Multi-Frequency EDMR Studies of Light-Activated Paramagnetic Centers in µc- Si:H Thin-Film Solar Cells

Abstract

This thesis presents a comprehensive study of paramagnetic centers in fully- processed microcrystalline silicon (µc-Si:H) thin-film solar cells. The heterogeneous material gives rise to a complex band structure with deep defects in the middle of the energy band gap as well as localized states close to the energy band edges. They can act as recombination centers and traps and, thereby, influence the charge transport of photogenerated charge carriers. Thus, they diminish the performance of the cell. To reduce the disadvantageous influence of the defect states on the cell efficiency, a detailed understanding of the charge transport processes via these states is necessary. In this work, light-activated paramagnetic centers are studied with electrically detected magnetic resonance (EDMR) at various microwave frequencies. This technique combines electron paramagnetic resonance spectroscopy (EPR) with the photocurrent measurement in the solar cell, thus, delivering information about the transport processes and magnetic parameters of the involved defect states. Multi-frequency EDMR at low temperatures reveals four paramagnetic states in µc-Si:H. Dangling bond (db) defects and holes in valence band tail (h) states are located in the disordered phase, whereas so-called CE and V states originate from the crystalline phase. The multi-frequency approach allows for a separation of field-dependent and -independent line widths. All EDMR signals are affected by line broadening due to spin-spin interaction, which could be used to estimate mean inter-spin distances of around 0.5 nm for the V center and of 1-2 nm for the remaining centers. Based on the strong spin-spin coupling and on transient nutation experiments the V signal could be correlated with a vacancy site in its excited triplet state. From the particular properties of the CE line it was concluded that the corresponding states are located in inversion layers and potential wells close to the conduction band of crystalline silicon.

Die vorliegende Arbeit ist eine umfassende Studie paramagnetischer Zentren in vollprozessierten Dünnschichtsolarzellen aus mikrokristallinem Silizium (µc- Si:H). Das heterogene Material führt zu einer komplexen Bandstruktur mit tiefen Defekten in der Mitte der Bandlücke und lokalisierten Zuständen in der Nähe von Leitungs- und Valenzbandkante. Diese können als Rekombinationszentren und Fallen wirken und beeinflussen damit den Ladungstransport photogenerierter Ladungsträger. Damit reduzieren sie die Solarzellleistung. Um diesen nachteiligen Einfluss der Defektzustände auf die Zelleffizienz zu verringern, bedarf es eines genauen Verständnisses der Ladungstransportprozesse entlang jener Zustände. In dieser Arbeit werden licht-aktivierte paramagnetische Zentren mithilfe von elektrisch detektierter Magnetresonanz (EDMR) bei verschiedenen Mikrowellenfrequenzen untersucht. Diese Methode kombiniert Elektronenspinresonanzspektroskopie (EPR) mit der Photostrommessung in der Solarzelle und liefert damit Informationen über die Transportprozesse und die magnetischen Parameter der beteiligten Defektzustände. Multifrequenz-EDMR bei tiefen Temperaturen bringt vier paramagnetische Zentren im µc-Si:H zu Tage. Dangling bond-Defekte (db-Defekte) und Löcher in Valenzbandausläuferzuständen (h-Zuständen) befinden sich in der ungeordneten Phase des Materials, wohingegen die sogenannten CE- und V-Zustände der kristallinen Phase entstammen. Der Multifrequenzansatz ermöglicht die Trennung feldabhängiger sowie feldunabhängiger Linienbreiten. Alle EDMR-Signale sind von Linienverbreiterungen durch Spin-Spin-Wechselwirkung betroffen, welche verwendet werden konnten, um mittlere Spinabstände von rund 0.5 nm für das V-Zentrum und 1-2 nm für die verbleibenden Zentren zu bestimmen. Basierend auf der starken Spin-Spin-Kopplung und auf Messungen transienter Nutationen konnte das V-Signal mit einem Fehlstellendefekt in seinem angeregten Triplettzustand korreliert werden. Aus den speziellen Eigenschaften der CE-Resonanz wurde geschlussfolgert, dass die dazugehörigen Zustände in Inversionsschichten und Potenzialsenken nahe des Leitungsbandes von kristallinem Silizium zu finden sind.