations. Furthermore, simulation results and dark saturation current densities indicate that the recombination within the space charge region is even lower than on corresponding POCl3 diffused crystalline silicon thin-film solar cells. The growth of an in-situ epitaxial emitter can substitute the conventional POCl3 emitter for the crystalline silicon thin-film solar cells.Screen-printed metallisations, which are widely used in the PV industry, require high surface doping concentrations to achieve a low contact resistance. The combination of screen-printed contacts and epitaxial emitters was performed for the very first time within this work. It was found that a good contact is possible on surfaces with phosphorus concentration of approximately 1x1020 cm-3, when the cells were fired two times. Efficiencies up to 12.1% were reached on highly-doped multicrystalline substrates, with a high 78.2% fill factor and nearly 620 mV open circuit voltage. These results are similar to POCl3 diffused cells. Epitaxial emitters have a high potential since the doping profile can be considerably improved compared with industrial-type emitters.The second main topic of the thesis was the application of functional in-situ HCl etching of silicon for solar cells. Depending on the process parameters, rough surfaces could be etched independent on the grain orientation. The resulting texture showed a predominant diffuse reflectance. Structures such as front-side texturing were investigated, however the electrical properties showed still high surface recombination velocities. After annealing of the rough surfaces, pores of 1-5 µm were created in the substrate. By adjustment of the process parameters pore densities up to 10000 pores/mm2 were obtained. The porous intermediate layer was investigated for internal reflection, but it has not yet shown a clear gain in the short circuit current density. However, the implementation of a porous layer into the epitaxial wafer-equivalent by simply HCl gas etching prior to the epitaxy, was successfully demonstrated for the first time.HCl gas additionally reacts with impurities to form highly-volatile chlorides. The advantage is obvious, as impurities in the substrate could be extracted before the epitaxial deposition. The gettering effect of gaseous HCl was applied to lowly-contaminated multicrystalline and higher contaminated metallurgical silicon wafers. Measurements showed a clear increase in the wafer lifetime by the HCl gettering at a temperature of 850°C. The total interstitial iron concentration could be decreased by more than two orders of magnitudes compared to annealed samples. Lifetimes as high as in reference phosphorus gettered wafers were achieved. On metallurgical silicon, neutron activation analysis also showed a decrease up to 70% of the impurity concentrations. These are the first results presented so far about the gettering effect of hot HCl gas diluted in hydrogen for solar cell application. Gettering at high temperatures was performed successfully with subsequent epitaxial deposition. An increased growth of whiskers, spikes and wires induced by the presence of metals from the metallurgical silicon was found. Nevertheless, crystalline silicon thin-film solar cells were fabricated on metallurgical substrates with efficiencies up to 7.4%.This work proves that in-situ processes can be applied with comparatively low effort to crystalline silicon thin-film solar cells. These processes can simplify the actual fabrication sequence and may enable the use of low-cost silicon substrates. With such improvements, the crystalline silicon thin-film solar cells are brought closer to an industrial application.

This work presents various infrared methods for the characterization of crystalline silicon for solar cells. Among these methods are Carrier Density Imaging (CDI), Photoluminescence Imaging (PLI), Photoluminescence Spectroscopy, and Cathodoluminescence Spectroscopy, in order to detect the carrier lifetime, trap density and defect luminescence.The focus of this work is on interpretation and calibration as well as on the application of the methods to material specific questions.

In this work the spatial distribution of defects in multicrystalline silicon for solar cells and their influence on the minority carrier lifetime and thus the efficiency of the finished cells is analysed. Each defect class (point defects, dislocations, grain boundaries and extended defects) shows specific recombination mechanisms. They are predominantly characterised by the Shockley-Read-Hall-formalism for carrier recombination. The most important defect species exhibit a variety of recombination mechanisms and a non-uniform spatial distribution. Thus the spatially resolved carrier lifetime is the essential parameter focused on in this work.For quantifying recombination patterns, existing models for the evaluation of point defects and grain boundaries based on lifetime measurements have been adapted for wafers with passivated surfaces. Furtheron a model for the influence of dislocations, evenly spread as dislocation lines perpendicular to the wafer surfaces, has been developed. One- and twodimensional topographies of carrier densities in wafers have been simulated based on measurements of the dislocation density and grain boundary distribution applying assumptions for the point defect distribution and influence of surfaces.The defect distribution in multicrystalline block silicon and its resulting lifetime profile is determined by the incorporation of defects into the crystal during crystallization and the subsequent cooling down phase. Horizontally and vertically cut wafers of p-type and n-type material have been analysed for the evaluation of height dependent lifetime profiles. Analysis and simulations for the block bottom of p-type material point to an indiffusion of metallic impurities from the crucible and crucible lining. The resulting lifetime profiles superimpose the effect of other defects, most probably caused by oxygen precipitates at crystal defects forming strong recombination centers. In the upper part of the block, the lifetime pattern is dominated by a backdiffusion of metallic impurities from a zone near the block cap with a high density of precipitates. In n-type silicon lifetime values up to a factor of ten higher than in p-type material are found. Assuming a strong lifetime limitation by metallic impurities, this can be explained by the significant asymmetry of capture cross sections for electrons and holes for these elements. Analysis of EFG-material does not give any hints on lateral diffusion of impurities after crystallization. The lifetime distribution is pinned directly after solidification by the crystal structure.After diffusion processes and phosphorous-aluminium-diffusion as gettering step, an increase of lifetime due to a reduction of distributed defects could be found together with a strong lifetime decrease in areas with small grains. Analysis of oxidation processes reveal a small direct influence of recombination at dislocations in the middle of grains on the lifetime pattern. The dominating recombination channels were recombination at grain boundaries and distributed point defects in the vicinity of grain boundaries. The influence of defect types on the lifetime distribution was investigated by the evaluation of measured and simulated one-dimensional lifetime profiles. Whereas the lifetime profile in the starting material is governed by recombination at grain boundaries and dislocations, the reduction after high temperature steps is predominantly due to the dissolution of impurities from precipitates at grain boundaries and their partial reagglomeration after cool down. The fitting of the simulated patterns to the lifetime distribution does not count as proof for the effect of different defect species, but enables the study of the effect of relevant defects and recombination channels. Thus an assessment of the influence of different defect types on the lifetime distribution and thus solar cell parameters could be made.

The diploma thesis "H-Passivation of multicrystalline Silicon - Analysis of Hydrogen bond energies at defect sites" was completed in November 2008 at the Photovoltaic division of the University of Konstanz. It presents a new method analyze the bond energies of hydrogen at defect sites in multicrystalline silicon in a spatially resolved way. The method is based upon out diffusion of hydrogen during exactly controlled temperature steps at increasing given temperatures. After each temperature step the minority charge carrier lifetime of the examined sample is measured spatially resolved by the µ-PCD-method. From these lifetime maps the bond energies of hydrogen can be determined for the whole sample area.In further experiments we hope to be able to draw conclusions from the defect-typical bond energies concerning the defect distribution. On long term this could be an elegant method to determine distributions of defect types in silicon wafers.

