Details

Abstrakt in Englisch

High-efficiency solar cells rely on excellent passivation of the surface to ensure minimal recombination losses. In the last decade, Al₂O₃ became the material of choice for p-type Si in the photovoltaic industry. A remarkable surface passivation with effective minority carrier lifetimes close to the Auger-limit was demonstrated with different deposition techniques. The excellent passivation effect of Al₂O₃ is attributed to two effects: Firstly, recombination centers at the Si-SiO₂ interface get chemically passivated when hydrogen, for instance from the Al₂O₃ layer, saturates dangling bonds. Secondly, Al₂O₃ presents an outstanding level of field effect passivation due to its high concentration of intrinsic negative charges close to the SiO₂ interface. The generated electrical field effectively repels electrons from surface recombination centers. Negative charges in Al₂O₃ are generally termed fixed charges. However, Al₂O₃ incorporates a high density of trap sites, too, that can be occupied by electrons. It was shown that the negative charge density in Al₂O₃ passivation layers depends on the electrical field and on the illumination intensity. The goal of this work is to systematically investigate dielectric passivation layer stacks for application on Si solar cells. The SiO₂ interface quality and thickness plays a major role in this context, enabling or inhibiting carrier tunneling. Since the electron transport is a function of the oxide thickness, the balance between charge trapping and retention is achieved with approximately 2 nm of SiO₂. Additionally, four relevant Al₂O₃ deposition techniques are compared: atomic layer deposition, sputtering, spray pyrolysis and spin-on coating, whereas the former is predominant. Using its flexibility, laminates comprising of Al₂O₃ and TiO₂, HfO₂ or SiO₂ with subnanometer layers are compared. Although the latter do not show decreased surface recombination, nanolaminates with TiO₂ and HfO₂ contribute to the passivation. Their physical properties are described with a dynamic growth model that considers initial and steady-state growth rates for the involved metal oxides. Thin films with 0.2 % TiO₂ or 7 % HfO₂ are superior to conventional Al₂O₃ layers. In both cases, the modification of the field effect prevails the chemical effect, that is, however, virtually unchanged on a very high level with a density of interface traps of 5·10¹⁰ eV^-1·cm^-2 and below. The density of charges in both systems is changed via modifying either the polarity of intrinsic fixed charges or the ability of trapping charges within the layers. The observations of electron tunneling are explained by means of a mathematical model, describing a charging front, which moves through the dielectric layer.

Abstrakt in Deutsch

Hocheffiziente Solarzellen beruhen auf der exzellenten Oberflächenpassivierung, die minimale Rekombinationsverluste gewährleistet. Innerhalb des letzten Jahrzehnts wurde Al₂O₃ in der Photovoltaikindustrie zum bevorzugten Material für p-leitendes Si. Unterschiedliche Abscheidetechnologien erreichten Passivierungen mit effektiven Minoritätsladungsträgerlebensdauern nahe der Auger-Grenze. Die ausgezeichnete Passivierungswirkung von Al₂O₃wird zwei Effekten zugeschrieben: Einerseits werden Si-SiO₂-grenzflächennahe Rekombinationszentren passiviert, wenn Wasserstoff, beispielsweise aus der Al₂O₃-Schicht, offene Bindungen absättigt. Bedingt durch die hohe Konzentration intrinsischer negativer Ladungen an der SiO₂-Grenzfläche weist Al₂O₃ andererseits einen charakteristischen Feldeffekt auf. Das resultierende elektrische Feld hält Elektronen von Oberflächenrekombinationszentren fern. Negative Ladungen im Al₂O₃ werden generell als fest bezeichnet. Allerdings hat Al₂O₃ zusätzlich eine hohe Dichte an Haftstellen, die von Elektronen besetzt werden können. Die Dichte negativer Ladungen im Al₂O₃-Passivierungsschichten hängt vom elektrischen Feld und der Bestrahlungsintensität ab. Ziel dieser Arbeit ist die systematische Untersuchung dielektrischer Passivierungsschichtstapel für die Anwendung auf Si-Solarzellen. Der Qualität und Dicke der SiO₂-Grenzschicht kommt in diesem Kontext eine besondere Rolle zu, da sie Ladungsträgertunneln ermöglicht. Der Elektronentransport ist eine Funktion der Oxiddicke und das Optimum zwischen Ladungseinfang und -haltung liegt bei etwa 2 nm SiO₂. Vier relevante Al₂O₃-Abscheidetechnologien werden untersucht: Atomlagenabscheidung, Kathodenzerstäubung, Sprühpyrolyse und Rotationsbeschichtung, wobei die erstgenannte dominiert. Es werden Nanolaminate verglichen, die aus Al₂O₃ und TiO₂, HfO₂ oder SiO₂ mit subnanometerdicken Zwischenschichten bestehen. Während letztgenannte die Oberflächenrekombination nicht vermindern, beeinflussen TiO₂- und HfO₂-Nanolaminate die Passivierungswirkung. Ein dynamisches Wachstumsmodell, das initiale und stationäre Wachstumsraten der beteiligten Metalloxide berücksichtigt, beschreibt die physikalischen Parameter. Schichtsysteme mit 0,2 % TiO₂ oder 7 % HfO₂ sind konventionellen Al₂O₃-Schichten überlegen. In beiden Fällen überwiegt die veränderte Feldeffekt- der chemischen Passivierung, die mit einer Grenzflächenzustandsdichte von maximal 5·10¹⁰ eV^-1·cm^-2 unverändert auf hohem Niveau verbleibt. Die Ladungsdichte beider Schichtsysteme wird entweder über die Änderung ihrer Polarität der festen Ladungen oder der Fähigkeit zum Ladungseinfang bestimmt. Das Tunneln von Elektronen wird durch ein mathematisches Modell erklärt, dass eine bewegliche Ladungsfront innerhalb der Oxidschicht beschreibt.