Mit wellenlängenabhängigen Messungen der Oberflächenphotospannung (Surface Photovoltage, SPV) lässt sich die Diffusionslänge von Ladungsträgern im Volumen von Siliziumproben messen. Das Ziel der Arbeit war es, mit Hilfe temperatur- und injektionsabhängiger Messungen der Diffusionslänge die Natur rekombinationsaktiver Defekte in kristallinem Silizium zu untersuchen. Im Rahmen der Arbeit wurde eine zu diesem Zwecke geeignete Messanlage sowie die nötigen Mess- und Auswerteprozeduren entwickelt. Die Möglichkeiten und Grenzen der aufgebauten Anlage wurden durch Messungen an gezielt mit Eisen, Kupfer oder Chrom verunreinigten mono- und multikristallinen Siliziumproben bewertet. Es zeigt sich, dass die SPV-Methode in einem jeweils begrenzten Temperatur- und Injektionsbereich bei Vorhandensein dominanter Defekte zur Defekt-Spektroskopie einsetzbar ist. Eine Anwendung fand das Verfahren an industriell relevantem, aufbereitetem metallurgischen Silizium (umg-Si).

The aim of this work was the development of a method for the generation of surface features on n-type silicon samples with deeply buried p-implants, in the form of heterogeneities aligned directly above the buried implants. This task was motivated by the realisation of a simpler process for the formation of superjunction transistors, which currently require the repeated creation of the same implantation structure over multiple steps of photolithography These lithography steps can be potentially replaced, if a suitable process for the self-alignment in accordance to the buried implants can be found. The work on this goal was separated into three parts: the analysis of samples for suitable surface properties, the generation of surface heterogeneities using such a property and the analysis of the mechanism for the used process of contrast generation. Within this doctoral thesis, a before unseen method of selective etching on silicon was discovered and investigated. Hence, the overall aim of this work was successfully achieved. • Samples containing buried p-implants inside a n-type silicon substrate were characterised with regard to various properties. Of these, the through-sample resistance showed a significant variation in accordance to the buried implants also through a homogeneous epitaxial layer. • Various methods aimed at the usage of the resistance variation in order to generate a surface heterogeneity through electrodeposition failed to enable a suitable process. Instead, another method was found, which enables the replication of the implant structure via selective etching. This novel process enables the lithography free patterning of the substrates through a simple alkaline etch process performed under illumination. This results in a surface heterogeneity as an alteration of the sample topography combined with a material contrast due to the formation of an in-situ SiO2 etch mask. This material variation can also be used for the selective deposition of polymers, enabling further processing of the etched samples. • For this new method, named Light Induced Selective Etching (LISE), a mechanism underlying the selectivity was proposed and through a number of experiments. In essence, the illumination during the etching process produces a flux of photogenerated electrons directed from the buried implants toward the surface, which increase the negative surface charge in the areas above these implants. The locally increased surface charge causes a local protection of the native silicon oxide layer against the alkaline etching, leading to the structuring of the substrate. In essence, this novel method allows for the previously unreported self-adjusted structuring of silicon based on deeply buried implant structures. In general, even the characterisation of such implant structures is difficult, whereas this method allows for structuring with regard to such buried structures with a very simple setup of only an etchant solution and a suitable light source. With regard to the introduction and motivation of this thesis, this process can possibly be applied for the intended purpose of creating a self-aligned resist in order to replace repeating lithography steps. This is the case in particular in combination with polymer deposition, as shown in the last part of the results. Certain limitations, such as the resolution limit and dimensional size increase exist, but can be circumvented by appropriate device design and further optimisation of the process parameters. Furthermore, the LISE process appears applicable for the manufacturing of MEMS and MOEMS devices, as the typical feature sizes in these cases fit well to the achieved resolution of the LISE process. For devices needing a certain implant structure in combination with a corresponding topography, the new method allows for the elimination of at least one lithography step, including the necessary substeps such as alignment and measurement. Accordingly, LISE has the potential of simplifying the manufacturing process, enabling better and cheaper devices.