Spatially resolved luminescence images of silicon solar cells and wafers reveal information on quantities which affect the efficiency of solar cells. These quantities comprise recombination properties such as minority charge carrier diffusion length and surface recombination velocities as well as local series- and parallel resistance and optical properties of interfaces.This work aims at improving the interpretation of luminescence measurements on PV-Silicon with respect to minority charge carrier diffusion length. Both electrical excitation of solar cells (electroluminescence) and optical excitation of silicon wafers (photoluminescence) are investigated with an emphasis on the determination of a spatially resolved excess charge carrier depth distribution through optical filtering.To begin with, a method to determine electron diffusion lengths in electrically excited Silicon solar cells based on optical filtering was tested (Würfel et al., J. Appl. Phys. 101, 123110). The successful implementation of this method required some considerations that have not been mentioned in literature so far - such as a certain class of lateral inhomogeneity of optical filters and taking into account the exact sample temperature. It turned out that the extension of this method to Photoluminescence on wafers is complicated by several challenges. A new technique to determine minority charge carrier diffusion lengths from single photoluminescence images was implemented, which is in good agreement with reference techniques. Building on this approach as well as on the work of Würfel et al., a spatially resolved separation of recombination properties between defects related to bulk material on the one hand and defects related to surfaces on the other hand was developed and successfully tested on both solar cells and wafers.Finally, a new technique to estimate low minority charge carrier diffusion lengths in saw damaged silicon wafers (as-cut) was implemented.

In dieser Arbeit wurden Solarzellen aus Silizium und III-V-Verbindungshalbleitern experimentell und mit Hilfe von numerischer Simulation analysiert und optimiert.Im ersten Kapitel wurden die optischen und elektrischen Eigenschaften unterschiedlicher Solarzellenrückseiten untersucht und miteinander verglichen. Anhand analytischer Methoden und numerischer Strahlverfolgung konnten die unterschiedlichen Reflexionseigenschaften der Zellen quantifiziert werden und auch der Einfluss der Absorption an freien Ladungsträgern aufgezeigt werden. Die Analyse der elektrischen Eigenschaften zeigte, dass ein Vergleich der effektiven Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit nur bei der gleichen, möglichst hohen Basisdotierung sinnvoll ist, um Hochinjektionseffekte zu vermeiden. Die effektiven Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten für Zellen mit einem Basiswiderstand von 1 Ohmcm wurden anhand unterschiedlicher Methoden ermittelt und miteinander verglichen. Der Vergleich der unterschiedlichen Rückseiten ergab, dass vor allem hinsichtlich dünnerer Solarzellen die guten optischen und passivierenden Eigenschaften der Zellen mit dielektrisch passivierter Rückseite notwendig sind, um Wirkungsgrade über 20% erreichen zu können.Ein Schwerpunkt dieser Arbeit war die Analyse und Optimierung von rückseitig sammelnden und rückseitig kontaktierten (RSK) Solarzellen. Zum einen wurden industriell realisierbare n-Typ RSK-Solarzellen für die nicht-konzentrierende Anwendung analysiert. Anhand eines analytischen Modells konnten die passivierenden Eigenschaften eines "Front-Surface Fields" (FSF) analysiert und optimiert werde. Die Analysen zeigten, dass die Passivierungsqualität durch die "High-Low Junction" zu niedrigerer Basisdotierung hin stark zunimmt. Der Vergleich der analytischen und numerischen Berechnungen ergab, dass bei Zellen ohne FSF die Einsammel¬wahrscheinlichkeit durch Hochinjektionseffekte stark beeinflusst wird, wohingegen die Kurzschlussstromdichte bei Zellen mit FSF nahezu keine Injektionsabhängigkeit aufweist. Neben dem oberflächenpassivierenden Effekt des FSF konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass das FSF zu einer Erhöhung der lateralen Querleitfähigkeit beiträgt. Somit reduziert ein FSF die Serienwiderstandsverluste in RSK-Solarzellen mit niedriger Basisdotierung drastisch. Eine Analyse der Rückseite ergab, dass vor allem der Basisbereich, welcher nicht mit einem Emitter bedeckt ist, einen starken Einfluss auf die Kurzschlussstromdichte hat. Vor allem bei höherer Basisdotierung wirkt sich eine höhere Emitterbedeckung sehr positiv auf den Wirkungsgrad aus. Zusätzlich zu der Analyse des inneren Zellbereiches wurde auch der Einfluss der Metallisierung und der notwendigen Busbereiche analysiert. Die Untersuchungen ergaben, dass die Busbereiche zu elektrischen Abschattungsverlusten führen, die je nach Polarität von einer Reduktion des Füllfaktors oder der Kurzschlussstromdichte herrühren. Bei Konzentrator-RSK-Solarzellen führt vor allem das Verhalten des Füllfaktors zu einem drastischen Wirkungsgradsverlust der Zelle. Dieser kann jedoch vermieden werden, indem die Busse aus dem aktiven Zellbereich entfernt werden.Zusätzlich zu den untersuchten Silizium-Solarzellen wurden in dieser Arbeit auch Solarzellen aus III-V-Halbleitern analysiert. Für die Simulation von III-V-Mehrfachsolarzellen ist die korrekte Beschreibung der internen Verschaltung der Teilzellen durch die Esaki-Tunneldiode entscheidend. Es konnte gezeigt werden, dass nur unter Verwendung eines nicht lokalen Tunnelmodells der Verlauf des Tunnelstroms im unteren Spannungsbereich der experimentellen Strom-Spannungskennlinie korrekt beschrieben werden kann. Unter Verwendung des nicht lokalen Tunnelmodells konnte eine GaAs/GaAs-Tunneldiode kalibriert werden. Strukturanalysen haben gezeigt, dass der Tunnelstrom sehr stark durch die Dotierhöhe der Tunnelschichten, sowie das Profil am pn-Übergang beeinflusst ist. Das Modell der Tunneldiode wurde abschließend in eine GaInP/GaAs-Tandemsolarzelle implementiert, und damit die Hellkennlinie und die Quanteneffizienz dieser Mehrfachsolarzelle simuliert. Neben der Optimierung und Analyse von Solarzellen, die auf der Erde eingesetzt werden, wurde in dieser Arbeit an der Entwicklung einer strahlungsstabilen Dreifachsolarzelle für den Einsatz im Weltraum mitgearbeitet. Anhand einer umfassenden Simulationsstudie konnten die notwendigen Strukturänderungen wie die Implementierung eines Halbleiterspiegels und die Verringerung der Zelldicke sowie die Verwendung eines Dotiergradienten in der Basis realisiert und evaluiert werden. Eine abschließende Sensibilitätsanalyse ergab, dass die optimierte Mittelzellstruktur in einem stabilen Maximum liegt und somit für die industrielle Produktion bestens geeignet ist.

