Amorphes Silicium

Amorphes Silicium (a-Si)ist eine nichtkristalline Form des reinenHalbleitersSilicium.Die Bezeichnungamorph(= ungeordnet) bezieht sich dabei auf die fehlendeFernordnungdes a-Si. Es ist einamorpher Halbleiter.

Struktur, elektronische und optische Eigenschaften

Amorphes Silicium ist eineModifikationdes Elements, d. h., es besteht aus denselben Atomen, die geometrisch anders zusammengesetzt sind. In derNahordnungist es mit kristallinem Silicium (c-Si) vergleichbar. DieBindungslängenund -winkel weichen dabei in der Fernordnung immer weiter von der periodischen Struktur des c-Si ab, so dass ab der vierten Bindungslänge keinerlei Korrelation in Abstand und Orientierung der Si-Atome mehr besteht. Dadurch kommt es zu vielennicht abgesättigten Bindungen(engl.dangling bonds) des Siliciums. Die ungepaarten Elektronen dieser Bindungen stellen lokalisierte Zustände in der Bandlücke dar, die dazu führen, dass dasFermi-Niveauin der Mitte der Bandlücke fixiert wird.EineDotierungdieses Materials verändert die Leitereigenschaften nicht, aus reinem amorphem Silicium können also keine Halbleiterbauelemente hergestellt werden. Abscheidung von Silicium auf kaltem, nichtkristallinem Substrat unter Einbau von Wasserstoff führt dazu, dass diese Defekte durchWasserstoffatomeabgesättigt werden.Dadurch entsteht hydrogenisiertes amorphes Silicium (a-Si:H). Die Herstellung erfolgt meist mittelsplasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung(PECVD) bei Temperaturen unterhalb von 200 °C. Dadurch wird die Zustandsdichte der Defekte sehr stark reduziert und das Dotieren amorphen Siliciums erst ermöglicht.

Amorphes Silicium verfügt über ein hohesAbsorptionsvermögenvon elektromagnetischen Wellen im optischen und nahinfrarotem Spektralbereich und kann daher beiSolarzellenmit besonders geringen Schichtdicken verwendet werden. Die üblichen Schichtdicken sind dabei etwa um einen Faktor 100 kleiner als bei kristallinem Silicium. Dies gleicht den durch die Defekte geringenWirkungsgradvon etwa 6 bis 8 % aus und macht a-Si wirtschaftlich für Anwendungen in derPhotovoltaikindustrieinteressant.

Weblinks

• Kristallines und Amorphes Silicium in der Solartechnik
• Amorphes Silizium für Solarzellen(Mementovom 19. Juli 2011 imInternet Archive) (PDF-Datei; 326 kB)

Literatur

• Charles Kittel:Einführung in die Festkörperphysik.11. Auflage. Oldenbourg Wissenschaftsverlag, München 1996,ISBN 3-486-23596-6(Originaltitel:Introduction to Solid State Physics.Übersetzt von Monika Ziegler).
• Peter Y. Yu,Manuel Cardona:Fundamentals of Semiconductors.Physics and Materials Properties. Springer, Berlin, Heidelberg 1996,ISBN 3-540-61461-3.