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Excitonic solar cells are an emerging technology which holds the great promise of generating clean and sustainable photovoltaic power at lower cost than conventional silicon solar cells. In excitonic solar cells, the light is absorbed by organic semiconductors and dye molecules, which typically exhibit higher exciton binding energies than inorganic semiconductors. Therefore, free charge carriers can be generated only at interfaces between donor and acceptor materials. These interfaces can provide sufficient energy to overcome the exciton binding energy, resulting in free charge carriers, which then have to be transported towards the external electrodes. Since typical exciton diffusion lengths in organic materials do not exceed 10 nm, a sophisticated design of the internal morphology of the photoactive layer is necessary in order to allow loss-free diffusion of excitons to the separating interface while simultaneously providing consistent pathways for charge transport.This requirement can be met when employing metal oxide semiconductors like TiO2 as acceptor materials in combination with absorbing organic donors in so-called hybrid solar cells. TiO2 is an abundant, non-toxic, and cheap material and there are several well-established strategies to cover large areas with TiO2 nanostructures. In hybrid solar cells, these structures are decorated with self-assembled monolayers of dye molecules and infiltrated with conducting polymers. This results in a nano-phase separated donor-acceptor structure, which provides short exciton diffusion pathways towards interfaces but works as a consistent charge transport network. A general overview of different types of excitonic solar cells is given in Chapter 2, while working mechanisms of hybrid solar cells and fabrication routes for TiO2 nanostructures are described in more detail in Chapter 3.Two of the main challenges in hybrid solar cell research are the optimization of 1) the interface between organic and inorganic compounds and 2) the nano-geometry of the metal oxide electrode, i.e., the internal morphology of the active film. Topic 1) is adressed in the first part of this thesis, where the impact of interfacial properties on the mechanisms of charge separation, collection, and recombination is investigated for hybrid solar cells based on TiO2 as the metal oxide electrode and polythiophene as the organic hole transporter. The introduction of a conducting polymer between photoactive film and metal top contact as interfacial layer is discussed in Chapter 5. This coating establishes an Ohmic contact between organic semiconductor and metal electrode, which is favorable for charge collection. Three different self-assembled monolayers of dye molecules and a thin coating of Sb2S3 as modifiers at the interface between TiO2 and polythiophene are presented in Chapter 6. Choice of the modifier allows to partly control charge recombination kinetics at the hybrid interface. In Chapter 7 fine-tuning of the properties of the TiO2-dye-polymer interface with pyridine derivatives is discussed. It is found that a combination of 4-tert-butylpyridine and 4-mercaptopyridine enhances photocurrent and photovoltage simultaneously.The second part of the thesis adresses topic 2). As a model system for excitonic photoactive layers with different donor-acceptor morphologies polymer:fullerene bulk heterojunction solar cells are investigated in Chapter 8. In this chapter, the kinetics of charge recombination and extraction are analyzed as a function of the internal morphology of the devices. Chapter 9 presents a synthesis route for large area fabrication of TiO2 nanotube arrays on transparent conducting oxides with good control over nanostructure dimensions like tube spacing, diameter, and wall thickness. These structures are highly interesting for applications in hybrid solar cells since they allow a donor-acceptor nano-geometry with fine phase separation, enabling efficient exciton separation by still providing direct pathways for charge transport.

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.

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.

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

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

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

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

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.

This bachelor thesis is about contacting silicon-solarcells by using a nanosecond pulsed laser to define the contact area. The basic idea is to open a dielectrica on a silicon-wafer with a laser to create a low-impedance contact without damaging the subjacent silicon. Methods for analysis are lightmicroscopes, scanning electron microscopes, lifetime measurements(QSSPC, µPCD) so as sheet and contact resistances.Results are SiO2 formation through laser radiation on substrate, reduced lifetime in Si-bulk, reduced sheet resistance in the emitter layer and acceptable contact resistances. Results may lead to apply pico- or femtosecond lasers.

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

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

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

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

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.

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

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.

Within this thesis erbium-doped up-converters have been characterized and applied to silicon solar cells. An up-converter absorbs at least two low energy photons and converts them to one high energy photon and therefore, when applied to the rear of a bifacial solar cell, may lead to a spectral response beyond the absorption range of the solar cell. Within this thesis, this has been demonstrated using four different kinds of erbium doped host materials as up-converters. The host materials investigated were barium chloride, yttrium oxide, sodium yttrium fluoride and a commercial up-conversion powder (IRUCG), also consisting of sodium yttrium fluoride, but co-doped with ytterbium and erbium. Barium chloride and yttrium oxide based up-converters have been applied for the first time to solar cells.