In this work self-assembled Ge islands grown on Si(001) are investigated by means of selective wet chemical etching and scanning probe microscopy.By means of selective wet chemical etching and atomic force microscopy the compositional profile of free standing islands, which are grown by deposition of Ge on Si(001) at various temperatures and growth rates, is investigated. It is shown that for low growth temperatures (560-600oC) Si is mainly located at the periphery of the islands. At higher temperatures also the center of the islands has a higher Si content. The experiments furthermore demonstrate, that by increasing the islands growth rate their Si content is decreasing. By performing simple simulations the obtained experimental results can be reproduced and it is shown that the compositional profiles of the islands can be explained by means of a simple kinetic model, which is based just on surface diffusion processes.While for as-grown islands there is a four-fold symmetry in their compositional profile, this is not any more true for annealed islands. The islands are not any more etched symmetrically; instead, one side is etched faster. This is the result of a lateral motion, taking place during post-growth annealing and which is driven by an energetically favorable intermixing between Si and Ge. Ge-rich material diffuses from one side of the island towards the other, where it gets intermixed with Si arriving from the substrate. During this lateral motion the islands become bigger and Si-richer.Furthermore, by scanning tunneling microscopy the shrinking of islands, on as-grown as well as on post-growth annealed samples, is investigated. Islands shrink by following the inverse path observed during their growth, demonstrating thus that the island shape is thermodynamically determined.By means of selective etching also Ge islands, which were capped by Si are investigated. The removal of the Si cap allows the investigation of both the morphology and the composition of the buried islands. It is shown that the morphology of the Si cap does not always correspond to that of the buried islands. Furthermore, it is shown that the compositional profile of the islands, which are capped at the temperature range 300-450oC is the same as that of the as-grown islands. For islands, which are overgrown at 580oC it is shown that although their morphology is changing drastically, the Ge-rich part does still exist. This indicates that at least up to 580oC no bulk diffusion is taking place.

Thin-film solar cells from crystalline silicon require only a fraction of the high purity absorber material needed for wafer based solar cells. Due to the crystalline structure, the silicon film can be processed into solar cells analogous to multicrystalline silicon wafers - and the cells can reach similar conversion efficiencies.This work investigates a crystalline silicon thin-film solar cell technology that is based on a so-called high temperature approache. A thin silicon film is applied onto a substrate by chemical vapor deposition (CVD) and subsequently transferred into a coarse-grained structure by zone-melting recrystallization (ZMR). This film acts as a seed film, which is afterwards epitaxially thickened. The final silicon thin film can mainly be processed into solar cells with standard technology.The ZMR process largely determines the conversion efficiency of the final solar cell, since crystal defects like dislocations or grain boundaries are replicated by the subsequent epitaxial growth. Of special importance are low angle grain boundaries, which are an inevitable feature of the ZMR process and in this connection are called subgrain boundaries. This work examines how dislocations in the epitaxial film are related to subgrain boundaries in the seed film. Experimental results confirm a theory that explained subgrain boundary formation by tilting of subgrains and polygonization of dislocations. Further, the effect of different material and process parameters on dislocation density is examined, like film thickness and ZMR scan speed.For a quantitative description of the relation between dislocations and electronic film properties, a theoretical model is developed, based upon the work of Donolato (J. Appl. Phys. 84, 2656 - 1998). For the purpose of this work Donolato´s model is extended regarding the use of the quantum efficiency effective diffusion length and the appropriate description of thin devices with a finite thickness and a finite back surface recombination velocity. A technique for automated etch pit density (EPD) mapping has been developed for application of the model to experimental data. Normalized recombination strength values are determined from EPD data and measurements of effective diffusion lengths by spectrally resolved light beam induced current (SR-LBIC). Further, the model can be used to describe the dependence of open circuit voltage on dislocation density.The last part of this work demonstrates how solar cell conversion efficiency can be improved by a process that is especially adapted to the silicon thin films. With such an optimized process, conversion efficiencies up to 13.5 % (Voc = 610 mV, Jsc = 30.9 mA/cm², and FF = 71.7 %) are demonstrated, for a model substrate with a ~31 µm thick silicon film.

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.

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.

