Conductivity and structure of sputtered ZnO:Al on flat and textured substrates for thin-film solar cells

Sommer, Nicolas; Rau, Uwe; Wuttig, Matthias

doi:HT019096183

Conductivity and structure of sputtered ZnO:Al on flat and textured substrates for thin-film solar cells = Leitfähigkeit und Struktur von gesputtertem ZnO:Al auf flachen und texturierten Substraten für Dünnschichtsolarzellen

Sommer, Nicolas

2016

VerantwortlichkeitsangabeNicolas Sommer

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek 2016

Umfang1 Online-Ressource (vii, 195, XIV Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-156-9

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt / Energy & Environment ; 328

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Druckausgabe: 2016. - Onlineausgabe: 2016. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Uwe (Thesis advisor) ; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-04-22

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-067418
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/668405/files/668405.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/668405/files/668405.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Photovoltaik (FZ Jülich) (615610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
transparent conductive oxides (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Aluminium-dotiertes Zinkoxid (ZnO:Al) ist ein wichtiger Vertreter der Materialklasse der transparenten, leitfähigen Oxide (TCO). TCOs sind sowohl elektrisch leitfähig als auch transparent im sichtbaren Spektralbereich. Diese einzigartigen Eigenschaften begründen die breite Anwendung von TCOs im Bereich der optoelektronischen Bauelemente. Die vorliegende Arbeit zielt auf die Anwendung von TCOs in Silizium- und Chalcopyrit-basierten Dünnschichtsolarzellen. Im Regelfall werden TCOs auf flachen Substraten aufgebracht. Allerdings verlangt das TCO-Wachstum auf texturierten, lichtstreuenden Substraten für Silizium-basierte Dünnschichtsolarzellen und raue Chalcopyrit-Absorber zusätzlich nach der Optimierung der TCO-Deposition auf texturierten Substraten. Daher wird im Folgenden die Deposition von gesputtertem ZnO:Al sowohl auf flachen als auch auf texturierten Substraten erörtert. Der Fokus liegt auf dem Verständnis und der Optimierung der elektrischen Leitfähigkeit begleitet von einer detaillierten Untersuchung der Materialstruktur. Auf flachen Substraten schlage ich ein Leitfähigkeitsmodell vor, das drei Streumechanismen umfasst: Streuung an ionisierten Störstellen, an Phononen und an Korngrenzen. Das besondere Merkmal des Modells ist die analytische Beschreibung der Korngrenzenstreuung durch Feldemission, d.h. durch das quantenmechanische Tunneln von Elektronen durch Potentialbarrieren an den Korngrenzen. Zu diesem Zweck wird eine Theorie von Stratton (R. Stratton, Theory of Field Emission from Semiconductors, Phys. Rev. 125 (1962), 67 - 82) für Doppel-Schottky Barrieren an Korngrenzen angepasst. Das Leitfähigkeitsmodell wird an einer großen Auswahl von Literaturdaten getestet, um seine Anwendbarkeit und Erklärungskraft aufzuzeigen. Nachdem ein grundlegendes Verständnis der Leitfähigkeitsmechanismen in ZnO:Al geschaffen wurde, werden im Weiteren zwei Optimierungskonzepte vorgestellt. Mit Hilfe einer Saatschicht ermöglicht das erste Konzept die Verringerung der Depositionstemperatur um 100°C ohne dass Leitfähigkeit, Transparenz und Ätzmorphologie negativ beeinflusst werden. Saat- und die anschließend deponierte Bulkschicht werden von einem ZnO:Al2O3-Target mit 2 wt% bzw. 1 wt% Al2O3 gesputtert.Ich habe den Effekt der Bulk- und Saatschichttemperatur sowie der Saatschichtdicke auf die elektrischen, optischen und strukturellen Eigenschaften der ZnO:Al-Filme untersucht.Der positive Einfluss der hochdotierten Saatschicht wurde auf die vorteilhafte Rolle des Dotanten Aluminium zurückgeführt, der einen Surfactant-Effekt induziert. Weiterhin kann ich die durch die Saatschicht induzierte Zunahme der tensilen Verspannung auf der Basis des Korngrenzenrelaxationsmodells erklären. Schlussendlich zeigen temperaturabhängige Leitfähigkeitsmessungen, optische Fits und Ätzcharakteristika, dass Saatschichten die Korngrenzenstreuung reduzieren. Es ist insbesondere erstaunlich, dass kleinere Körner mit erhöhter Ladungsträgermobilität korrelieren. Das zweite Optimierungskonzept basiert auf dem Effekt eines nachträglichen Temperprozesses der ZnO:Al-Filme, der die Leitfähigkeit entweder erhöht oder verringert je nachdem ob eine Abdeckschicht den ZnO:Al-Film schützt oder nicht. Raman-, XRD- und temperaturabhängige Halleffektmessungen in Verbindung mit dem neu entwickelten Leitfähigkeitsmodell werden benutzt, um die Tempereffekte zu analysieren. Die Ergebnisse belegen, dass das Tempern mit Schutzschicht eine Reduktion der Streuung an ionisierten Störstellen und Korngrenzen induziert wohingegen das Tempern ohne Schutzschicht zu einer Verstärkung beider Mechanismen führt. Auf texturierten Substraten ist das Wachstum von ZnO:Al Filmen herausfordernd, da Makrokorngrenzen auftreten, die die Ladungsträgermobilität und die Stabilität in feuchter Wärme reduzieren. ZnO:Al-Depositionsbedingungen und die Substratmorphologien werden untersucht, um die Leitfähigkeit und die Stabilität unter feuchter Wärme auf texturierten Substraten zu optimieren. Ich habe optimierte Depositionsbedingungen gefunden bei denen die Ladungsträgermobilität auf texturierten und flachen Substraten ähnlich ist. Ein qualitatives Modell wird vorgeschlagen, dass den Einfluss der unterschiedlichen Depositionsbedingungen auf der Basis der Kornorientierung erklärt. ZnO:Al zeigt höhere Ladungsträgermobilität und Stabilität unter feuchter Wärme auf U- als auf V-förmigen Substraten. Diese Beobachtung wird mit der geringeren Anzahl an Makrokorngrenzen auf U- im Vergleich zu V-förmigen Substraten erklärt. Um die Bewertung von texturierten Substraten für das ZnO:Al-Wachstum zu verbessern, wird eine quantitative elektrische Simulation entwickelt, die die Eignung der texturierten Substrate für das Wachstum der ZnO:Al Filme vorhersagt. In der Tat kann die Simulation die Ladungsträgermobilität berechnen, falls sie für die genutzte Depositionsbedingung kalibriert wurde. Weiterhin werden starke Hinweise präsentiert, dass die Ladungsträgermobilität nicht nur durch die Dichte der Makrokorngrenzen sondern auch durch ihre Verteilung bestimmt ist.