Research in the field of organic semiconductors has attracted much interest in recent years. Organic semiconductors, i.e. carbon-based materials with semiconducting properties, have intriguing features, which make them interesting for both fundamental research and industrially made products.Some electronic devices made of organic semiconductors are already commercially available, e.g. displays with organic light-emitting diodes (OLEDs), whereas other devices, e.g. organic solar cells (OSCs), are still at the development stage. What is yet to be shown are OSCs, which satisfy the preconditions for commercialisation, i.e. with lifetimes >5 years, competitive cost (5%. Further intense research in the field of OSCs is required to achieve this goal.However, the large variety of organic semiconductors available and the many production parameters make a deterministic approach difficult: even when considering the same material combination of donor and acceptor, there are many parameters during production with a potential influence on the OSC performance and always several differ from one OSC to the next. The effects of these variations have to be analysed simultaneously due to the complexity and sensitivity of the OSCs. This makes the application of statistical methods essential for analysing the effect of production parameters, or combinations of them, for evaluating the potential of new materials and for optimising OSCs.This thesis describes both the creation of a solid platform for the acquisition and management of well-documented OSC preparation and measurement records, the fundamental requirements for sound statistical analysis, and the establishment of principal component analysis (PCA) for mining OSC data. PCA was used to search the data obtained for P3HT:PCBM OSCs for correlations, in order to explain the large observed spread in the measured OSC properties. It was found that variations in the evaporation process of the cathode have a significant influence on the OSC properties and it was confirmed that slow drying of the absorber layer leads to an improved OSC efficiency. Further links between production parameters and OSC properties were suggested and all necessary tools are in place to allow further investigations of the observed correlations and future material screening and OSC concept development. On the basis of the PCA, a statistical model was proposed, which can predict the main OSC properties given the production parameters. Thus, numerical optimisation of the predicted OSC properties should lead to improved production parameters, resulting in more reproducible OSCs with better performance.

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

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

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.

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.

This biannual report presents the results achieved in solid state physics and in cluster physics at the Departmant of Physics of the University of Konstanz in 2002 and 2003. The main topics presented in this report are nanostructures, high temperature superconductors, semiconductors, solar cells, surfaces, interfaces, thin films, ion transport in solids, phase transitions, and cluster physics.

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.

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

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

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.

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

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.