Ziel dieser Arbeit war es, für einen herkömmlichen Solarzellenprozess für Siliziumwafer die Technologien der Einzelprozessschritte aufzuzeigen, Alternativen dazu zu entwickeln und die-se zu charakterisieren. Ein typischer Prozess, von der Herstellung des Rohsiliziums bis zum fertigen Solarmodul wurde aufgezeigt und die dabei entstehenden Kosten diskutiert. Die Schätzungen der Gestehungskosten variieren zwischen 0,23 und 0,70 /kWh. Lernkurven zei-gen, dass spätestens im Jahr 2020 die Photovoltaik konkurrenzfähig zu anderen Energiequellen sein wird. Der erste Schritt im Solarzellenprozess ist die Entfernung des Sägeschadens, der beim Sägen der Wafer aus einer Säule entsteht. Für monokristalline Wafer wurden zwei alkali-sche Ätzrezepte entwickelt, die industriell anwendbar sind und gleichzeitig zu einer Texturie-rung der Oberfläche führen. Dies reduziert die Reflexion des Lichtes an der Oberfläche und erhöht die Einsammelwahrscheinlichkeit für generierte Ladungsträger. Für multikristallines Material funktioniert diese alkalische Texturierung aufgrund der unterschiedlichen Kristallori-entierungen nur unzureichend. Für dieses Material wurde eine Ätzlösung entwickelt, die im Vergleich zu bisher bestehenden Rezepten nur aus Wasser, Flusssäure und Salpetersäure be-steht. Dies vereinfacht die Prozessführung und die Nachdosierung. Im Vergleich zu herkömm-lich alkalisch geätzten Wafern konnte eine Wirkungsgradsteigerung von 14,6%, auf 15,6% im Mittel erreicht werden. Eingekapselt in ein herkömmliches Modul bestehend aus 36 Zellen war ein Gewinn in der Ausgangsleistung um 4,8% zu verzeichnen. Nach dem Sägeschadenätzen folgt im Allgemeinen die Emitterdiffusion. Die zwei am weitesten verbreiteten Methoden wur-den im Rahmen dieser Arbeit miteinander verglichen; die Gasphasendiffusion mit POCl3 als Dotierquelle und die Aufbringung eines Dotierstoffes mit anschließendem Hochtemperatur-schritt. Die Charakterisierung der fertigen Solarzellen zeigte Unterschiede zwischen den Grup-pen in einzelnen Parametern auf, im Wirkungsgrad der Zellen führten beide Methoden aber zu denselben Ergebnissen. Nach der Emitterdiffusion erhält man im Allgemeinen eine leitende Verbindung zwischen Vorder- und Rückseite der Solarzelle. Diese muss durch entsprechende Mittel unterbrochen werden. Die bestehenden Methoden wurden miteinander verglichen und eine neuartige Methode entwickelt. Die neu entwickelte Methode besteht im nasschemischen Entfernen des Emitters auf der Rückseite. Dies führt zu signifikanten Steigerungen im Wir-kungsgrad, bei gleichzeitiger Vereinfachung des Gesamtprozesses. Ein Großteil des in der Pho-tovoltaik eingesetzten Siliziums, hat im Ursprungszustand noch eine hohe Konzentration an intrinsischen Rekombinationszentren. Diese können teilweise aus dem Material gegettert oder mit Wasserstoff passiviert, das heißt elektrisch deaktiviert werden. Viele der bisherigen Nach-weismethoden für Wasserstoff sind sehr aufwändig oder ungenau. In dieser Arbeit wird ein Drei-Schichten-Modell vorgestellt, das mit Hilfe von Lebensdauermessungen der Minoritätsla-dungsträger, die Diffusion des Wasserstoffes in den Wafer detektiert. Die Überprüfung dieser Aussagen geschah durch Simulationen mit PC1D. Siliziumnitrid, vorzugsweise mittels PECVD (plasma enhaced chemical vapour deposition) Technik abgeschieden, ist die am weitesten ver-breitete Methode zur Wasserstoffpassivierung, da selbiger in großen Mengen in den Schichten enthalten ist. Die Siliziumnitridschicht dient weiterhin als Oberflächenpassivierung und Antire-flexschicht. Die beiden gebräuchlichsten, die Direktplasma- und Remoteplasmaabscheidung wurden miteinander verglichen. Die gefertigten Solarzellen zeigten in einzelnen Parametern leichte Unterschiede, das Wirkungsgradniveau war aber nahezu gleich für beide Technologien. Im letzten Kapitel wurde die Metallisierung der Solarzellen behandelt. Speziell wurde dabei auf eine neuartige Methode eingegangen, bei der zwei bewährte Verfahren in der Photovoltaik erstmals miteinander verknüpft werden: Das Lasern von Gräben und die Drucktechnik. Es konnte gezeigt werden, dass mit dieser Kombination die Abschattung der Zelle verringert wer-den kann, bei gleichzeitiger Vergrößerung des Querschnitts der Finger und der Kontaktfläche zum Emitter. In ersten Experimenten konnte so der Wirkungsgrad, im Vergleich zu konventio-nell bedruckten Solarzellen, um 0,5% absolut gesteigert werden. Zwei der neu entwickelten Alternativen zu den herkömmlichen Prozessschritten haben sich als sehr erfolgreich herausge-stellt: Die saure Texturierung und die nasschemische Entfernung des rückseitigen Emitters. Für beide Prozesse wurden zusammen mit einem Industriepartner Produktionsanlagen entwickelt, die inzwischen weltweit im Einsatz sind. Die saure Texturierung wurde zum Patent angemeldet und bis Mitte 2005 waren sieben Anlagen inklusive Prozesslizenz in der industriellen Fertigung.

For many catalytic processes the adsorption and activation of oxygen is of major importance. Nano-particles (cluster) essentially differ in there properties from the well-known macroscopic environment. For example: metal cluster can act as semiconductors or even insulators.In the context of this work the chemisorption of oxygen on metal (Cu, Pd) and semiconductor clustern (Si) is studied. By means of anion photoelectron spectroscopy (PES) it could be shown that oxygen dissociates on small copper cluster anions. However, molecular oxygen forms an activated hyperoxide species on clusters consisting of 6 to 10 copper atoms.On small (1-3 atoms) palladium cluster anions oxygen adsorbs dissociatively. With increasing cluster size the influence of oxygen bonding on the forming conduction band of the palladium cluster is fading. However, a definite answer on the chemisorption of oxygen on the larger palladium clusters is not possible up to this point.Stable clusters can be used as building blocks for new cluster materials. An example is the Fullerit, a solid state formed of C60 clusters. In the present work, "magic" Si7-clusters on surfaces were examined, in particularly the suitability of these cluster as components of a new solid body. The clusters are produced in a magnetron sputter gun, separated and soft landed onto different surfaces.By means of X-ray electron spectroscopy (XPS) first indications are found, which point to the fact that Si7 on surfaces is very stable in relation to chemical reactions and not likely to merge with neighboring clusters. In contrast, deposited silicon clusters with 8 or 9 silicon atoms exhibit a high reactivity towards oxygen. Results which point in the same direction are obtained by Auger electron spectroscopy (AES) and high-resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS). In addition theoretical simulation are carried out.

