Impact of contamination on hydrogenated amorphous silicon thin films  solar cells

Wördenweber, Jan; Wuttig, Matthias

doi:3495

Impact of contamination on hydrogenated amorphous silicon thin films solar cells = Einfluss von Verunreinigungen auf hydrogenisierte, amorphe Silizium-Dünnschichten und Solarzellen

Wördenweber, Jan (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jan Wördenweber

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangXIII, 140 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-12-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-34956
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63834/files/3495.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Photovoltaik (Genormte SW) ; Sauerstoff (Genormte SW) ; Kontamination (Genormte SW) ; Physik (frei) ; a-Si:H (frei) ; µc-Si:H (frei) ; solar cells (frei) ; oxygen (frei) ; contamination (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Studie beschäftigt sich mit dem Einbau von Sauerstoff und Stickstoff während der Deposition amorpher, intrinsischer Absorberschichten (i-Schichten) für p-i-n Dünnschichtsolarzellen aus amorphem, hydrogenisiertem Silizium (a-Si:H). Des Weiteren wird die Problematik der Bor-Verschleppung bei Einkammerprozessen untersucht. Die atmosphärischen Verunreinigungen wurden während der Deposition der nominell unkontaminierten i-Schicht mittels künstlicher Lecks hinzugefügt. Untersucht wurde unter anderem der Einfluss der Art der Verunreinigung (Sauerstoff & Stickstoff), der zugefügten Menge der Verunreinigung (Leckflussrate), des Ortes der Verunreinigung (Kammerleck bzw. Prozessgasleitung) und der Plasmaleistung auf die Solarzelleneigenschaften. Dadurch können z.B. Vakuummindestanforderungen, mögliche Lecks im Rezipienten, Prozessgasmindestreinheiten und Prozessgasleitungslecks simuliert werden. Des Weitern wurden Depositionsregime entwickelt, mittels derer der Einbau von Verunreinigungen unterdrückt werden kann. Unter Standardbedingungen fanden sich kritische Stickstoff- und Sauerstoff-Kontaminationsgrenzen (Kammerleck) von etwa 4×10^18 cm^-3 bzw. 2×10^19 cm^-3 überhalb derer es zu einer starken Abnahme des Wirkungsgrads der Solarzelle kam. In der Literatur wird als eine Hauptursache der Wirkungsgradabnahme der Einbau von Verunreinigungen in dotierender Konfiguration diskutiert. Begleitende Materialstudien innerhalb dieser Arbeit unterstützen diese These. Die unterschiedlichen Maximalkontaminationen lassen sich durch unterschiedliche Dotiereffizienzen deuten. So ist die dotierende Wirkung des eingebauten Stickstoffs um etwa eine Größenordnung über der des Sauerstoffs. Allerdings ist auch die Einbauwahrscheinlichkeit von Sauerstoff um etwa eine Größenordnung höher als die für Stickstoff, was dazu führt, dass bei einem Luftleck beide Kontaminationsgrenzen gemeinsam bei einem bestimmten Luftleckfluss erreicht werden. Bei Benutzung des Lecks in der Prozessgasleitung hingegen fand sich für Sauerstoff ein kritisches Level von etwa 2×10^20 cm^-3, wo hingegen das kritische Stickstoffniveau vom Leckort unabhängig ist. Für ein Depositionsregime mit sehr hohem Prozessgasfluss wurde auch für das Kammerleck eine kritische Sauerstoffkonzentration von 2×10^20 cm^3 beobachtet. Mögliche Ursachen sind einerseits die von Regime und Leckageort abhängigen Reaktionswahrscheinlichkeiten von Silan (SiH4), Silan Radikalen und atomarem Wasserstoff mit Sauerstoff. Z.B. ist die Konzentration an atomarem Wasserstoff in der Gasleitung gering im Vergleich zur Umgebung des Kammerlecks. Durch diese Reaktionen entstehen z.B. SiOX, Siloxan- (SiH3-O-SiH3) oder OH / H2O-Molekühle. Andererseits spielt auch die Lebensdauer dieser Moleküle und damit ihre Einbaugeschwindigkeit eine Rolle. Letztere kann für verschiedene Regime durchaus unterschiedlich sein. Für SiOX wird angenommen, dass es mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht in die Schicht eingebaut wird, es entsteht Staub in der Depositionsanlage. Siloxan, von dem angenommen wird, dass der darin enthaltene Sauerstoff nicht dotierend eingebaut wird, hat eine hohe Lebensdauer und wird sehr wahrscheinlich in die Schicht eingebaut, wenn es nicht anderweitig abgepumpt/gebunden wird. Hingegen haben die Wasserstoffverbindungen eine begrenzte Lebensdauer, was u. U. dazu führt, dass sie in einem Regime eingebaut werden (schneller Einbau), in einem anderen nicht (langsamer Einbau). Es wird angenommen, dass OH / H2O Molekühle zum Einbau von Sauerstoff in Dotierkonfigurationen führen können. Beim Stickstoff sind diese Mechanismen aufgrund der sehr trägen Reaktion mit Silan nicht gegeben. Folglich findet sich ein eindeutiges kritisches Stickstoffniveau unabhängig von der Art des Lecks. Ein weiteres, überraschendes Ergebnis dieser Studie ist, dass die kritischen Verunreinigungskonzentrationen nach der Lichtalterung unverändert geblieben sind. Ein weiterer Punkt dieser Arbeit ist die Verbesserung von Einkammerprozessen zur Herstellung von amorphen Dünnschichtsolarzellen. Hauptaugenmerk hierbei war die Verschleppung von Bor-Atomen, die zur Dotierung der p-Schicht nötig sind, in die i-Schicht. In dieser Arbeit sind verschiedene Solarzellkonfigurationen und Reaktorbehandlungen zur Vermeidung der Bor-Verschleppung systematisch untersucht worden. Die Reaktorbehandlungen wurden untereinander in Punkto Effektivität, Wirkungsweise und Zeitaufwand verglichen. Als Reaktorbehandlung vor der Deposition der i-Schicht haben sich eine Wasserdampf-Spülung und das einfache Abpumpen des Reaktors auf 9×10^-7 mbar als schnell und zuverlässig erwiesen.

