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Hochauflösende elektronenmikroskopische Analytik an siliziumbasierten Dünnschichtmaterialien (BMBF-Verbundprojekt 03SF0352F - SINOVA)

Projektüberblick SINOVA

Solarzellen aus kristallinem Silizium stellen mit fast 90 % des Marktvolumens die technologische Grundlage für die derzeit rapide wachsende Photovoltaikindustrie dar. Die neuen Dünnschichttechnologien aus amorphem und mikrokristallinem Silizium werden wegen ihres Kostenvorteils einen zunehmenden Anteil des Marktvolumens übernehmen. Somit liefert das Element Silizium und die damit kombinierbaren Materialien die absolut dominierende Materialbasis der derzeitigen und auch der künftigen Photovoltaikindustrie. Der Laborrekord (Wirkungsgrad) für amorphe/bzw. mikrokristalline Si-Dünnschichtsolarzellen steht derzeit bei ca. 14 %, wobei hier schon Tandem- und Triple-Konzepte zum Tragen kommen. Aufgabe der Forschung ist daher kurz- und mittelfristig Möglichkeiten bereitzustellen, diese Wirkungsgrade zu steigern und die Dünnschicht-Solarzellen noch kostengünstiger herzustellen. Langfristig müssen jedoch auch für kommerzielle Produkte physikalische und technologische Möglichkeiten entwickelt werden, die Wirkungsgrade jenseits des Shockley-Queisser Limits ermöglichen.

Ein Ansatz zur Erreichung dieses Zieles bietet die Modifizierung der Si-Materialeigenschaften durch Realisierung von entsprechend geeigneten Nanostrukturen, die vergleichbar oder kleiner als die Wellenlänge der Elektronenwellenfunktionen sind. In diesem Fall treten Quanten-Effekte, sog. Quantum-Confinement Effekte auf, die die elektronischen und optischen Eigenschaften des Si-Materials gravierend verändern: das elektronische Zustandsdichtespektrum ändert sich, die Energie der Si-Bandlücke weitet sich auf zu höheren Werten, was sich wiederum auf den Charakter der optische Absorption positiv auswirkt. Theoretische Arbeiten und Abschätzungen zeigen das enorme Potential, welches integrierte Si-Quantenstrukturen beinhalten.
Weitere aktuelle und noch am Anfang stehende Technologie-Ansätze beinhalten die Nutzung von selbstorganisierten Si-Nanodrähten-Arrays (silicon nanowires), die als Photonen Absorber in den neuartigen Solarkonzepten fungieren oder auch direkt als Solarzellen für bestimmte Nischenanwendungen z.B. im Bereiche mobiler Elektronik-Geräte oder der Sensorik absehbar eingesetzt werden könnten.
Neben dem einkristallinen Silizium zählt dessen natürliches Oxid, das amorphe SiO2, zu den bekanntesten Siliziumverbindungen. Darüber hinaus spielt das amorphe Silizium, speziell das n- und p-dotierbare a-Si:H mit variablem Wasserstoffgehalt eine wichtige Rolle als amorpher Festkörper und in der Dünnschicht-Applikation. Daneben verfügt das SiOx(:H) mit 0 < x ≤ 2 über ein bislang noch nicht ausgeschöpftes Potential als Passivierungsschicht, möglicher Dünnschichtemitter und als Vorstufe von Si-Nanodot-Absorbern.

SINOVA soll unterschiedliche Möglichkeiten nanostrukturierter Materialien auf der Basis von Silizium und damit kompatibler Verbindungen (SiOx, SiNx, SiC, SiGe) zur Verwendung als funktionale Elemente in hocheffizienten Solarzellen untersuchen. Ziel von SINOVA ist es, alle diese funktionalen Elemente auf der Basis von nanostrukturierten Si-Verbindungen herzustellen. Die zentralen technologischen Arbeitspakete sind hierbei (i) die Herstellung eines photovoltaischen Absorbermaterials aus in eine SiO2-Matrix eingebetteten Si-Nanostrukturen und (ii) die Herstellung von selektiven p-typ und n-typ Kontaktmaterialien aus einer Mischung von Si-Nanokristallen und einer SiO2-Matrix. Diese Kontaktmaterialien sollen sowohl für kristalline Wafer-Solarzellen als auch für Dünnfilmsolarzellen aus amorphem und/oder mikrokristllinem Silizium verwendet werden.

(a)-(c) Verschiedene Optionen zur Herstellung von Si/SiO2-Metamaterialien als photovoltaische Absorber. (d) Solarzelle mit selektiven Kontakten aus nanokristallinem Silizium eingebettet in ein SiO2-Matrix.


Beiträge des IZM zu SINOVA
  • EELS-Charakterisierung von SiOx als substöchiometrisches Barrierenmaterial
  • Analytische Elektronenmikroskopie an Si-Nanostruktur-Absorbern
  • EELS an amorphen Si-Quantenstrukturen
  • EELS-Charakterisierung der Barrierenmaterialien Si3N4, ONO (Oxid - Nitrid - Oxid) und SiC
  • Analytik an OES (oxide embedded silicon)
  • Diagnostik an dotierten Nanodotschichten
  • EELS-Untersuchungen zur LIC (lichtinduzierte Kristallisation)
  • EELS-Untersuchungen an Si-Polymorphen (metastabilen Hochdruckphasen)

Methoden

Beispiele
HRTEM und EELS Untersuchungen von Si/SiO2 QW-Strukturen
EEL-Referenzspektren von a-Si, bulk Si und SiO2. HRTEM Aufnahme der QW-Strukturen. In den Einsätzen ist nach digitaler Bearbeitung die Struktur der Kristallite besser sichtbar. EEL-Spektren von Bereichen mit und ohne Si-QW-Strukturen.

relevante Publikationen

M. Schade, O. Varlamova, J. Reif, H. Blumtritt, W. Erfurth, H. S. Leipner
High-resolution investigations of ripple structures formed by femtosecond laser irradiation of silicon
Anal. Bioanal. Chem. DOI 10.1007/s00216-009-3342-3 (2009),
Martin Schade, Nadine Geyer, Bodo Fuhrmann, Frank Heyroth, Hartmut S. Leipner
High-resolution analytical electron microscopy of catalytically etched silicon nanowires
Appl. Phys. A 95 (2009), 325-327
M. Schade, F. Heyroth, F. Syrowatka, H. S. Leipner, T. Boeck, M. Hanke
Investigation of the chemical composition profile of SiGe/Si(001) islands by analytical transmission electron microscopy
Appl. Phys. Lett. 90 (2007), 263101

Kooperationen
Ansprechpartner: Martin Schade


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