In der vorliegenden Doktorarbeit wurde multikristallines Silizium im Hinblick auf seinen Einsatz in hocheffizienten Solarzellen untersucht. Da die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger der Schlüsselparameter ist, welcher die Effizienz einer Siliziumsolarzelle bestimmt, wurde die Messung dieser Lebensdauer während der gesamten Arbeit zur Beurteilung der Materialqualität und der Güte der Oberflächenpassivierung eingesetzt. Die Anwendung der Standardprozesse, die für hochreines monokristallines Silizium entwickelt wurden, erbrachten auf multikristallinem Silizium keine guten Resultate, da die Materialqualität von den hohen Oxidationstemperaturen stark gemindert wurde. Deshalb mussten neue Prozesse und Prozessfolgen entwickelt werden.Besonderes Augenmerk wurde hierbei auf die Veränderungen der Materialqualität bei der Anwendung verschiedener Hochtemperaturprozesse gelegt. Hierbei hat sich herausgestellt, dass eine Phosphordiffusion sehr effektiv Verunreinigungen wie z.B. Eisen aus dem Material entfernen kann. Allerdings wies die Getter-Effizienz eine starke Abhängigkeit von kristallografischen Defekten auf, d.h. sie war hoch in Bereichen mit nur geringen Versetzungsdichten wohingegen in stark versetzten Gebieten keine Verbesserung zu erzielen war. Die Ergebnisse konnten anhand eines mikroskopischen Modells erklärt werden.Die Oxidation der Siliziumoberfläche ist ein vielseitig einsetzbarer Prozess für die Herstellung hocheffizienter Solarzellen, da Siliziumoxid sowohl als Maskierungsschicht als auch zur elektrischen Passivierung der Oberfläche genutzt werden kann. Die üblicherweise eingesetzten Prozesstemperaturen von ca. 1050 °C aktivieren intrinsische Defekte und führen somit zu einer Degradation multikristallinen Siliziums. Deshalb wurde ein Oxidationsprozess bei 800 °C entwickelt, bei dem zugeführter Wasserdampf die Oxidationsrate deutlich erhöht. Die Verschlechterung der Materialqualität wurde somit fast vollständig verhindert. Die Konzepte zur Herstellung hocheffizienter Siliziumsolarzellen wurden an die speziellen Bedürfnisse multikristallinen Siliziums angepasst. Hierzu zählte auch die Strukturierung der Vorderseite zur verbesserten Lichteinkopplung. Für diese sogenannte Texturierung wurde ein Plasma-Prozess für eine bei niedrigen Temperaturen hergestellte Maske entwickelt, der unabhängig von der Kristallorientierung die Oberfläche ätzt. Zusammen mit einer sehr guten internen Verspiegelung wirkt diese Struktur als Lichtfalle, was besonders für dünne Wafer von Bedeutung ist. Die verspiegelte Rückseite besteht aus einer 100 nm dicken Oxidschicht und aufgedampftem Aluminium. Zur Kontaktierung wurde das Aluminium lokal mittels eines Laserstrahls durch das Oxid gefeuert. Mit der neuen Prozessfolge konnte die Lebensdauer der Ladungsträger deutlich erhöht werden, während gleichzeitig eine Zellstruktur mit sehr gut passivierten Oberflächen und exzellenten optischen Eigenschaften aufgebaut wurde. Wirkungsgrade von über 20 % auf Scheibendicken von weniger als 100 µm wurden erreicht. Diese wurden in kalibrierten Messungen unabhängiger Labore bestätigt. Die Werte von 20.3 % auf Zellflächen von 1 cm2 (VOC = 664 mV, jSC = 37.7 mA/cm2, FF = 80.9 %) und 19.8 % auf 4 cm2 (VOC = 638 mV, jSC = 38.8 mA/cm2, FF = 80.0 %) sind die höchsten bis heute veröffentlichten Werte für multikristallines Silizium. Dies erbrachte den Nachweis, dass multikristallines Silizium bei richtiger Prozessführung als Material für hocheffiziente Solarzellen eingesetzt werden kann.Die Wirkungsgrade der Solarzellen waren fast ausschließlich durch die Materialqualität begrenzt. Diese sind somit ideal für die Modellierung des Einflusses inhomogener Lebens-dauerverteilungen auf die Solarzellenparameter geeignet. Um die Verhältnisse in der Solarzelle möglichst genau nachzubilden, wurden für die Lebensdauermessung Proben eingesetzt, die auf der Vorderseite einen Emitter aufweisen und deren Rückseite mit einem Oxid passiviert ist. Die üblicherweise verwendeten Proben mit Siliziumnitridbeschichtung zur Oberflächenpassivierung bilden nämlich eine mögliche Materialverbesserung durch Emitterdiffusion oder eine Degradation durch Oxidation nicht ab. Allerdings ermöglichte der Emitter durch seine hohe Leitfähigkeit einen teilweisen Ladungs-trägerausgleich zwischen Bereichen hoher und niedriger Lebensdauer. Somit fielen die Messergebnisse in guten Bereichen zu niedrig und in schlechten Bereichen zu hoch aus, die lokale Materialqualität wurde bei einer solchen Probe nicht korrekt ermittelt. Mit Hilfe eines analytischen Algorithmus konnte jedoch die tatsächliche Lebensdauer berechnet werden, wie sie sich ohne Emitter darstellen würde. Dieser wurde für die Modellierung von Solarzellen in einem einfachen Modell benutzt, welches aus parallel geschalteten Elementarsolarzellen besteht. Anhand von 200 Solarzellen wurde experimentell bestätigt, dass eine korrekte Modellierung des Kurzschlussstromes und der offenen Klemmenspannung mit diesem Verfahren möglich ist.

The significant increase in solar cell production over the last few years has triggered an increased demand for characterization tools suitable for in-line and / or off-line process-control. Simultaneously, from a scientific perspective, there is a demand for characterization tools with high spatially resolution that may significantly contribute to a better understanding of the loss mechanisms in laterally inhomogeneous solar cells. This thesis contributes to the development of such characterization tools. Measurement instruments were developed that are capable to characterize performance limiting parameters of finished solar cells and solar cell precursor with sufficient lateral resolution. At the moment, the two- or three-dimensional modeling of solar cells with inhomogeneous parameters is only attainable in complex semiconductor simulation tools. Therefore, modeling tools were developed, that allow for a quick and simple evaluation of the influence of measured inhomogeneities on solar cell parameters. Among others, the characterization and modeling tools described in the following were developed in the framework of this thesis: The class model is a possibility to incorporate the effect of the frequency distribution of a laterally inhomogeneous parameter, as e.g. carrier lifetime, in a one dimensional solar cell simulation. The basic idea is to calculate an appropriately weighted mean of the lifetime distribution and use this weighted mean in the 1D simulation. It was shown, that especially for lifetime and diffusion length distributions, the class model is capable to incorporate the complete effect of inhomogeneous material quality in a 1D simulation. A measurement station for Dark Lock-In Thermography (DLT) after the principle proposed by Breitenstein and Langenkamp was built. A disadvantage of Dark Lock-In Thermography is that the measurements are performed on an un-illuminated solar cell with electrical excitation. It is well known, that illuminated and un-illuminated current paths in a solar cell may differ considerably. Hence it is not amazing, that in a number of cases DLT-measurements may not give a realistic image of the relative impact of different loss mechanisms in the solar cell. For this reason Dark Lock-In Thermography was further developed to the principle of Illuminated Lock-In Thermography (ILT) within this thesis. In Illuminated Lock-In Thermography the electrical excitation source is replaced by a modulated light source. This method allows for a direct and spatially resolved measurement of the power losses in a solar cell at the operation point (MPP). This enables a realistic evaluation of the influence of the spatial distribution of power losses and different loss mechanisms on solar cell performance. The method of Carrier Density Imaging (CDI) enables for the first time the measurement of lifetime topographies of essentially every silicon wafer relevant for photovoltaics without the need for scanning the sample. Thus CDI decreases measurement times for spatially resolved lifetime images by at least a factor of 100 compared to other state-of-the-art lifetime measurement equipment. An additional advantage of CDI is the contactless measurement of absolute lifetime values under low-level injection conditions. CDI can be used in either an absorption or an emission mode. In Emission-CDI a slightly increased sample temperature results in a significant increase in signal strength and thus leads to a further reduction of measurement time. A second possibility for the further reduction of measurement time is to use a flash instead of the semiconductor laser for illumination purposes. Measurement times below 100 ms were realized with this Flash-CDI within this work. The setup that is used for CDI-measurements may as well be used for the investigation of emitter sheet resistance RSh if the measurement conditions are appropriately altered. An according measurement method (Sheet Resistance Imaging SRI) was developed. In contrary to four-point-probing, which is the standard method for measurements of RSh at the moment, SRI is a contactless measurement with measurement times of a few seconds. As in CDI measurements a good spatial resolution of e.g. 350 µm on a 100x100 mm² sample may be achieved without the need for time-consuming scanning of the sample. The class model was used to simulate the dependence of solar cell performance on the distance from the bottom of a multicrystalline ingot. With this method important information about the size of the useable part of a silicon ingot was attained. In addition, the influence of different conditions in the phosphor diffusion process on bulk lifetime of multicrystalline samples was investigated. In this investigation, the class model helped to determine the optimal diffusion conditions from the controversial demands for high and low lifetime areas.