Mit der Entwicklung von Verfahren zur Beschreibung der optischen Vorgänge in Strukturen aus III-V Verbindungshalbleitern wurde die Grundlage für die exakte Modellierung von III-V Solarzellen gelegt.Zwei charakteristische Eigenschaften von III-V Solarzellen sind verantwortlich für den Entwicklungsbedarf der Simulationswerkzeuge, die aufgrund der Silicium dominierten Modellierung bisher vernachlässigt wurden: Zum einen kommt es durch den nur wenige Mikrometer dünnen, elektrisch aktiven Bereich der III-V Solarzelle zu optischen Interferenzen in den Schichten. Zum anderen ist der Ladungsträgertransport in und zwischen den Schichten durch den rein optischen Prozess der Emission und Absorption von Photonen (Photon-Recycling) zu berücksichtigen. Für beide Phänomene wurden Verfahren entwickelt, die für beliebige planparallele Schichten anwendbar sind.Zur Beschreibung der Reflexion und Transmission von dünnen planparallelen Schichtsystemen unter Berücksichtigung von Interferenzen wie Antireflexbeschichtungen oder dielektrische Spiegel, ist die Matrixmethode hervorragend geeignet. Die Anwendbarkeit dieser Methode auf III-V Solarzellen wurde mittels Reflexionsmessungen verifiziert. Mit der Erweiterung der Matrixmethode zur Bestimmung des lokalen elektrischen Feldes in den Schichten, wurde die Voraussetzung geschaffen, die ortsaufgelöste optische Generation unter Beachtung von Interferenzeffekten zu berechnen. Als weiterer wichtiger Effekt konnte die Diffusion der Ladungsträger während der Thermalisierung identifiziert werden. Damit kann eine für die elektrischen Simulation zentrale Eingangsgröße, nämlich die Verteilung der optisch generierten Ladungsträger, für III-V Solarzellen exakt beschrieben werden.Die Umverteilung der Ladungsträger durch Emission und Absorption von Photonen wurde bisher nur für einzelne Schichten beschrieben. Mit Hilfe des hier entwickelten Verfahrens kann die Umverteilung für beliebige planparallele Schichtsysteme mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen erfolgen. Um die umfangreichen Berechnungen zu beschleunigen, wurde die Methode der optischen Kopplungsmatrix eingeführt. Damit kann, nach einmaliger Berechnung der für eine Struktur charakteristischen Matrix, die Umverteilung durch eine einfache Matrixmultiplikation bestimmt werden. Erst dieser Geschwindigkeitsgewinn ermöglicht es, das Verfahren in die elektrische Simulation zu integrieren.Ein Anwendungsgebiet der entwickelten Verfahren war die Modellierung von zeitaufgelösten Photolumineszenz Messungen von Doppelheterostrukturen. Durch die orts- und zeitaufgelöste Simulation konnte der Einfluss der optischen Kopplung auf das Minoritätsladungsträgerprofil und den Signalverlauf detailliert untersucht werden.Durch die Integration der entwickelten Verfahren zusammen mit dem kommerziellen Halbleitersimulationspaket IseTcadTools in die Simulationsumgebung PVObjects, konnte ein Werkzeug zur umfassenden Modellierung von III-V Solarzellen etabliert werden. Als erste Teststruktur zur Überprüfung der Simulationswerkzeuge wurde eine GaAs Solarzelle verwendet. Sowohl Reflexion als auch die Hellkennlinienparameter und die Externe Quanteneffizienz konnten mit zufriedenstellender Genauigkeit modelliert werden. Durch die Anpassung der Modellparameter war es möglich, die Einflüsse der Hauptverlustmechanismen und den potenziellen Wirkungsgradgewinn durch ihre Beseitigung für die untersuchte Struktur quantitativ zu bestimmen.Da alle entwickelten Verfahren für beliebige planparallele Schichtsysteme konzipiert sind, ist eine Anwendung auf III-V Tandemsolarzellen problemlos möglich. Zusätzliche elektrische Phänomene, die zum Beispiel zur Beschreibung der Tunneldiode benötigt werden, sind durch das kommerzielle Halbleitersimulationsprogramm DESSIS bereits abgedeckt. Um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, ist in einem nächsten Schritt eine Intensivierung der Materialcharakterisierung nötig. Eine verbesserte Materialdatenbasis zusammen mit den in dieser Arbeit entwickelten Modellen bilden die Basis für die exakte Modellierung von III-V Solarzellen, Tandemsolarzellen eingeschlossen.

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.

This annual report presents the results achieved in solid state physics and in cluster physics at the Departmant of Physics of the University of Konstanz in 2001. The main topics presented in this report are nanostructures, high temperature superconductors, semiconductors, solar cells, surfaces, interfaces, thin films, ion transport in solids, phase transitions, and cluster physics.

This thesis examines multicrystalline silicon (mc-Si) as well as back contact silicon solar cells applying the Buried Contact Solar Cell (BCSC) technology. In this metallisation approach, the electrical contacts are buried into the silicon wafer leading to low shadowing losses in conjunction with highly conducting contact fingers. Further features include a selective emitter structure as well as surface passivation. A baseline process for the manufacturing of BCSC was developed which includes new processing steps compared to the state-of-the art like P-Al co-diffusion and mechanical contact groove formation. Due to the intrinsic material properties of mc-Si with a higher density of impurities and crystal defects, bulk passivation techniques by gettering and by hydrogen passivation were applied and optimised to increase the bulk diffusion length of minority charge carriers. Single blade texturing for the reduction of optical losses as well as improved rear surface and bulk passivation led to a record efficiency of 17.5 % (Voc=628 mV, Jsc=36.3 mA/cm2, FF=76.8 %, cell area 144 cm2, confirmed measurement) for large area solar cells on mc-Si, which supplants the record held by Japanese companies since 1993. The applied technologies allow the direct transfer into industrial production lines. With back contact solar cells, a newer generation of crystalline silicon solar cells was investigated. Back contact solar cells have the potential for higher solar cell efficiency, easier module assembly and homogenous optical appearance. Three different device designs of back contact solar cells have been investigated on monocrystalline Cz-Si. For each design (Metallisation Wrap Around, Metallisation Wrap Through, Emitter Wrap Through) industrially applicable processing sequences were developed and the fabricated devices were characterised and analysed. Efficiencies up to 17.5% were demonstrated on medium substrate sizes.

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.

