Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl-Ionenpräparation von Querschnitten für hochauflösende FE-REM Untersuchungen an Dünnschichtsolarzellen
Der Wirkungsgrad von Dünnschichtsolarzellen wird wesentlich durch die Struktur und die Grenzflächen zwischen Absorberschicht, Front- und Rückkontakt bestimmt. Hochauflösende FE-REM Abbildungen können einen wichtigen Beitrag zur weiteren Optimierung leisten.
Ionenpolierte Querschnitte durch den kompletten Schicht-aufbau von Dünnschichtsolarzellen können mit Hilfe der am Fraunhofer FEP verfügbaren Broad Ion Beam Technik (BIB) präpariert werden. Dadurch ist es möglich, die Struktur und die Grenzflächen zwischen Absorberschicht und den verschiedenen Schichten von Front- und Rückkontakt mit hochauflösender Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FE-REM) zu untersuchen. Die Abbildung der ionenpolierten Querschnitte der Solarzellen erfolgt dazu im Material- und im Kristallorientierungskontrast mit rückgestreuten Elektronen.
Im Kristallorientierungskontrast kann das Gefüge der polykristallinen Absorberschichten bezüglich der Kristallitgrößen und der vorhandenen Gitterdefekten wie Korngrenzen, Versetzungen und Zwillinge charakterisiert werden. Gleichzeitig können die Grenzflächen zwischen Absorberschicht, Front- und Rückkontaktschichten hochauflösend untersucht werden. Diese Grenzflächen stellen potentielle Rekombinationszentren für Ladungsträger dar und müssen deshalb hinsichtlich Struktur und Dotierung möglichst optimal angepasst werden.
Eine Erhöhung der Absorption der Sonnenstrahlung im kurz- und langwelligen Bereich wird durch chemische Gradienten innerhalb der Absorberschicht erreicht, welche durch energiedispersive Spektrometrie von Röntgenstrahlung (EDS) analysiert werden können. Durch die Optimierung dieser chemischen Gradienten wird die Bandlücke des Absorbermaterials so angepasst, dass für einen breiten Spektralbereich eine hohe Quanteneffizienz der Solarzelle erreicht werden kann.
Der Einfluss des Gefüges der polykristallinen Dünnschichtsolarzellen auf die Trennung und Diffusion der photogenerierten Ladungsträger kann durch FE-SEM Abbildungen im Kristallorientierungskontrast und gleichzeitige Registrierung der Signalverteilung des elektronenstrahlinduzierten Stromes (EBIC) untersucht werden. Dies ermöglicht eine direkte Untersuchung des Einflusses der Korngrenzen innerhalb der Absorberschicht auf die EBIC Signalverteilung. Außerdem kann durch die Auswertung der EBIC-Signalverteilung die Position des pn-Überganges und die mittlere Diffusionslänge der Ladungsträger bestimmt werden.
Diese umfangreichen analytischen Möglichkeiten leisten einen wichtigen Beitrag zur weiteren Erhöhung der Effizienz von Dünnschichtsolarzellen.