Die Arbeit befasst sich mit hocheffizienten Solarzellenstrukturen für industrielles monokristallines Silicium-Material mit Diffusionslängen kleiner als 300 µm. Es werden zwei Wege vorgeschlagen: Die Verwendung ultradünner Wafer (bis zu 36 µm dünn) sowie die Realisierung einer Emitter-Wrap-Through-Struktur. Im Bereich der ultradünnen Solarzellen werden neben der Prozessierung die mechanischen Eigenschaften u.a. durch Bruchtests untersucht. Weiterhin werden Untersuchungen zur Solarzellenoptik (insbesondere Bestimmung der Rückseitenreflexion) und den elektrischen Eigenschaften vorgestellt. Dabei wird die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit der lasergefeuerten Rückseite intensiv untersucht. Es werden vollständige eindimensionale Simulationen mit experimentellen Ergebnissen verglichen und eine Verlustanalyse durchgeführt. Die Emitter-Wrap-Through-Solarzelle (EWT) wird mit der Rückseitenkontaktzelle verglichen und über die Degradation von bordotiertem Cz-Material ein 2D-Simulationsmodell experimentell validiert.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz von RTP (engl. rapid thermal processing) zur Herstellung kristalliner Silizium-Solarzellen. RTP bietet verschiedene Vorteile bei der Herstellung von Silizium-Solarzellen. So bietet RTP bietet Möglichkeit thermischen Prozesse zu untersuchen, die mit der konventionellen Hochtemperaturprozessierung in Quarzrohröfen (CFP, engl. conventional furnace processing) nicht realisiert werden können. So lassen sich Insbesondere steile Aufheiz- und Abkühlrampen mittels CFP aufgrund des Ofendesigns nicht realisieren. Zudem bietet RTP eine hohe Flexibilität, es kann gleichzeitig für verschiedene thermische Prozesse eingesetzt werden. Bezüglich der industriellen Produktion von Solarzellen besteht das Interesse, zeitintensive konventionelle Prozesse durch angepasste schnelle RTP Prozesse zu ersetzen. Dies bietet den Vorteil eines erhöhten Scheibendurchsatzes, geringere Investitionsaufwendungen sowie geringeren Platzverbrauchs in der Produktion aufgrund der kleinen Stellfläche von RTP-Anlagen.Im ersten Abschnitt dieser Arbeit wird versucht, die propagierte beschleunigte Diffusion von Phosphor in Silizium unter Photon-Bestrahlung zu verifizieren. Dazu wird ein RTP-Ofen verwendet, der zusätzlich zu den Wolfram-Halogen-Lampen auch mit Excimer UV-Lampen ausgerüstet ist.Im zweiten Teil der Arbeit wird gezeigt, dass mit Hilfe von RTP qualitativ hochwertige Schichten für Silizium-Solarzellen hergestellt werden können. Zunächst werden extrem flache Phosphor-Emitter hergestellt und charakterisiert. Desweiteren wird RTP zum Aufwachsen von thermischem Siliziumdioxid und zur Legierung einer rückseitigen Al-dotierten Schicht zur Oberflächenpassivierung eingesetzt. Ein Solarzellenprozess mit RTP-Prozessen für Diffusion, Vorder- und Rückseitenpassivierung wird entwickelt.Der dritte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Kompatibilität diverser Siliziummaterialien mit RTP. Insbesondere wird untersucht, ob die Ladungsträgerlebensdauer durch einen RTP-Schritt verbessert, erhalten oder erniedrigt wird. Diese Bewertung wird unter Verwendung hoher Prozesstemperaturen sowie steiler Aufheiz- und Abkühlraten durchgeführt.Zusammenfassend leistet diese Arbeit einen Beitrag zur Abschätzung des Potentials von RTP in der Herstellung von Schichten für Siliziumsolarzellen sowie der Bewertung verschiedener Siliziummaterialien bezüglich ihrer Verträglichkeit mit RTP-Prozessen.

The present work concerns the analysis of high-efficient silicon solar cells using experiments and multi dimensional numerical modeling. One main topic is the characterization of loss mechanisms in high-efficient solar cells, that are made using simplified industrial processing schemes. The potential of thin rear contacted solar cells is evaluated using multi dimensional device simulation. The numerical methods are used further to analyse the impact of local ohmic resistance. In addition, a method for the measurement of local parallel resistance is presented.

In this PhD thesis alternative pn-definition methods for the fabrication of crystalline silicon solar cells have been investigated. POCl3-emitter formation via the gas phase leads to short circuits in the contact region between the emitter and alloyed aluminium. POCl3-diffusion leads to a doping of the whole surface of the silicon wafer. By alloying the aluminium, deposited later on, at temperatures over 800°C, the emitter is locally overcompensated. During subsequent cooling, the highly doped p+-layer and a metallic back contact of eutectic composition are formed. The reason for the low shunt resistance is a direct connection along the wafer surface between the base contacting eutecticum and the neighbouring emitter.In principle there are two different methods to avoid short circuit formation: either by a local deposition of a diffusion prohibiting medium before emitter formation - or subsequently by removing the emitter at defined regions. These additional procedures become costly, particularly for solar cells with interdigitated p- and n-type doping regions as with Emitter Wrap Through (EWT) solar cells. The main focus of the work presented in this thesis is the Al/P-codiffusion process, leading to shunt resistances of more than 10kOhmcm2 without additional processing steps for junction isolation. The codiffusion process has proved to be successful with both mono- and multicrystalline silicon wafers, to be independent of the deposited Al layer thickness and the choice of the diffusion media.The independence of the shunt resistances from the length of the alloyed aluminium grid opens the possibility to use Al/P-codiffusion for pn-definition during the fabrication of solar cells with interdigitated p- and n-type doping regions.The main advantage of the codiffusion process is the significant simplification of the solar cell fabrication because three separate processing steps of the standard sequence - emitter formation, BSF formation and pn-junction isolation - can be realized in one single high temperature step.