Der rapide Anstieg der Bevölkerung führt zu einer dramatischen Zunahme des Brennstoff- und Energiebedarfs. Längerfristig kann die nachhaltige Energieversorgung der Menschheit nur durch erneuerbare Energiequellen gewährleistet werden. Dies motiviert die Bemühungen um alternative, sauberere Brennstofftechnologien wie z.B. die Erzeugung von Wasserstoff. Diese Arbeit untersucht die Verbesserung der optoelektronischen Eigenschaften von Silizium Photokathoden, durch optische Nanostrukturen, die die Reflexion mittels optischer Resonanzen reduzieren. Wir konzentrieren uns dabei auf die Entwicklung von Nanostrukturen , die optische Konzepte wie Mie-Resonanzen und periodische Indexprofilierung nutzen. Um diese optischen Nanostrukturen zu realisieren, verwenden wir zwei Herstellungsverfahren. Die Verfahren werden durch einen iterativen Ansatz optimiert, um zu den Nanostrukturen mit den gewünschten optischen Eigenschaften zu gelangen. Die erste Art von Nanostrukturen gehört zur Klasse der Meta-Oberflächen (Metasurfaces) und wird durch Elektronenstrahl- Lithographie und Top-Down-Herstellung implementiert. Die optischen Spektren dieser Strukturen werden dann mit Hilfe von Simulation und Experimenten eingehend untersucht. Die zweite Art von Nanostrukturen basiert auf Änderungen des Brechzahlprofils von dielektrischen periodischen Nanostrukturen. Diese Strukturen werden durch Maskenlithographie mittels Polystyrol-Kugeln hergestellt. Auch bei diesen Strukturen werden die optischen Eigenschaften vermessen und ihre physikalischen Bedeutung mit Hilfe von numerischen Simulationen analysiert. Um den Einfluss dieser Strukturen auf die Kurzschlussstromdichten von Silizium Photokathoden zu demonstrieren, charakterisieren wir den Photostrom, der über einen Silizium-Elektrolyt-pn-Übergang mit und ohne Nanostrukturen gemessen wird. Zusammenfassend stellen wir einen Vergleich der Antireflexionseigenschaften der beiden entwickelten Strukturen sowie eine Verbesserung der photoelektrochemischen Funktionalität vor. Daraus leiten wir Ideen für zukünftige Oberflächendesigns ab, welche die noch bestehenden Nachteile beider Strukturen überwinden. / Global fuel and energy demands continue to increase due to the rapid rise in population and the dependence of this increasing population on exisiting energy resources for its sustainance. This has led to efforts in developing cleaner fuel sources such as hydrogen generation. This thesis focuses on demonstrating the optical benefit of nanostructures to improve the optoelectronic functioning of silicon photocathodes which aid in hydrogen generation via nanostructured antireflection. We lay our focus on the development of nanostructures which utilise optical concepts such as Mie type resonances based on metasurfaces and periodic index profiling. Computational design is used to obtain structure parameters for achieving desired effects. To implement these optical effects we take aid of two methods of fabrication. These fabrication methods are optimised via iterative trials to arrive at nanostructures of high quality. The first type of nanostructures belong to the metasurface class. These are implemented by e-beam lithography and top down processing. The optical spectra are then comapred with aid of simulation and experiments. The second type of nanostructures belong to the class of gradually varying periodic nanostructures. We obtain these via iterative fabrication using colloidal mask lithography. In a subsequent step we analyse experimentally their optical spectra and with aid of simulations analyse their physical implication. To demonstrate an optical benefit of these structures on enhancing the short circuit current densities of silicon photocathodes, we characterise the photocurrent measured across the silicon-electrolyte pn-junction with and without nanostructures and evaluate this increase. In conclusion, we provide a comparison of the antireflection properties offered by the two developed structures as well as in terms of improving photoelectrochemical environment. As an outlook, we propose ideas to overcome the existing drawbacks of both structures.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den wesentlichen Aspekten der Hochrateabscheidung von amorphen (a-Si:H) und mikrokristallinen (μc-Si:H) Silizium-Schichten und Solarzellen. Die neuartige plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung unter Anwendung von den sehr hohen Anregungsfrequenzen bis 140 MHz (VHF-PECVD) wurde demonstriert. Die durchgeführten Untersuchungen befassten sich hauptsächlich mit der Anpassung der Anlagentechnik für den VHF Bereich und der Entwicklung des hochproduktiven Herstellungsverfahrens ohne Einbußen bei den Schichteigenschaften und dem Solarzellenwirkungsgrad. Durch Frequenzerhöhung bis 140 MHz wurde eine Steigerung der i-Schicht-Abscheiderate von 70 % sowohl für a-Si:H als auch für μc-Si:H realisiert. Die Weiteroptimierung des Solarzellenaufbaus