Open Access

Dominic Gerlach

• The properties of Si thin films for solar cells, the interaction with different substrates and the influence of dopants are examined with synchrotron based x-ray spectroscopy – primarily x-ray emission spectroscopy (XES) and hard x-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES). The films are studied as-deposited (i.e., amorphous, a-Si) and after conversion into polycrystalline (poly-Si) employing solid phase crystallization (SPC). Si L2,3 XES spectra of thin-film Si samples can be described by a superposition of a-Si and monocrystalline Si-wafer (c-Si) reference spectra. According to a quantification based on that superposition principle, none of the investigated samples are completely crystallized – a measurable a-Si component always remains (5-20 %) regardless of deposition and treatment conditions. Based on additional results from electron back scattering diffraction different models are developed which may explain this finding. According to these models, the remnant a-Si component can be attributed to amorphous/disordered material atThe properties of Si thin films for solar cells, the interaction with different substrates and the influence of dopants are examined with synchrotron based x-ray spectroscopy – primarily x-ray emission spectroscopy (XES) and hard x-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES). The films are studied as-deposited (i.e., amorphous, a-Si) and after conversion into polycrystalline (poly-Si) employing solid phase crystallization (SPC). Si L2,3 XES spectra of thin-film Si samples can be described by a superposition of a-Si and monocrystalline Si-wafer (c-Si) reference spectra. According to a quantification based on that superposition principle, none of the investigated samples are completely crystallized – a measurable a-Si component always remains (5-20 %) regardless of deposition and treatment conditions. Based on additional results from electron back scattering diffraction different models are developed which may explain this finding. According to these models, the remnant a-Si component can be attributed to amorphous/disordered material at the grain boundaries. Using one of these models, the thickness of this grain-surrounding material s could be approximated to be (1.5 ± 0.5) nm. Further investigations of the SPC process reveal a faster crystallization for boron-doped samples, and a slower crystallization for phosphorous-doped samples, when compared to the crystallization of undoped a Si:H thin films. The peculiarities of B K XES spectra (and observed changes upon SPC) indicate that boron could act as a nucleation center promoting crystallization. Si L2,3 XES spectra of a-Si:H and P-doped poly-Si exhibit spectral features above the valence band maximum at 100 eV that could be attributed to a-Si defect states and n+-dopant states, respectively. The SPC crystallization velocity of Si thin films on ZnO:Al/glass is found to be faster than that on SiNx/glass substrate. Multiple indications for oxidization at the poly-Si/ZnO:Al interface are found based on our Si L2,3 XES analysis. Spatially resolved x-ray photoelectron spectroscopy data support this and even suggest the formation of sub-oxides or zinc silicate as an interface species. The electronic structure of the buried a-SiOx:H(B)/ZnO:Al and µc-Si:H(B)/ZnO:Al interfaces are unraveled with “depth resolved” hard x-ray photoelectron spectroscopy. A surface band bending limited to the very surface of the silicon layers is found. The valence band maxima for the Si cover layers and the ZnO:Al TCO are determined and interface induced band bending for both interfaces are derived. At the a-SiOx:H(B)/ZnO:Al interface a tunnel barrier of (0.22 ± 0.31) eV and at µc-Si:H(B)/ZnO:Al interface a tunnel barrier of (-0.08 ± 0.31) eV is determined. This explains a previously empirically found solar cell efficiency increase produced by introducing a µc-Si:H(B) buffer layer between an a-Si p-i-n cell and the ZnO:Al/glass substrate.…