Im Ansatz der kristallinen Silizium Dünnschichtsolarzelle spielt die Abscheidung von Silizium-Schichten eine zentrale Rolle. So erfordert eine industrielle Fertigung von Silizium Dünnschichtsolarzellen die Entwicklung geeigneter Systeme zur effizienten und kostengünstigen Abscheidung von Siliziumschichten.Am Fraunhofer ISE wurde ein Si-APCVD System konzipiert und aufgebaut, welches den Anforderungen an Schichtqualität und Abscheidekosten entgegen kommt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden für diesen Reaktor verschiedene Si-Abscheideprozesse entwickelt und optimiert. In einem ersten Solarzellen-Ansatz wurden Basis-Schichten auf verschiedene elektrisch inaktive Si-Substrate epitaktisch abgeschieden und sowohl mit Reinraum als auch mit Industrie-nahen Fertigungstechnologien prozessiert. Unter Verwendung von Siebdruck-Techniken konnten mit diesem Zellkonzept Wirkungsgrade bis zu 12.2% und 11.7% für Cz-Si bzw. mc-Si Substrate erreicht werden. Zum erstenmal wurden einkristalline Reclaim Wafer als Substratmaterial eingesetzt. Die beste epitaktische Dünnschichtsolarzelle erreichte hierbei einen Wirkungsgrad von 11.5%. In einem zweiten Ansatz wurden Dünnschichtsolarzellen auf isolierenden Fremdsubstraten hergestellt. Vier Hochtemperatur-Keramiken wurden auf ihre Eignung als Substratmaterial untersucht: heiß gepresstes Siliziumnitrid und Silizium-infiltriertes Siliziumcarbid mit polierten Oberflächen ("ideale" Materialien), und foliengezogenes Siliziumnitrid sowie foliengezogenes SiAlON ("realistische" kostengünstige Materialien). Der beste Wirkungsgrad von 10.7% wurde für eine Solarzelle auf Siliziumcarbid Substrat erreicht.

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.

In atomic cluster research, generally both geometric and electronic properties of clusters have to be considered. Until now, however, experiments have yielded only limited information. Usually, either the geometry or the electronic structure, but not both, can be determined. The present work is the first to successfully combine an ion mobility spectrometer (IMS, yielding a cluster's shape) with a photoelectron spectrometer (PES, yielding a cluster's electronic levels). Thus one can measure isomer-separated photoelectron spectra in a systematic way. Both the number of atoms in a cluster and their arrangement are well defined. This does not depend on the conditions inside the cluster source. The proof of principle of the new IMS/PES method was given using carbon cluster anions.The new method would be helpful e. g. for the examination of silicon hydride mixed clusters (Si_m H_n). At silicon bulk surfaces, hydrogen adsorption strongly changes crystal structure and conductivity. It is still unknown what this means with respect to clusters. However, despite the relevance of semiconductor and nanotechnology, only few experimental research has been done considering either the geometric or the electronic structure of Si_m H_n clusters. As it has not yet been possible to apply the new IMS/PES method on these clusters, a comparison of conventional photoelectron spectra and theoretical simulated spectra is presented. Spectra habe been measured for Si_m H_n- anions, where m = 3 10 and n = 0 2. As a result, the observed clusters' structure may be concluded. Moreover it appears that for cluster anions, electron affinity plays an important role in the selection of isomers inside the source.

Stable clusters can be used as building blocks for new cluster materials. For an example take the fullerit that consists of C60 clusters. Such materials have potentially very interesting properties. In the current work Si4 has been investigated for its properties, especially whether it is suited as a building block for a new cluster based material. Therefore Si4 has been produced in a cluster ion source and soft landed on different surfaces. With a scanning tunneling microscope (STM) it has been shown that the major part of the clusters is mobile on the surface. Some clusters are pinned to surface defects and act as nucleation centres for larger agglomerates. With x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) first evidence was found that the Si4 clusters on the surface are very stable against chemical reactions and fusion. For comparison deposited silicon atoms in contrast show a very different behaviour. UV photoelectron measurements (UPS) show evidence that points into the same direction. To confirm these assumptions improvements to the UPS experiment and theoretical studies are suggested.

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.

This project was sponsored by optical industries. We tried to find out, whether clustersputtering could be a tool for polishing the new generation of optics in EUVL-technologies. So we focused on the surface smoothing effect which appears for ion cluster beam bombardement on different scales of surface roughness. We succeeded in showing the smoothing effect on micrometer-, nanometer- and subnanometer-scale of roughness. For a commercially polished siliconwafer with a roughness-value of RMS=0.24nm we found after clustersputtering a significant reduced surface roughness of only RMS=0.14nm. Analysing the PSD-spectra those smoothing effects for siliconwafers appear for lateral spectral wavelengths > 17nm. For smaller structures of spectral wavelengths less than 17nm the roughness increases. Looking at the results of this work we can deal clustersputtering as a success promissing polishing tool for the new generation of mirror optics in EUVL-technologies. More systematic studies are to be done in the future.

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.

Leistungsintensive Mobilgeräte der Informationstechnologie stellen ein neues und interessantes Anwendungsgebiet für Solarzellen-Minimodule dar. Wichtige Anforderungen an derartige Minimodule sind: · Ausgangsspannungen von mehreren Volt · höhere Wirkungsgrade als monolithisch integrierte amorphe Siliziumsolarzellen · kostengünstige Fertigung im Vergleich zu in Schindeltechnik verlöteten kristallinen Silizium (c-Si) Hochleistungssolarzellen · ausreichende Leistung auch bei geringen Beleuchtungsintensitäten · ästhetisches Erscheinungsbild. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer Zugang für monolithisch serienverschaltete c-Si Solarzellen basierend auf der kostengünstigen Siebdruck-Prozesstechnologie vorgeschlagen. Der leitfähige Wafer dient dabei nicht nur - wie im Fall der Dünnschichtsolarzellen - als Substrat, sondern als gemeinsame elektronische Basis aller Unterzellen. Die Herausforderung bei der Umsetzung derartiger 'Hochvoltzellen' ist vor allem ausreichend hohe Shuntwiderstände zu realisieren, da zusätzliche parasitäre Strompfade existieren. Experimentell wurden Hochvolt- und Referenzzellen unter Verwendung von 11 Ohmcm CZ Si hergestellt. Für die konventionellen Referenzzellen ohne Antireflexionsbeschichtung (ARC) ergaben sich Wirkungsgrade (eta) von 10,1 Die Werte der besten in dieser Arbeit gefertigten Prototyp-Hochvoltzellen sind: · 'Emitter-Wrap-Through-Design' (10 Unterzellen, Gesamtfläche 40 cm2, SiN ARC); eta = 10,6 (11,9 Apertur), Voc = 5,6 V, Rsh = 2000 Ohmcm2. · 'Metallisation-Wrap-Through-Design' (6 Unterzellen, Gesamtfläche 21 cm2, ZnS/MgF2 ARC); eta = 12,8, Voc = 3,5 V. Gegenüber zuvor publizierten Zellkonzepten (eta ca. 8) weisen die Hochvoltzellen neue Rekordwirkungsgrade für monolithisch integrierte c-Si Solarzellen auf, wobei Computersimulationen zeigen, dass weitere Steigerungen möglich sind. Gefördert durch die Fraunhofergesellschaft wurden die in dieser Dissertation entwickelten Hochvoltzellen 1999 international zum Patent angemeldet.