zeigt die hervorragende Eignung des Herstellungsprozesses für die Abscheidung von hocheffizienten Solarzellen (ca. 10,7 % für a-Si:H- und 9,5 % für μc-Si:H-Zellen). Der neuartige VHF-PECVD-Prozess wurde außerdem für die Abscheidung von den Passivierungsschichten für die Silizium-Heteroübergangs-Solarzellen (HIT) getestet. Die Arbeit im VHF-Bereich ermöglicht einen Einsatz von hohen Depositionsraten bis 1 nm/s ohne Einbußen bei den Passivierungseigenschaften (2 ms Lebensdauer) im Vergleich zum 13,56-MHz-Prozess (0,5 ms Lebensdauer). Zuletzt wurde eine Analyse der Zusammenhänge zwischen Anregungsfrequenz, Plasmaleistung, Ionenenergie, Ioneneindringtiefe und Defektbildung in den intrinsischen Dünnschichtsiliziumschichten durchgeführt.:I. Abkürzungs- und Symbolverzeichnis vii 1 Einleitung 1 2 Physikalische und technologische Grundlagen 7 2.1 Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung 7 2.1.1 Prozessparameter 9 2.1.2 Frequenzeinfluss 10 2.2 Amorphes und mikrokristallines Silizium 14 2.2.1 Eigenschaften von Dünnschichtsilizium 15 2.2.2 Siliziumbasierte Dünnschichtsolarzellen 20 2.2.3 Siliziumbasierte Solarzellen mit Heteroübergang 21 3 Entwicklung des Abscheidungsprozesses bis 140 MHz 23 3.1 Herstellung von dünnen Siliziumschichten 23 3.1.1 VHF-PECVD-Durchlaufanlage mit linearen Elektroden 24 3.1.2 F&E-Testanlage 25 3.2 Anpassung des Abscheidungssystems für sehr hohe Frequenzen 26 3.2.1 Temperaturregelung der HF Elektrode 26 3.2.2 Kompensation des Tiefpassverhaltens 28 3.2.3 Leistungseinkopplung 31 3.3 Homogenität der VHF-Abscheidung 32 3.4 Charakterisierung von dünnen Siliziumschichten und Solarzellen 34 3.4.1 Leitfähigkeitsmessung 34 3.4.2 Transmissionsmessungen im UV-VIS-NIR-Bereich 35 3.4.3 Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie 37 3.4.4 Raman-Spektroskopie 38 3.4.5 Solarzellencharakterisierung 39 3.4.6 Messungen der effektiven Lebensdauer 42 3.5 Zusammenfassung der Ergebnisse 43 4 Hydrogeniertes amorphes Silizium im VHF-Bereich 45 4.1 Intrinsische a-Si:H Einzelschichten bis 140 MHz 45 4.1.1 Optische Eigenschaften 47 4.1.2 Strukturelle Eigenschaften 48 4.1.3 Elektrische Eigenschaften 51 4.2 a-Si:H-Solarzellen bis 140 MHz 52 4.2.1 Variation der Silankonzentration 53 4.2.2 Abscheiderateerhöhung durch Prozessleistung 56 4.3 Weitere Entwicklung der amorphen Silizium-Solarzellen 61 4.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 62 5 Hydrogeniertes mikrokristallines Silizium im VHF-Bereich 65 5.1 μc-Si:H Schichten und Solarzellen – HPD-Regime 68 5.1.1 Einfluss des Prozessdruckes und der Silankonzentration bei hohen Gasflusswerten 69 5.1.2 Einfluss der Leistung bei hohen Gasflusswerten 72 5.2 μc-Si:H Schichten und Solarzellen – Frequenzerhöhung 74 5.2.1 μc-Si:H Schichteigenschaften – Vergleich 120 und 140 MHz 74 5.2.2 μc-Si:H Solarzellen – Vergleich 120 und 140 MHz 76 5.3 Weitere Entwicklung der μc-Si:H Solarzellen 78 5.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 79 6 Passivierungsschichten für HIT-Solarzellen 81 6.1 Schichteigenschaften – Vergleich zwischen 13,56 und 140 MHz 81 6.2 H2-Plasma-Vorreinigung 84 6.3 Passivierungsschichten – Frequenzeinfluss 87 6.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 88 7 Simulationsstudie 89 7.1 Ionenbeschussenergie 89 7.1.1 Modellübersicht – Ar-Plasma 90 7.1.2 Einfluss der Leistung und Betriebsfrequenz 91 7.2 Simulation des Ionenbeschusses 92 7.2.1 TRIM–Simulationssoftware 92 7.2.2 Ionenbeschuss auf die a-Si:H-Oberfläche 93 7.3 Solarzellen – Defekte in der i- Schicht 94 7.3.1 ASA–Simulationssoftware 95 7.3.2 Parameterset 99 7.3.3 Einfluss der Defektdichte auf Solarzelleneigenschaften 101 7.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 102 8 Zusammenfassung und Ausblick 105 II. Abbildungsverzeichnis 111 III. Tabellenverzeichnis 117 IV. Literaturverzeichnis 119 V. Veröffentlichungen 129 VI. Lebenslauf 131 VII. Danksagung 133 / The following thesis deals with the main aspects of the high-rate deposition of amorphous (a-Si:H) and microcrystalline (μc-Si:H) silicon layers and solar cells. The very high frequency plasma enhanced chemical vapor deposition technique with excitation frequencies up to 140 MHz (VHF-PECVD) has been introduced. These study deals mainly with the adaptation of the deposition system for the VHF-range and the development of the highly productive manufacturing process without deterioration of the layer properties and the solar cell efficiency. An increase of the excitation frequency up to 140 MHz ensured a 70 % enhancement of the a-Si:H and μc-Si:H deposition rate. A further optimization of the solar cells shows the excellent suitability of these manufacturing process for the deposition of the highly efficient solar cells (about 10.7% for a-Si:H and 9.5% for μc-Si:H cells). The novel VHF-PECVD process has also been analyzed for the deposition of the passivation layers for the silicon heterojunction solar cells (HIT). Working in the VHF-range