Within this work the epitaxial solution growth of thin silicon (Si)-layers on cost effectiveSi-substrates was investigated. The properties of these layers were adapted to the processingof thin film solar cells. This technology could help to decrease the shortage of pure Si forphotovoltaic applications in the future.In the course of this study a broad spectrum of growth parameters were varied in order toinvestigate their influence on the quality of the epitaxial layer. It was shown that the use ofthe melt back technique is necessary and in addition the growth rate has to be lower than0.5 µm/min to obtain continuous Si-layers.In order to still enable an industrial application of the LPE technique regarding such low growthrates, a new stack procedure was applied where several substrates were dipped into the growthsolution at once. Using thin layers grown with this technique the efficiency of industriallyprocessed solar cells was essentially improved compared to fast, single grown layers. Opencircuit voltages of nearly 600 mV and fill factors of up to 76.4 % led to a record efficiencyof 10.0 %. Simulations showed that efficiencies above 13 % are possible.During LPE experiments with microscopically grooved substrates an interesting observationled to the idea to take advantage of the wetting properties of the tin solvent in order to metallisethe solar cell. This novel contacting technique is based on the so called Buried Contact SolarCell (BCSC) technology. The cells showed excellent contact properties. Finger resistances of500 mOhm/cm, specific contact resistances in the range of 0.1 mOhm-cm2 and fill factors of up to78 % are comparable with parameters obtained by industrial BCSCs.

In this work on one hand a process sequence for industrial type multicrystalline silicon solar cells was developed and on the other hand the gain in efficiency due to applying a mechanically formed V texturisation was investigated.Key features of the process are the bulk and surface passivation by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) SiNx and Al-Back Surface Field (BSF). Applying this process to standard casted multicrystalline Si wafer an average efficiency clearly above 14 have been achieved.The efficiency enhancement of V-textured solar cells compared to alkaline etched solar cells was estimated to be 3 relative using computer simulation. Investigation of the industrial application of mechanical V-texturing itself and adaptation of the solar cell process include the life-time of the tool, the yield, depth and angle of the V-profile as well as screen printed metallisation.In the production line of Q-Cells AG mechanically V - textured multicrystalline solar cells were processed showing an average efficiency of 15,5 (50 cells, 156cm2). A 36 cell module fabricated from theses cells exhibits a module power of 85 Wp.Incorporating the experience with the homogeneous emitter process, a advanced processing sequence applying a selective emitter was developed which leads to a maximum efficiency of 16,2 (cell size 12,4cm x 12,4 cm) in the pilot line of University of Konstanz..

In this work the properties of copper- gallium- diselenide absorber layers are investigated. Main topic are thin films of the compound which are processed from stacked elemental layers of the respective elements (precursors). For characterization mainly x-ray analytical techniques were applied. It could be shown that it is problematic to get homogeneous, slightly galliumrich films. In spite of the phase width of the compound it turned out that the incorporation of gallium depends on the process temperature. For process temperatures which are allowed by the typically used substrate- molybdenum combinations practically stoichiometric copper- gallium- diselenide is formed. Excess gallium deposited on the precursor structure is nearly amorphous and accumulated in the lower region of the absorber. Temperatures of approximatly 700 °C have to be applied to get homogeneous galliumrich copper- gallium- diselenide. The use of the x-ray fluorescence allowed a direct observation of gallium losses, which are widely discussed in literature. A systematic investigation of several multi- step processes showed that such losses can occur, but only in vacuum and for temperatures which are considerably higher than the typically applied. In an alternative approach to the use of stacked elemental layers also films of binary selenides were used as precursors.

This annual report presents the results achieved in solid state physics and in cluster physics at the Departmant of Physics of the University of Konstanz in 2000. The main topics presented in this report are nanostructures, high temperature superconductors, semiconductors, solar cells, surfaces, interfaces, thin films, ion transport in solids, phase transitions, and cluster physics.

This work summarizes studies in a project work of the optical properties of electrical grade poly crystalline doped silicon (Si) wafers for industrial solar cells. The focus was set on varying high doping rates of phosphorus for the reverse side contact and aluminium as a back surface reflector of the solar cell. The work also included the calculation of the degree of ionization at room temperature using the numerically solved neutrality condition involving the Fermi integrals. The optimization of the light confining geometry in the near infrared wavelength range was done by use of a ray tracing simulation program and analytical calculation of the solutions for reflectance R and transmittance T concerning single , double and n layer antireflection coatings. For the latter the matrix method has been used. The optical loss from excessive doping at the backside for a back surface field has been quantified and studied. It has been shown that the doping is not a limit for charge carrier generation below and in the range of the band edge.

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.

This annual report presents the results achieved in solid state physics and in cluster physics at the Departmant of Physics of the University of Konstanz in 1999. The main topics presented in this report are nanostructures, high temperature superconductors, semiconductors, solar cells, surfaces, interfaces, thin films, ion transport in solids, phase transitions, and cluster physics.