Aluminum-doped zinc oxide (ZnO:Al) is a prominent representative of the material class denoted as transparent conductive oxides (TCO). TCOs feature electrical conductivity while being transparent in the visible range. These unique properties constitute the wide application of TCOs in opto-electronic devices. This work targets the application of TCOs for thin-film silicon and chalcopyrite-based solar cells. Generally, TCOs are deposited onto flat substrates. However, TCO growth on textured, light scattering substrates for thin-film silicon solar cells and on the rough chalcopyrite absorber also call for the optimization of TCO deposition on textured substrates. Therefore, the deposition of sputtered ZnO:Al on flat as well as on textured substrates is elaborated. The focus is the understanding and optimization of electrical conductivity accompanied by a detailed investigation of the material's structural properties.On flat substrates, I propose a conductivity model that comprises three scattering mechanisms, namely ionized-impurity, electron-phonon, and grain boundary scattering. The prominent feature of the model is the analytical description of grain boundary scattering by field emission, i.e. quantum mechanical tunneling of electrons through potential barriers at grain boundaries. For this purpose, a theory of Stratton (R. Stratton, Theory of Field Emission from Semiconductors, Phys. Rev. 125 (1962), 67 - 82) is adapted to double Schottky barriers at grain boundaries. The conductivity model is applied to a wide range of literature data to show its applicability and explanatory power. After establishing the basic understanding of ZnO:Al conductivity, two optimization routes are presented. The first route allows for a reduction of deposition temperature by 100°C without deteriorating conductivity, transparency, and etching morphology by means of a seed layer concept. Seed and subsequently grown bulk layers were deposited from ZnO:Al2O3 targets with 2 wt% and 1 wt% Al2O3, respectively.I investigated the effect of bulk and seed layer deposition temperature as well as seed layer thickness on electrical, optical, and structural properties of ZnO:Al films. The positive effect of the highly doped seed layer was attributed to the beneficial role of the dopant aluminum that induces a surfactant effect. Furthermore, the seed layer induced increase of tensile stress is explained on the basis of the grain boundary relaxation model. Finally, temperature-dependent conductivity measurements, optical fits, and etching characteristics revealed that seed layers reduce grain boundary scattering. It is particularly compelling that smaller grains correlate with enhanced charge carrier mobility.The second optimization route elaborates the effect of post-deposition heat treatments on ZnO:Al films that boost or degrade ZnO:Al conductivity depending on whether or not a capping layer protects the ZnO:Al film. Raman, XRD, and temperature-dependent Hall effect measurements in conjunction with the newly developed conductivity model are used to analyze the annealing effects. The results provide evidence that annealing with capping layer induces decreased ionized impurity and grain boundary scattering while annealing without capping layer leads to an enhancement of both scattering mechanisms.On textured substrates, ZnO:Al growth is challenging due to the occurrence of extended grain boundaries that reduce charge carrier mobility and damp heat stability. ZnO:Al deposition conditions and substrate morphology are investigated in order to optimize ZnO:Al conductivity and damp heat stability on textured substrates. I found optimized deposition conditions such that ZnO:Al charge carrier mobility on randomly textured glass and on flat reference substrates were similar. A qualitative model is proposed that explains the impact of various deposition conditions on the basis of grain orientation. ZnO:Al showed higher charge carrier mobility and damp heat stability on U-shaped than on V-shaped substrates. This observation is attributed to a lower number of extended grain boundaries on U-shaped in contrast to V-shaped substrates. To further the evaluation of various textures for ZnO:Al growth, a quantitative electrical simulation is developed to predict the suitability of textured substrates for the growth of ZnO:Al films. Indeed, the simulation may calculate ZnO:Al charge carrier mobility if calibrated for a particular deposition condition. Furthermore, evidence is provided that the charge carrier mobility is not only determined by the density of extended grain boundaries but also by their distribution.

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