allows the use of very high deposition rates up to 1 nm/s, without deterioration of the passivation properties (2 ms lifetime) compared to the 13.56 MHz process (0.5 ms lifetime). Finally, an analysis of the correlations between excitation frequency, plasma power, ion energy, ion penetration depth and defect formation in the intrinsic thin film silicon layers was performed.:I. Abkürzungs- und Symbolverzeichnis vii 1 Einleitung 1 2 Physikalische und technologische Grundlagen 7 2.1 Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung 7 2.1.1 Prozessparameter 9 2.1.2 Frequenzeinfluss 10 2.2 Amorphes und mikrokristallines Silizium 14 2.2.1 Eigenschaften von Dünnschichtsilizium 15 2.2.2 Siliziumbasierte Dünnschichtsolarzellen 20 2.2.3 Siliziumbasierte Solarzellen mit Heteroübergang 21 3 Entwicklung des Abscheidungsprozesses bis 140 MHz 23 3.1 Herstellung von dünnen Siliziumschichten 23 3.1.1 VHF-PECVD-Durchlaufanlage mit linearen Elektroden 24 3.1.2 F&E-Testanlage 25 3.2 Anpassung des Abscheidungssystems für sehr hohe Frequenzen 26 3.2.1 Temperaturregelung der HF Elektrode 26 3.2.2 Kompensation des Tiefpassverhaltens 28 3.2.3 Leistungseinkopplung 31 3.3 Homogenität der VHF-Abscheidung 32 3.4 Charakterisierung von dünnen Siliziumschichten und Solarzellen 34 3.4.1 Leitfähigkeitsmessung 34 3.4.2 Transmissionsmessungen im UV-VIS-NIR-Bereich 35 3.4.3 Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie 37 3.4.4 Raman-Spektroskopie 38 3.4.5 Solarzellencharakterisierung 39 3.4.6 Messungen der effektiven Lebensdauer 42 3.5 Zusammenfassung der Ergebnisse 43 4 Hydrogeniertes amorphes Silizium im VHF-Bereich 45 4.1 Intrinsische a-Si:H Einzelschichten bis 140 MHz 45 4.1.1 Optische Eigenschaften 47 4.1.2 Strukturelle Eigenschaften 48 4.1.3 Elektrische Eigenschaften 51 4.2 a-Si:H-Solarzellen bis 140 MHz 52 4.2.1 Variation der Silankonzentration 53 4.2.2 Abscheiderateerhöhung durch Prozessleistung 56 4.3 Weitere Entwicklung der amorphen Silizium-Solarzellen 61 4.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 62 5 Hydrogeniertes mikrokristallines Silizium im VHF-Bereich 65 5.1 μc-Si:H Schichten und Solarzellen – HPD-Regime 68 5.1.1 Einfluss des Prozessdruckes und der Silankonzentration bei hohen Gasflusswerten 69 5.1.2 Einfluss der Leistung bei hohen Gasflusswerten 72 5.2 μc-Si:H Schichten und Solarzellen – Frequenzerhöhung 74 5.2.1 μc-Si:H Schichteigenschaften – Vergleich 120 und 140 MHz 74 5.2.2 μc-Si:H Solarzellen – Vergleich 120 und 140 MHz 76 5.3 Weitere Entwicklung der μc-Si:H Solarzellen 78 5.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 79 6 Passivierungsschichten für HIT-Solarzellen 81 6.1 Schichteigenschaften – Vergleich zwischen 13,56 und 140 MHz 81 6.2 H2-Plasma-Vorreinigung 84 6.3 Passivierungsschichten – Frequenzeinfluss 87 6.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 88 7 Simulationsstudie 89 7.1 Ionenbeschussenergie 89 7.1.1 Modellübersicht – Ar-Plasma 90 7.1.2 Einfluss der Leistung und Betriebsfrequenz 91 7.2 Simulation des Ionenbeschusses 92 7.2.1 TRIM–Simulationssoftware 92 7.2.2 Ionenbeschuss auf die a-Si:H-Oberfläche 93 7.3 Solarzellen – Defekte in der i- Schicht 94 7.3.1 ASA–Simulationssoftware 95 7.3.2 Parameterset 99 7.3.3 Einfluss der Defektdichte auf Solarzelleneigenschaften 101 7.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 102 8 Zusammenfassung und Ausblick 105 II. Abbildungsverzeichnis 111 III. Tabellenverzeichnis 117 IV. Literaturverzeichnis 119 V. Veröffentlichungen 129 VI. Lebenslauf 131 VII. Danksagung 133

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Untersuchungen zum Einfluss der Züchtungsbedingungen auf die Eigenschaften von multikristallinen (mc) Silizium-Kristallen. Im Mittelpunkt stehen Züchtungsexperimente mit einer gezielten Variation der Züchtungsaufbauten und Züchtungsgeschwindigkeiten. Die gezüchteten Kristalle wurden umfassend charakterisiert im Hinblick auf die Kohlenstoffkonzentration, die Kornstruktur, die Vesetzungsdichte, Verteilung der Ausscheidungen und Ladungsträgerlebensdauer. Zusätzlich wurde die Versetzungsanordnung in Abhängigkeit von der Wachstumsrate bzw. Abkühlrate systematisch untersucht. Als Ergebnis wurde gezeigt, dass die Züchtungsbedingungen die Kohlenstoffkonzentration, die Versetzungsdichte, die Bildung von den Ausscheidungen sowie die Ladungsträgerlebensdauer beeinflussen können, jedoch nicht die Korngröße. Es wurde ein direkter Zusammenhang zwischen Ausscheidungsgebieten und erhöhte Versetzungsdichte beobachtet. Im Rahmen der Arbeit wurde festgestellt, dass die endgültige Versetzungsstruktur sich als Resultat von Gleit- und Erholungsprozessen darstellt.

