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Alumni-Preis 2018

Christoph Messmer für seine Masterarbeit: "Numerical Simulation and Analysis of Metal Oxide Contact Properties for Silicon Heterojunction Solar Cells"

Alumni-Preis 2018

Christoph Messmer

Betreuer: Prof. Dr. Eicke Weber

 

Kurzzusammenfassung der Arbeit:

Vor dem Hintergrund der aktuellen Klimapolitik sind Fortschritte unter anderem im Bereich der Photovoltaik unabdingbar. Die Forschung an Siliziumsolarzellen erfährt dabei in den letzten Jahren eine Art "Renaissance" aufgrund neuartiger Kontaktsysteme basierend auf Übergangsmetalloxiden. Metalloxide sind zwar bereits etabliert im Bereich der organischen Elektronik, dennoch ist der Kenntnisstand im Hinblick auf die relevanten Eigenschaften, Stabilität und Implementierung dieser Materialien in Siliziumsolarzellen noch unzureichend. Jüngste experimentelle Ergebnisse im Bereich von metalloxid-basierten Siliziumsolarzellen mit Effizienzen über 22% sind vielversprechend, es bedarf jedoch weiterer Optimierung und vor allem eines tieferen Verständnisses dieser sogenannten Heterostrukturen, um sich dem theoretischen Limit von etwa 29% weiter anzunähern.

Numerische Zellsimulationen sind im Zuge dessen eine wichtige Unterstützung, um Kenntnisse hinsichtlich relevanter heterospezifischer Eigenschaften voranzutreiben. Vorhergehende Arbeiten im Bereich der Simulation von Heterosolarzellen beschäftigten sich mit sogenannten MIS Kontaktsystemen, die bereits in den 70er Jahren untersucht wurden, und Silicon Heterojunctions (SHJ) basierend auf dünnen Schichten von amorphem Silizium. Die "Renaissance" im Bereich der Simulation von metalloxid-basierten SHJ blieb bisher jedoch aus, da zur Beschreibung dieses Kontaktsystems zusätzliche Tunnelprozesse berücksichtigt werden müssen, insbesondere sogenanntes Trap-Assisted Tunneling über Defektzustände im Metalloxid.

Die vorliegende Arbeit ermöglicht zum ersten Mal eine Beschreibung von metalloxid-basierten Silizium-Heterosolarzellen mittels numerischer Simulationen. Dafür wurde in Sentaurus TCAD (einem Simulationstool für Halbleiterphysik) herausgearbeitet, welche Simulationsmodelle notwendig sind, um den Ladungsträgertransport in diesen neuartigen Kontaktstrukturen physikalisch sinnvoll beschreiben zu können. Im Zuge dessen wurde insbesondere ein Simulationsmodell zur Beschreibung von Trap-Assisted Tunneling, bereitgestellt von Sentaurus TCAD, implementiert und umfassend getestet. Um ein grundsätzliches physikalisches Verständnis von Heterokontaktsystemen zu erwerben und deren Limitierungen genauer zu verstehen, wurden unterschiedliche Heterokontakte mit steigender Komplexität simuliert. Daraus folgten jeweils 'Design Rules', die eine Orientierungshilfe bei der experimentellen Entwicklung metalloxid-basierter SHJ darstellen sollen. Als Ausblick für zukünftige Forschung werden im letzten Abschnitt aktuelle experimentelle Daten den Simulationsergebnissen dieser Arbeit gegenübergestellt und diskutiert.

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