Anion Photoelectron Spectroscopy is a competitive tool for the investigation of the electronic structure of clusters. In this work two investigations are carried out with this method: Employing conventional PES, photoelectron spectra of Silicon clusters with up to 50 atoms are recorded at a high photon energy of 6.4 eV. These are the first PES spectra of Sin-anions with more than 13 atoms at this photon energy. The data for Si8- to Si20- is compared to theoretical predictions which allowed conclusions for the ground state geometries of the anions. These results represent the first spectroscopic evidence for the postulated tricapped trigonal prism growth pattern of Silicon clusters in this range of sizes. This investigation represents a further step in understanding the properties of small silicon particles. In the second part of this thesis PES is employed in the form of time resolved photoemission (TRPE). This method, experimentally closely related to conventional PES, allows the observation of ultra fast dynamic processes in molecules and clusters, like the dissociation of a particle or the decay of an electronic excitation. The decay of an electronically excited state of the C3- anion was observed. The related electronic processes were identified and assigned to the participating electronic states. The lifetime of the excited state was determined by the analysis of the temporal development of the system. This measurement displays the potential this spectroscopic method provides in the investigation of small particles and clusters.

Die Physik der Solarzelle wird in mehreren Schritten dargestellt. Eindimensionale numerische Lösungen werden mit den analytischen Lösungen verglichen. Die optischen Eigenschaften texturierter Solarzellen werden per Strahlverfolgung ermittelt.Eine objektorientierte Umgebung zur numerischen und analytischen Solarzellensimulation namens PVObjects wurde in der Programmiersprache Mathematica entwickelt. Simulationen werden durch Aufruf der numerischen Programme RAYN, MESH und DESSIS durchgeführt.Die Beschreibung der Rekombinationseigenschaften hochdotierter Emitter wurde verbessert. Im Gegensatz zu vergangenen Studien wird ein quantenmechanisches Modell für den BGN-Effekt zur Berechnung des Emitters verwendet. Dieses neue Modell wird zur Berechnung phosphordotierter Emitter eingesetzt. Die Simulationen ergeben im Vergleich zum Standardmodell niedrigere Werte für die Löcherdichte an der Oberfläche hochdotierter Emitter.Die Arbeit beinhaltet eine Analyse von Dünnschichtsolarzellen aus kristallinem Silizium auf isolierenden Substraten. Die analytische optische Beschreibung planer Zellen berücksichtigt Vielfachreflexionen in den Schichten. Optische Eigenschaften texturierter Zellen werden durch Strahlverfolgung berechnet.Exakte numerische Referenzmodelle zur Simulation der elektrischen Eigenschaften wurden implementiert und der Einfluß der Dicke der elektrisch aktiven Schicht auf die Solarzellenparameter untersucht.Eine Analyse von Rückeitenkontaktzellen aus einkristallinem Silizium mit Spitzenwirkungsgraden von 21.4 wird vorgestellt. Das Simulationsmodell beinhaltet Strahlverfolgung, zweidimensionale elektrische Halbleitersimulation und Netzwerksimulation. Parametervariationen ergaben eine optimale Zelldicke im Bereich 100 µm bis 150 µm. Eine Wirkungsgraderhöhung von 3 relativ für eine Erniedrigung der bisher prozessierten Oberflächendotierkonzentration von 5x10^18 auf 1x10^18 cm-3 wurde experimentell verifiziert.

Semitransparente Solarzellen, bei denen ein Teil des eingestrahlten Lichtes transmittiert wird, eröffnen der Photovoltaik neue Möglichkeiten insbesondere in der Architektur, z.B. bei hochwertigen Solarfassaden. Die Eigenschaft, von beiden Seiten eingestrahltes Licht in elektrische Energie umzuwandeln (Bifacialität), steigert die Energieausbeute der Zelle insbesondere bei Montage vor stark reflektierenden Hintergründen.Die vorgestellte, sogenannte bifaciale POWER-Zelle (Polycrysttaline Wafer Engineering Result) erhält ihre Semitransparenz durch winzige (200µm) Löcher in der Zelle. Diese entstehen an den Schnittpunkten von, auf der Front- und Rückseite senkrecht zueinander mittels Präzisionssägen eingebrachten, tiefen Gräben. Sie dienen gleichzeitig zur elektrischen Verbindung des rück- mit dem frontseitigen Emitters.Es wurden industriell umsetzbare Herstellungssequenzen für bifaciale POWER-Zellen entwickelt und verglichen. Die erzielten Wirkungsgrade liegen mit 12 -13 bei einer optischen Transmittanz von 11 -16 wesentlich höher als bei bisherigen semitransparenten Dünnschicht-Solarzellen (ca. 4).Die Zellen weisen trotz ihrer Transmittanz mit über 30 mA/cm² z.T. eine höhere Photostromdichte als vergleichbar hergestellte, opake Referenzzellen auf. Dies begründet sich aus der makroskopischen Oberflächentextur und dem beidseitigen Emitter. Die Zellen leiden unter geringeren offenen Klemmspannungen und Füllfaktoren. Beides ist ein Resultat eines, im Vergleich zu konventionellen Zellen, um etwa 5 - 10 mal größeren Sättigungsstroms. Als Hauptgrund werden, unterstützt durch zweidimensionale Computersimulationen, die jeweils rund um die Löcher an die Oberfläche tretende Raumladungszone identifiziert.Mit der Al-P-Kodiffusion wird ein zum Patent angemeldetes Verfahren vorgestellt, das erlaubt, auf sehr einfache Weise sperrende pn-Übergänge zu erzeugen und damit die Herstellung neuartiger Solarzellen mit verschachtelten p- und n-Typ-Bereichen wesentlich vereinfacht

Erster Teil: Untersuchung der mechanischen Oberflächentexturierung von Siliziumsolarzellen.Zu Beginn des Herstellungsprozesses werden V-Gräben in die Front-Oberfläche gefräst. Dasvermindert die Reflexion und führt zu einer Steigerung der internen Quantenausbeute fürlangwellige Photonen.Diese Effekte wurden experimentell (durch Herstellung und Charakterisierung von Solarzellen)und mithilfe von Computersimulationen (mehrdimensionale Devicesimulationen mit demSoftware-Paket ISE TCAD und dem vom Autor entwickelten Optik-Programm Sonne)untersucht.Zweiter Teil: Untersuchung von Rückkontaktsolarzellen. Bei diesen liegen Basis- und Emitterkontaktauf der Rückseite. Schwerpunkt war die Herstellung und computerunterstützte Analyse einerneuen Art von Emitter-Wrap Through Solarzellen mit selektivem Emitter und siebgedrucktenKontakten.