The efficiency of multicrystalline (mc) silicon solar cells depends strongly on the fraction of recombination active crystal defects. This work focuses on a systematic analysis of how the area fraction of recombination active crystal defects and thus the solar cell efficiency is af-fected by the grain structure of mc-silicon wafers, i.e. grain size, grain orientation and type of the grain boundaries between adjacent grains. For that purpose a new characterization method was developed which allows the measurement of the grain orientation and grain boundary type of full 156x156 mm² mc-silicon wafers. The results of the grain structure analysis were correlated with the etch pit density, the recombination active area fraction measured by photo-luminescence imaging, and the solar cell efficiency in order to quantify the most important features of the grain structure, which were relevant to obtain high quality mc-silicon wafer material. For the determination of the grain orientation and grain boundary type two metrology sys-tems were combined. The so-called grain detector determines the geometrical data of each grain (size and form) by a reflectivity measurement. Afterwards the wafer with the geomet-rical information of all grains is transferred into the so-called Laue Scanner. This system irra-diates each grain larger 3 mm² with white x-rays and creates a backscatter diffraction pattern (Laue pattern) for each grain. From this Laue pattern the grain orientation and the grain boundary type of neighboured grains is calculated and statistically analysed in combination with the geometrical data of the grain detector. In this work the grain structure of twelve industrially grown mc-silicon bricks, which were produced by different manufacturers, and two laboratory grown bricks were investigated. Seven of these bricks show a fine grain structure. This material named class F is considered to be typical for so-called High Performance Multi (HPM) silicon. The other bricks show a coarse-grained structure. This grain structure was called class G and corresponds to the con-ventional mc-silicon material. The results show that the grain structures of the start of the crystallization process differ sig-nificantly between class F and class G. The class F mc-silicon wafers have a uniform initial grain size (characterized by coefficient of variation CV¬KG < 2.5) and grain orientation (charac-terized by coefficient of variation CVKO < 1.5) distribution with a small mean grain size (< 4 mm²) and a high length fraction of random grain boundaries (> 60 %) in comparison to the class G wafers. Despite the totally different initial grain structure for the class F and class G bricks, the grain structure of the wafers which represent the end of the crystallization process is more or less comparable. It can be concluded that the development of the grain structure along the crystal height of the class F bricks is driven by an energy minimization due to the surface energy and the grain boundary energy, that means that the share of (111) oriented grains having the lowest surface energy and the share of ∑3 grain boundaries having the lowest interface energy increase from the start of crystallization to the end. This phenomenon could not be observed for the class G bricks, which show a decreasing ∑3 length fraction and a decreasing area fraction of {111} oriented grains. This energetically unfavourable grain structure development is not clear so far but it means another kind of energy minimization effect must exist within class G. This could be for instance the formation of dislocations. The grain structure investigations show clearly that especially the initially fine-grained struc-ture of the class F bricks, i.e. at the start of crystallization, influences beneficially the area fraction of recombination active defects and the solar cell efficiency subsequently. This ob-servation can be explained as follows. Reduced dislocation cluster formation: • The small grain sizes in combination with the low length fraction of ∑3 grain bounda-ries capture the dislocations within a grain. Dislocations are not able to move across the grain boundaries which have not the ∑3-type within moderate stress and tempera-ture fields. This prohibits the formation and expansion of large dislocation cluster. • The previously described energetically driven grain selection and the continuously in-creasing grain size from bottom to top leads to an overgrowth of grains. This means that also dislocated grains will disappear which also prohibits the formation of large dislocation cluster. Reduced possibility of dislocation formation: • Compared to the class G bricks the area fraction of {111} oriented grains is reduced. Therefore, the possibility of the formation of dislocations is reduced, because they would be activated first in {111} oriented grains taking the Schmidt factor in account which is lowest for {111} oriented grains. After the dislocation generation within a {111} oriented grain, the dislocation can move forward on 3 of 4 possible {111} slip planes which have an angle of 19.5° with regard to the growth direction. No other ori-entation has more slip planes for the dislocation movement which have an angle smaller 