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SIS-Solarzellen

Das SIS-System

Das SIS-Konzept (englische Abkürzung für Semiconductor - Insulator - Semiconductor) beinhaltet einen sehr einfachen Schichtaufbau der als Substrat einen Siliziumwafer (Semiconductor) vorsieht. Auf dem Substrat befindet sich eine dünne Barriereschicht (Insulator), die mit einem transparent leitfähigem Oxid (Semiconductor) überschichtet wird. Als TCO (englische Abkürzung für Transparent Conductive Oxide) wird derzeitig Indiumzinnoxid (ITO) eingesetzt, zukünftige Forschungsbemühungen werden sich jedoch auf die Verwendung des um ein Vielfaches billigere Al-dotierte Zinkoxid  konzentrieren.

SIS-Schichtaufbau

Das Aufbringen des TCO bewirkt eine Invertierung der Dotierkonzentration des Siliziums unterhalb der Barriereschicht. Dadurch bildet sich ein sehr oberflächennaher pn-Übergang aus. Die Konversion von Strahlung in Ladungsträger findet im Absorbermaterial Silizium statt.  Der Stromtransport durch die Zwischenschicht erfolgt durch Tunneln der Ladungsträger. Dementsprechend ist die Dicke der Barriereschicht ein entscheidender Parameter für die Leistung der Solarzelle.


Herstellung mittels Sputterdeposition

Der Vorteil des SIS-Konzeptes liegt vor allem in seiner unkomplizierten Herstellung mittels industrieerprobter Sputterverfahren.
Sputterprozesse finden zunehmend Eingang in industrielle Herstellungsverfahren von Solarzellen, beispielsweise bei dem Aufbringen von Antireflexschichten. Trotzdem ist die industrielle Fertigung von Waferzellen auf teure Diffusionsprozesse zur Herstellung des pn-Übergangs angewiesen. Die Herstellung des SIS-Systems hingegen erfolgt komplett mittels Sputterdeposition. Die Sputterdeposition gehört zur Gruppe der PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition). Anders als das zur Herstellung des Black Silicon verwendete Trockenätzverfahren basiert es auf einem rein physikalischen Materialabtrag. Bei dem für die Herstellung des SIS-Systems verwendeten Verfahren wird durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen Kathode (Target) und Anode ein Plasma gezündet. Chemisch inerte Gasionen werden in Richtung Kathode beschleunigt und schlagen durch Impulsübertrag Atome aus dem Target. Die Atome kondensieren anschließend auf dem Substrat (Siliziumwafer) und führen zur Bildung einer Schicht.

Sputterverfahren


Die gesamte Zellprozessierung kann damit in einer Anlage erfolgen. Der zusätzliche Chemikalien und hohe Temperaturen benötigende Diffusionsprozess zur Herstellung des  pn-Übergangs entfällt.

Makroskopisch lässt sich der Einfluss der TCO-Beschichtung nur durch den farbigen Saum am unstrukturierten Randbereich des Siliziumwafers ausmachen.  Mikroskopisch wird die Überschichtung der Black Silicon Struktur durch eine fingerförmige Verdickung an der Spitze der Siliziumnadeln sichtbar.

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