Mechanical and Electrical Properties of Microcrystalline Silicon Thin Films

Abstract

Amorfní a nano- nebo mikro- krystalické tenké vrstvy křemíku jsou intenzivně studované materiály pro fotovoltaické aplikace. Jsou používány jako intrinsické vrstvy (absorbéry) v p-i-n solárních článcích. V porovnání se solárními články založenými na deskách řezaných z krystalického křemíku, tenkovrstvé články obsahují asi 100x méně křemíku a mohou být deponovány při výrazně nižších teplotách (typicky okolo 200 0 C). To umožňuje ušetřit energii nutnou pro výrobu a dovoluje použití různých levných (i ohebných) podložek. Nicméně, tyto vrstvy mají komplexní mikrostrukturu, která komplikuje měření a popis elektronického transportu fotogenerovaných nosičů náboje. Pochopení struktury a elektronických vlastností materiálů v měřítku nanometrů je přitom zásadní na cestě ke zlepšení účinnosti tenkovrstvých solárních článků. Jedním z hlavních cílů této práce je studium strukturních a mechanických vlast- ností smíšených tenkých vrstev křemíku s různými tloušťkami a strukturou. Klíčovým parametrem mikrokrystalického křemíku je krystalinita, tj. objemový podíl mikrokrys- talické fáze. Ten určuje interní strukturu vrstvy, která rozhoduje o mnoha dalších vlastnostech jako je transport...

Amorphous and nano- or micro- crystalline silicon thin films are intensively studied materials for photovoltaic applications. The films are used as intrinsic layer (absorber) in p-i-n solar cells. As opposed to crystalline silicon solar cells, the thin films contain about hundred times less silicon and can be deposited at much lower temperatures (typically around 200 0 C) which saves energy needed for production and makes it possible to use various low cost (even flexible) substrates. However, these films have a complex microstructure, which makes it difficult to measure and describe the electronic transport of the photogenerated carriers. Yet, the understanding of the structure and electronic properties of the material at nanoscale is essential on the way to improve the efficiency solar cells. One of the main aims of this work is the study of the structure and mechanical properties of the mixed phase silicon thin films of various thicknesses and structures. The key parameter of microcrystalline silicon is the crystallinity, i.e., the microcrys- talline volume fraction. It determines internal structure of the films which, in turn, decides about many other properties, including charge transport and mechanical sta- bility. Raman microspectroscopy is a fast and non-destructive method for probing the...