20° with regard to the growth direction. These arguments in combination with the high reproducibility of the characteristic initial class F structure can explain the observed low recombination active area fraction from start to end of crystallization which was smaller 5 % and especially the low variation of 2 % of the electrical active wafer area in between the class F bricks. One can also easily explain the higher recombination active area fraction up to 14 % and the large variation of 10 % between the class G bricks due to the obtained grain structure data. These differences in the recombination active area fractions are reflected in the solar cell efficiency which is 0.4 % higher for the class F bricks compared to the class G bricks. In consideration of the above mentioned reasons it is not beneficial for the industrial ingot production technology to increase the ingot height further, due to the fact that the advanta-geous initial grain structure properties of class F bricks disappear with increasing crystal height.

We show full Li/S cells with the use of balanced and high capacity electrodes to address high power electro-mobile applications. The anode is made of an assembly comprising of silicon nanowires as active material densely and conformally grown on a 3D carbon mesh as a light-weight current collector, offering extremely high areal capacity for reversible Li storage of up to 9 mAh/cm(2). The dense growth is guaranteed by a versatile Au precursor developed for homogenous Au layer deposition on 3D substrates. In contrast to metallic Li, the presented system exhibits superior characteristics as an anode in Li/S batteries such as safe operation, long cycle life and easy handling. These anodes are combined with high area density S/C composite cathodes into a Li/S full-cell with an ether- and lithium triflate-based electrolyte for high ionic conductivity. The result is a highly cyclable full-cell with an areal capacity of 2.3 mAh/cm(2), a cyclability surpassing 450 cycles and capacity retention of 80% after 150 cycles (capacity loss <0.4% per cycle). A detailed physical and electrochemical investigation of the SiNW Li/S full-cell including in-operando synchrotron X-ray diffraction measurements reveals that the lower degradation is due to a lower self-reduction of polysulfides after continuous charging/discharging.

In den letzten Jahren gibt es großes Interesse am SiGeSn Materialsystem aufgrund seines Potentials für die Verwendung in der Optoelektronik, Elektronik und Photovoltaik. Während jedoch die binären Verbindungshalbleiter Si(x)Ge(1-x) und Ge(1-y)Sn(y) schon intensiv untersucht wurden, sind die Materialeigenschaften des ternären Verbindungshalbleiters Ge(1-x-y)Si(x)Sn(y) und Nanostrukturen basierend auf diesem Verbindungshalbleiter noch weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit werden drei theoretische/theoretisch-experimentelle Studien zur Untersuchung des SiGeSn Materialsystems vorgestellt. In einer Studie wird die Abhängigkeit der Größe der direkten Bandlücke von der Zusammensetzung des Ge(1-x-y)Si(x)Sn(y) Verbindungshalbleiters untersucht. Basierend auf Messungen der Rutherford Rückstreuung, Röntgenbeugung und Photolumineszenz (PL) von Ge(1-x-y)Si(x)Sn(y) Proben mit an Ge angepassten Gitterkonstanten wird die Abhängigkeit von Größe der direkten Bandlücke und der Materialkomposition mit einer quadratischen Gleichung beschrieben. Weiterhin wird die Bandanordnung der elementaren Halbleiter Si, Ge und Sn an Grenzflächen untersucht. Anhand von Kohn-Sham basierter Density Functional Theory (DFT) in Kombination mit Local Density Approximation (LDA) berechneten Bandstrukturen von Grenzflächen zwischen Elementarhalbleitern wird der Versatz im Valenzband zwischen Si, Ge und Sn untersucht. Es wird gezeigt, dass aufgrund zu kleiner Bandlücken resultierend aus dem Kohn-Sham-Ansatz in Verbindung mit der LDA ein unphysikalischer „Broken Gap“ Versatz zwischen Ge und Sn Bändern entsteht. In einer dritten Studie werden die PL-Spektren von Ge Quantentöpfen mit Si Barrieren untersucht. Um die Abhängigkeit der PL-Spektren von Anregungsintensität und Temperatur zu verstehen, wird ein selbstkonsistentes Effektives-Massen-Model entwickelt. Mit diesem Model ist es möglich den Einfluss von Temperatur und Bandauffüllung auf das PL-Spektrum zu untersuchen. / The SiGeSn semiconductor material system has recently attracted great interest due to its prospective potential for use in optoelectronics, electronics, and photovoltaics. While the binary alloy Si(x)Ge(1-x) and Ge(1-y)Sn(y) have already been well studied, the properties of bulk and heterostructures involving the Ge(1-x-y)Si(x)Sn(y) ternary alloy are largely unknown. In this thesis, we present the results of three theoretical/experimental-theoretical investigations concerning the SiGeSn material system. First, we investigate the compositional dependence of the direct band-gap of Ge(1-x-y)Si(x)Sn(y) alloys. Based