• Die Eigenschaften von dünnen Siliziumschichten für Solarzellen sowie die Einflüsse verschiedener Substrate und Dopanden auf diese Schichten werden mithilfe synchrotronbasierter Röntgenspektroskopie [primär Röntgenemissionsspektroskopie (XES) und harte Röntgenphotoelektronenspektroskopie (HAXPES)] erforscht. Die Schichten werden nach der Deposition und nach der Phasenumwandlung in polykristallines Si (poly-Si) mittels Festphasenkristallization (SPC) untersucht. Si L2,3 XES Spektren der dünnschichtigen Si Proben können als Superposition aus Referenzspektren von amorphem Silizium (a-Si) und monokristallinem Siliziumwafer (c-Si) beschrieben werden. Entsprechend der Quantifikation mithilfe dieser Referenzspektren zeigt sich, dass keines der untersuchten Proben komplett kristallin ist und unabhängig von den Depositions- und Nachbehandlungsmethoden ein messbarer a-Si Anteil (5-20%) erhalten bleibt. Nach Berücksichtigung weiterer Messungen mit Elektronenrückstreubeugung werden verschiedene Modellsysteme diskutiert, die diesen Fund zu erklärenDie Eigenschaften von dünnen Siliziumschichten für Solarzellen sowie die Einflüsse verschiedener Substrate und Dopanden auf diese Schichten werden mithilfe synchrotronbasierter Röntgenspektroskopie [primär Röntgenemissionsspektroskopie (XES) und harte Röntgenphotoelektronenspektroskopie (HAXPES)] erforscht. Die Schichten werden nach der Deposition und nach der Phasenumwandlung in polykristallines Si (poly-Si) mittels Festphasenkristallization (SPC) untersucht. Si L2,3 XES Spektren der dünnschichtigen Si Proben können als Superposition aus Referenzspektren von amorphem Silizium (a-Si) und monokristallinem Siliziumwafer (c-Si) beschrieben werden. Entsprechend der Quantifikation mithilfe dieser Referenzspektren zeigt sich, dass keines der untersuchten Proben komplett kristallin ist und unabhängig von den Depositions- und Nachbehandlungsmethoden ein messbarer a-Si Anteil (5-20%) erhalten bleibt. Nach Berücksichtigung weiterer Messungen mit Elektronenrückstreubeugung werden verschiedene Modellsysteme diskutiert, die diesen Fund zu erklären versuchen. Demnach kann der verbliebene a-Si Spektralanteil amorphem oder ungeordnetem Material an den Korngrenzen zugeordnet werden. Eines dieser Modelle schätzt die Dicke dieses kornumschließenden Materials auf (1.5 ± 0.5) nm. Weitere Untersuchungen des SPC Prozesses zeigen, dass die Kristallisation mit Bordotierung schneller und mit Phosphordotierung langsamer abläuft als bei undotierten a-Si:H Schichten. Auffälligkeiten in B K XES Spektren und speziell dessen Veränderungen bei SPC weisen darauf hin, dass Bor als Keimzentrum für die Kristallisation dient. Si L2,3 XES Spektren von a-Si:H und P-dotierten poly-Si zeigen Struktur oberhalb des Valenzbandmaximums bei 100 eV, welche a-Si Defektzuständen beziehungsweise n+-Dotierzuständen zugeordnet werden kann. Die SPC Kristallisationsgeschwindigkeit von dünnen Si Schichten auf ZnO:Al/Glas verläuft schneller als auf SiNx/Glas Substraten. Si L2,3 XES Spektren liefern mehrere Hinweise für eine Oxidation an der poly-Si/ZnO:Al Grenzfläche. Untersuchungen mit örtlich aufgelöster Photoemissionsspektrosopie bestätigen dies und deuten sogar auf die Bildung von Suboxiden oder Zinksilikat als Grenzflächenspezies hin. Die elektronische Struktur der vergrabenen a-SiOx:H(B)/ZnO:Al und µc-Si:H(B)/ZnO:Al Grenzflächen werden mithilfe „tiefenaufgelöster“ harter Röntgenspektroskopie untersucht. Es kann eine Oberflächenbandverbiegung, welche sich nur auf den nahen Oberflächenbereich beschränkt, nachgewiesen werden. Valenzbandmaxima beider Si Deckschichten und des ZnO:Al TCOs werden bestimmt und die Grenzflächenbandverbiegung für beide Grenzflächen ermittelt. An der a-SiOx:H(B)/ZnO:Al Grenzfläche wird eine Tunnelbarriere von (0.22 ± 0.31) eV und an der µc-Si:H(B)/ZnO:Al Grenzfläche eine Tunnelbarriere von (-0.08 ± 0.31) eV bestimmt. Dieser Unterschied erklärt die vorherig empirisch gewonnene Erkenntnis der Solarzelleneffizienzsteigerung bei Verwendung einer µc-Si:H(B) Pufferschicht zwischen a-Si p-i-n Zelle und dem ZnO:Al/Glas Substrat.…