Elektrochemische Texturierung und Deposition von leitfähigen, transparenten Oxidschichten für Silicium-Dünnschichtsolarzellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Aluminiumdotierte Zinkoxidschichten werden in Silizium-Dünnschichtsolarzellen als transparente Kontaktschichten, zur verbesserten Lichtstreuung und als Teil des Rückreflektors eingesetzt. Um die Lichtstreuung solcher Schichten zu verbessern, wird üblicherweise nach der Deposition ein nasschemischer Ätzschritt in verdünnter Salzsäure durchgeführt. Das Ergebnis dieses Ätzschritts ist dabei signifikant von den Materialeigenschaften des Zinkoxids abhängig, so dass eine Optimierung der Lichtstreuung in der Regel mit Einbußen in den elektrischen und optischen Eigenschaften der dünnen Schichten einhergeht. Ziel dieses Vorhabens war die Entwicklung und Optimierung eines elektrochemischen Texturierungsprozesses zur gezielten Einstellung der Lichtstreueigenschaften innerhalb eines breiteren Prozessfensters, als dies beim rein nasschemischen Ätzen gegeben ist. Darüber hinaus sollte die Zinkoxid/Elektrolyt-Grenzfläche unter verschiedenen äußeren Bedingungen untersucht werden, um ein verbessertes Grundlagenverständnis der chemischen und elektrochemischen Grenzflächenreaktionen und des Zinkoxids selbst zu generieren. Es konnte gezeigt werden, dass die anodische elektrochemische Auflösung von polykristallinen Zinkoxidschichten Strukturen erzeugen kann, die auf anderem Wege nicht zugänglich sind. Aufgrund einer hohen Selektivität des Auflösungsprozesses auf die Korngrenzen des Materials sind diese Strukturen zwar zu klein, um einen direkten, signifikanten Einfluss auf die Lichtstreueigenschaften der Schicht zu nehmen, wobei aber eine verringerte Absorption im nahen infraroten Spektralbereich beobachtet wurde. Da die elektrochemische Auflösung durch Beleuchtung beschleunigt werden konnte, liegt nahe, dass die Kinetik der Auflösung durch die Bereitstellung von Fehlelektronen an der Zinkoxid/Elektrolyt- Grenzfläche limitiert wird. Mit Hilfe von Mott-Schottky-Analysen konnte das Flachbandpotential des Materials bestimmt und so Rückschlüsse auf die Bandverbiegung des Halbleiters an der Grenzfläche zum Elektrolyten gezogen werden. Die kathodische elektrochemische Deposition von Zinkoxid wurde verwendet, um Zinkoxidschichten und -nanostrukturen aus wässrigen Lösungen zu erzeugen. Dabei wurde ein signifikanter Einfluss des unterliegenden Substrats auf die Nukleationseigenschaften der wachsenden Schicht beobachtet. Bei den elektrochemisch deponierten Schichten wurde eine Burstein-Moss-Verschiebung beobachtet, die auf eine entartete Dotierung schließen lassen. Um gleichzeitig von den verbesserten Transmissionseigenschaften der elektrochemisch erzeugten Texturen sowie von den lichtstreuenden Eigenschaften der chemisch geätzten Zinkoxidschichten profitieren zu können, wurden in einem zweischrittigen Ansatz beide Prozesse miteinander kombiniert. Abhängig von der Reihenfolge der Texturierungsschritte konnte entweder eine Superposition beider Texturen oder eine graduelle Anpassung der Größe der morphologischen Merkmale erreicht werden. Wenngleich eine Übertragung der Prozesse auf eine größere Substratfläche im Rahmen des Vorhabens nicht gelang, zeigten Silizium-Dünnschichtsolarzellen mit beiden Arten von texturierten Schichten als Frontkontaktschicht vielversprechende Verbesserungen in der Quanteneffizienz.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Electrochemical Etching of Zinc Oxide for Silicon Thin Film Solar Cell Applications". 218th Meeting of The Electrochemical Society, Las Vegas, NV, USA, 10.- 15.10.2010; ECS Trans. 2011, 33, 41-55
Sascha E. Pust, Janine Worbs, Jürgen Hüpkes, Sebastian O. Klemm, Karl J. J. Mayrhofer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1149/1.3553346) - "Electrochemical Etching of Zinc Oxide for Silicon Thin Film Solar Cell Applications". J. Electrochem. Soc. 2011, 158, D413-D419
Sascha E. Pust, Jan-Philipp Becker, Janine Worbs, Sebastian O. Klemm, Karl J. J. Mayrhofer, Jürgen Hüpkes
(Siehe online unter https://doi.org/10.1149/1.3583636) - Combined Chemical/Electrochemical Etching of ZnO:Al for Silicon Thin Film Photovoltaic Application”. GDCh- Wissenschaftsforum Chemie 2011, Bremen, 04.-07.09.2011
Jan-Philipp Becker, Sascha E. Pust, Jürgen Hüpkes
- "Chemical Etching of Zinc Oxide for Thin-Film Silicon Solar Cells". ChemPhysChem 2012, 13, 66-73
Jürgen Hüpkes, Jorj I. Owen, Sascha E. Pust, Eerke Bunte
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/cphc.201100738) - "Electrochemical texturing of Al-doped ZnO thin films for photovoltaic applications". J. Solid State Electrochem. 2012, 16, 283-290
Sebastian O. Klemm, Sascha E. Pust, Achim Walter Hassel, Jürgen Hüpkes, Karl J. J. Mayrhofer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10008-011-1313-z) - “Anodic electrochemical texturing of ZnO:Al thin films”. 12th International Fischer Symposium on “Frontiers in Nanoelectrochemistry”, Lübeck, 03.-07.06.2012
Jan-Philipp Becker, Sascha E. Pust, J. Hüpkes
- “Electrochemical texturing of ZnO:Al thin films for improved light scattering”. 4th International Symposium on Transparent Conductive Materials, Hersonissos, Griechenland, 21.- 26.10.2012
Jan-Philipp Becker, Sascha E. Pust, Jürgen Hüpkes
- "Anodic electrochemical etching of ZnO:Al thin films for solar cell applications". 13. Topical Meeting der International Society of Electrochemistry, Pretoria, Südafrika, 07.-10.04.2013
Jan-Philipp Becker, Sascha E. Pust, Jürgen Hüpkes
- "Effects of the electrolyte species on the electrochemical dissolution of polycrystalline ZnO:Al thin films". Electrochim. Acta 2013, 112, 976-982
Jan-Philipp Becker, Sascha E. Pust, Jürgen Hüpkes
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.04.167) - "Electrochemical Texturing and Deposition of Transparent Conductive Oxide Layers for the Application in Silicon Thin-Film Solar Cells". Dissertationsschrift, RWTH Aachen, 2015. 199 S. - Schriften des Forschungszentrums Jülich, Reihe: Energie & Umwelt, Bd. 247. ISBN 978-3-95806-027-2
Jan-Philipp Becker