on Rutherford backscattering, x-ray diffraction, and photoluminescence (PL) measurement of Ge(1-x-y)Si(x)Sn(y) alloys lattice-matched to Ge, we describe the compositional dependence of the band gap using a quadratic equation. We predict Ge(1-x-y)Si(x)Sn(y) alloys lattice-matched to Ge to be direct-band-gap semiconductors for Sn concentrations larger than 12%. Secondly, we investigate the band alignment between the elemental semiconductors Si, Ge, and Sn. Performing bulk and interface calculations using density functional theory (DFT) in combination with the local density approximation (LDA), we attempt to calculate the valence band offset between the elemental semiconductors. We find that the Kohn-Sham based DFT-LDA calculations are flawed by the underestimation of the band-gaps of the elemental semiconductors, which leads to a false broken gap band alignment between Ge and Sn. Third, we study the PL of ultrathin Ge multiple quantum well (multiple-QW) structures grown on Si. To understand the excitation density and temperature related shifts of the PL spectra of the sample, we develop a self-consistent multivalley effective mass model. Using second-order perturbation theory, we calculate the indirect phonon-assisted radiative spontaneous recombination rate together with the no-phonon peak energy and compare our results to the experimental results.

In dieser Dissertationen werden Untersuchungen zur Verwendung von Klebstoffen auf der Oberfläche von Silizium-Streifen-Sensoren für die Konstruktion von Detektormodulen für das ATLAS Phase-II Upgrade vorgestellt. Drei UV-härtende Klebstoffe wurden im Vergleich zu dem derzeitigen Standard-Klebstoff an 60 ATLAS07 Miniatur-Sensoren getestet. Der Einfluss von Bestrahlung auf die chemische Zusammensetzung aller verwendeten Klebstoffe wurde unter Verwendung von Standardmethoden zur chemischen Analyse untersucht. Mithilfe der Gaschromatographie-Massenspektrometrie-Analysen von Klebstoffproben-Extrakten wurden verschiedene Ausmaße von Molekülvernetzung und gelösten Molekülbindungen festgestellt und der Grad von Strahlenhärte aller untersuchten Klebstoffe quantifiziert. Mithilfe einer Sensor-Probestation wurden die elektrischen Eigenschaften von teilweise mit Kleber bedeckten Sensoren untersucht. Im Vergleich zu Sensoren vor dem Bekleben zeigten mit Klebstoff bedeckte Sensoren einen erhöhten Leckstrom, erhöhte Zwischen-Streifen-Kapazitäten sowie Durchbrüche des Leckstroms bei niedrigeren angelegten Spannungen. Messungen der Ladungssammlungseffizienz in einem Beta-Strahlungs-Teststand wurden verwendet um den Einfluss von aufgetragenen Klebstoffen auf das Silizium-Kristallgitter zu untersuchen. Alle getesteten Sensoren - mit und ohne aufgebrachtem Klebstoff - zeigten vergleichbare Ladungssammlungseffizienzen sowie Signal-Rausch-Verhältnisse oberhalb des geforderten Minimums von zehn bei der vorhergesehenen Verarmungsspannung. Untersuchungen von Sensoren in Teststrahlmessungen zeigten außerdem, dass Sensoren um die zum Drahtbonden verwendeten Aluminiumflächen ungleichmäßig Ladung sammelten. Weiterführende Messungen konnten bestätigen, dass durch die Aluminiumflächen und darunterliegende Dotierungen das elektrische Feld innerhalb des Sensors verändert und zusätzliche Ladung um die Drahtbond-Flächen gesammelt wurde. / This thesis presents studies investigating the use of adhesives on the active area of silicon strip sensors for the construction of silicon strip detector modules for the ATLAS Phase-II Upgrade. 60 ATLAS07 miniature sensors were tested using three UV cure glues in comparison with the current baseline glue. The impact of irradiation on the chemical composition of all adhesives under investigation was studied using three standard methods for chemical analysis. Gas chromatography combined with mass spectrometry analyses of glue sample extracts showed molecule cross-linking and broken chemical bonds to different extents and allowed to quantify the radiation hardness of the adhesives under investigation. Probe station measurements were used to investigate electrical characteristics of sensors partially covered with adhesives. The presence of glue on the active sensor area was found to increase the sensor leakage current and inter-strip capacitance and frequently led to early sensor breakdowns. Charge collection efficiency measurements in a $\beta$-source setup were used to study the influence of adhesives on the silicon bulk. All sensors under investigation showed equivalent charge collection efficiencies for sensors with and without glue, as well as signal-to-noise ratios above the required minimum of ten for the foreseen bias voltage. During testbeam studies, sensor strips were found to respond inhomogeneously in bond pad regions. Follow-up measurements confirmed that the presence of bond pads affects the electric field within a sensor and leads to additional charge being collected around bond pads.

Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung einer Hybridsolarzelle, in der der anorganische Halbleiter Silizium, das organische Polymer und das Kontaktsystem so aufeinander abgestimmt sind, dass ihre Kombination zu einem Bauelement mit hohem Wirkungsgrad führt. Um dieses Ziel zu erreichen wurden verschiedene Maßnahmen ergriffen. Neue Polymermaterialien, abgeleitet von dem prototypischen organischen Halbleiter poly(3-hexylthiophen 2,5 diyl) (P3HT), namentlich poly(3-[3,6-dioxaheptyl]-thiophen) (P3DOT) und poly(3-[2,5,8-trioxanonyl]-thiophen) (P3TOT), wurden umfassend hinsichtlich ihrer Struktur untersucht. Poly thiophen/c-Si hybride Solarzellen, hergestellt aus diesen neuen Polymeren, erreichten Effizienzen bis zu 11 %. Die vollständigen Banddiagramme dieser Poly thiophen/c-Si Hybridgrenzflächen wurden mittels Photoelektronenspektroskopie aufgenommen. Außerdem wurde der Einfluss des Kontaktsystems auf die darunter liegenden Schichten mittels Oberflächenspannungsspektroskopie untersucht. Das Resultat dieser Messungen weißt eine Inversionslage unter der Siliziumoberfläche nach, die sich aufgrund des verwendeten semitransparenten Metallkontaktes formt. Dadurch lassen sich diese Bauteile als MIS Inversionsschicht Solarzelle kategorisieren. Um die Hybridsolarzellen weiter zu verbessern, wurde versucht den semitransparenten Metallkontakt durch Graphen zu ersetzen. Das Graphen wurde durch einen CVD-Prozess gewachsen und erreichte eine laterale Ausdehnung von bis zu 1 cm2. Der Übertrag auf die Solarzelle erfolgte mittels eines Wasser und Zerstörungsfreiem Transferprozess. Trotz dem erfolgreichen Aufbringen des Graphen limitierte ein geringer Füllfaktor aufgrund der geringen Ladungsträgerdichte im Graphen den Wirkungsgrad der Solarzelle. In einem letzten Schritt wurde das Polymer P3HT zum ersten Mal mit polykristallinen Siliziumabsorbern kombiniert. Die invertierte Zellstruktur, die hierbei zu Anwendung kam, erhöhte die Lebensdauer der Solarzelle erheblich. / The scope of this thesis was the development of a hybrid solar cell based on silicon in which the inorganic semiconductor, the organic polymer and the contact system are combined in such a manner to result in a photovoltaic device with high power conversion efficiency. To reach this goal several measures were taken. New polymer materials derived from the prototypical organic semiconductor poly(3-hexylthiophene 2,5 diyl) (P3HT), namely poly(3-[3,6-dioxaheptyl]-thiophene) (P3DOT) and poly(3-[2,5,8-trioxanonyl]-thiophene) (P3TOT), were extensively characterized regarding its structural properties. Poly thiophene/c-Si hybrid solar cells fabricated from these new polymers exhibited power conversion efficiencies up to 11 %. The energy level alignment of these poly thiophene/c Si hybrid interfaces was studied using photoelectron spectroscopy. Furthermore, the influence of the contact system on the underlying wafer is investigated with surface photovoltage measurements. The measurements revealed the formation of an inversion layer beneath the silicon surface due to the semitransparent metal contact used in the devices. Therefore, these devices can be classified as MIS inversion layer solar cells. To further improve the hybrid poly thiophene/c-Si solar cells by substituting the semitransparent metal contact, graphene was implemented in the device design as a transparent front contact. The CVD grown graphene sheet had a lateral size of up to 1 cm2 and was applied onto the solar cell using a non-destructive and water-free transfer process. However, despite the successful transfer the power conversion efficiency was restricted by the low fill factor due to a low charge carrier density in the graphene. As a last step, hybrid solar cells in the combination P3HT/polycrystalline silicon absorbers on glass were fabricated for the first time. The inverted device structure used for these solar cells proved beneficial for the lifetime. These devices were stable for up to 3 months.