This thesis deals with atmospheric contamination and cross-contamination of boron (single-chamber process) of the intrinsic absorber layer (i-layer) of p-i-n thin film solar cells based on hydrogenated amorphous silicon. The atmospheric contaminations were introduced by means of intentional leaks. Hereby, the focus is on the influence of contamination species (oxygen & nitrogen), quantity of contamination (leak flow), source of contamination (leaks at chamber wall or in the process gas pipe), and plasma power on the properties of solar cells. Thereby, the minimum requirements for the purity of vacuum and process gas as well as leak conditions of the recipient and gas pipe system have been determined. Additionally, deposition regimes were developed, where the incorporation of impurities is significantly suppressed. For standard processes critical levels of nitrogen and oxygen contamination are determined to be ~ 4×10^18 cm^-3 and ~ 2×10^19 cm^-3, respectively, for a leak situated at the chamber wall. Above these concentrations the solar cell efficiency deteriorates. In literature, incorporation of oxygen and nitrogen in doping configuration is assumed to be the reason for the cell deterioration. This assumption is supported by additional material studies of contaminated absorber layers done in this work. The difference in critical concentration is due to the higher doping efficiency of nitrogen compared to that for oxygen. Nevertheless, applying an air leak the critical concentrations of O and N are reached almost simultaneously since the incorporation probability of oxygen is about one order of magnitude higher compared to that for nitrogen. Applying a leak in the process gas pipe the critical oxygen contamination level increases to ~ 2×10^20 cm^-3 whereas the critical nitrogen level remains unchanged compared to a chamber wall leak. Applying a deposition regime with a very high flow of process gases for oxygen the higher critical contamination level is found as well for a chamber wall leak. Possible reasons for the dependence of the critical oxygen contamination on the deposition regime and the oxygen source may be the following. Before entering the plasma zone the oxygen can react with hydrogen atoms, silane (very high reaction probability), or silane radicals. Mainly, three reaction products may result, namely SiO2-clusters, siloxane (SiH3-O-SiH3), and OH / H2O molecules. The SiO2 is assumed to drop to the bottom of the reactor or to be pumped out. If oxygen is incorporated from siloxane, it is assumed to be electrically inactive. In contrast, oxygen incorporated from hydrogen-oxygen molecules leads to oxygen incorporation in an electrically active configuration. For a source gas pipe leak, the density of silane in the gas pipe is high compared to that for the chamber wall leak. For the chamber wall leak the hydrogen density is assumed to be much higher compared to that for the process gas pipe leak. Thus, the critical oxygen concentration is suggested to increases due to the resulting higher siloxane to OH / H2O ratio for the gas pipe leak compared to that in the vicinity of the chamber wall leak. The different critical levels for different deposition regimes can be explained by their oxygen incorporation velocity. The lifetime of the OH / H2O molecules is assumed to be shorter, compared to that for the siloxane. As a consequence this might lead to the fact, that oxygen form these molecules is incorporated in one regime (fast incorporation), and in another regime it is not incorporated (slow incorporation). For nitrogen the same critical contamination levels are observed which is attributed to the lack of reactivity of silane and nitrogen. The observed critical impurity concentrations do not change after light-soaking experiments of the solar cells. A further aspect of this thesis is to improve the single-chamber process for the fabrication of amorphous hydrogenated silicon thin-film solar cells. The main aspect is the suppression of boron cross-contamination. Before the deposition of the i-layer a boron doped p-layer is deposited and thus, after the p-layer deposition some of the boron remains in the recipient. In this work different solar cell configurations and reactor treatments are examined for their suppression of the boron cross-contamination. The various treatments are compared for their effectivity, their working principle, and their time consumption. Amongst the investigated reactor treatments the application of a H2O-flush or a process chamber evacuation to 9×10^-7 mbar turned out to be most favourable in order to suppress the boron cross-contamination.

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