Institut Silizium-Photovoltaik
Zustandsdichte dünner amorpher Silizium Schichten
Die Kenntnis der Defektzustände und die Lage des Ferminiveaus in ultradünnen a-Si:H-Schichten, welche z.B. als Emitterschicht oder als Back-Surface-Schicht in Solarzellen eingesetzt werden, ist sowohl für die Optimierung des Solarzellen-Wirkungsgrads als auch der Grenzflächen-Rekombination von entscheidender Bedeutung. Mit Hilfe der im nahen Ultraviolett angeregten Photoelektronenspektroskopie (NUV-PES), die im “Constant Final State“-Modus betrieben wird, können die besetzten Zustände sowie die Lage des Ferminiveaus von ultradünnen a-Si:H-Schichten ausgemessen werden.
Eine typische NUV-PES-Messung an einer 10 nm dicken a-Si:H Schicht ist in Fig. 1 zu sehen.Hier wurde die Dotierung der Schicht variiert. Der Ursprung der Energieachse liegt an der Valenzbandkante, die Zustandsdichte wurde dort auf 2×1021 Zustände/(cm3eV) normiert.
Die Zustandsdichteverteilung in der Bandlücke besteht aus dem sog. Urbach-Tail (linear in der halblogarithmischen Auftragung) und einer breiten, gaußförmigen Verteilung von "dangling bond"-Defekten bei E-EV~0.4-1.5 eV. Man sieht, dass sich mit der Dotierung nicht nur die Lage der Ferminiveaus verschiebt, sondern auch die Defektdichte anwächst (vgl. die intrinsische mit der n-dotierten Schicht). Oberhalb des Ferminiveaus sind die Zustände unbesetzt und können daher nicht mehr spektroskopiert werden.
Ähnliches passiert mit den dangling-bond-Defekten der p-dotierten Probe: Die Defektverteilung verschiebt sich in Richtung Leitungsbandkante, liegt damit größtenteils oberhalb der Fermikante und kann nicht mehr detektiert werden.
Fig. 1: Zustandsdichte von 10 nm dicken a-Si:H-Schichten bei Variation der Dotierung, gemessen mit PES im “Constant Final State“-Modus und normiert auf N(E-EV=0)=2×1021 cm-3 eV-1. EV wurde aus der Anpassung einer a-Si:H Modell-Zustandsdichte an das gemessene Spektrum bestimmt. Pfeile markieren die Lage der Fermi-Energien EF