DE19605245A1 - Verfahren zur Erzeugung von Kristallisationszentren auf der Oberfläche eines Substrats - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung von Kristallisationszentren auf der Oberfläche eines SubstratsInfo
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Description
Photovoltaische Großanlagen für Leistungsanwendungen lassen
sich nur dann wirtschaftlich herstellen und betreiben, wenn
hocheffiziente, großflächige, langzeitstabile und aus umwelt
verträglichen Materialien kostengünstig gefertigte Solarzel
len zur Verfügung stehen. Zur Zeit existiert noch kein Solar
zellentyp, der allen diesen Anforderungen genügt. Die Fach
welt glaubt allerdings in der Weiterentwicklung polykri
stalliner Si-Dünnschicht-Solarzellen einen erfolgversprechen
den Weg zur Lösung der der Wirtschaftlichkeit von Solaranla
gen noch entgegenstehenden technologischen Probleme einge
schlagen zu haben.
Die Kosten für die Fertigung polykristalliner Si-Solarzellen
können durch Verwendung von Graphit als billigem Substratma
terial erheblich gesenkt werden. Das in Form von Wafern oder
dünnen Folien verfügbare Graphit weist zudem noch eine Reihe
vorteilhafter Materialeigenschaften auf. Es ist auch bei den
für die Abscheidung des Siliziums erforderlichen Temperaturen
T < 1000°C noch thermisch stabil und chemisch inert. Außerdem
besitzen Graphit und Silizium annähernd den gleichen Ausdeh
nungskoeffizienten, so daß sich während der einzelnen Prozeß
schritte keine thermischen Spannungen in den erzeugten
Schichtstrukturen aufbauen. Aufgrund seiner guten elektrisch
en Leitfähigkeit kann das Graphitsubstrat auch als rückseiti
ge Elektrode der auf ihm abgeschiedenen Solarzelle dienen.
Probleme bereitet allerdings die schlechte Benetzbarkeit des
Graphits durch Silizium.
Gut haftende, grobkörnige, polykristalline Si-Dünnschichten
mit texturierter Oberfläche lassen sich durch Anwendung der
aus [1] und [2] bekannten Verfahren auf amorphen Substraten
herstellen. Als Keime für das Aufwachsen des Siliziums dienen
regelmäßig angeordnete Vertiefungen in der Substratoberfläche
bzw. einheitlich orientierte, durch selektives Zurückätzen
einer polykristallinen Silizium-Dünnschicht erzeugte Si-Ein
kristalle.
Das unten beschriebene Verfahren ermöglicht es, Kristallisa
tionszentren für ein später abzuscheidendes Material an be
liebig vorgebbaren Stellen der nicht strukturierten Oberflä
che eines amorphen Substrats zu erzeugen. Durch Ausführen der
in Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens schritte läßt sich
beispielsweise die polierte Oberfläche eines Graphitsubstrats
mit periodisch angeordneten Si-Einkristallen versehen. Die
auf dem so präparierten Substrat abgeschiedene polykristal
line Si-Schicht besitzt dann eine grobkörnige Struktur mit
texturierter Oberfläche. Da die Korngröße in der durch das
Substrat definierten Ebene bis zu 100 µm beträgt und die
Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger demzufolge ent
sprechend groß ist, eignet sich das mit einer n- oder p-do
tierten Si-Dünnschicht versehene Graphitsubstrat insbesondere
als Basis für eine hocheffiziente Si-Solarzelle.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläu
tert, wobei die Fig. 1 ein amorphes Graphitsubstrat nach
Ausführung einzelner Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens
zeigt.
Ausgangspunkt des Verfahrens ist ein amorphes Graphitsubstrat
1, auf dessen gereinigter und polierter Oberfläche eine etwa
50-150 nm dicke Schicht 2 aus amorphem hydrogenisierten Si
lizium (a-Si:H) abgeschieden wird. Die Beschichtung des Sub
strats 1 erfolgt durch thermische Zersetzung eines Silan
(SiH₄) und Wasserstoff enthaltenden Gasgemischs in der Kammer
eines Hochfrequenz-Glimmentladungsreaktors. Mit Hilfe der
PECVD (Plasma-Enhanced-Chemical-Vapour-Deposition) -Methode
lassen sich a-Si:H-Dünnschichten ohne hohen energetischen
Aufwand (Abscheidetemperatur T ≈ 250°C) vergleichsweise ein
fach herstellen, wobei der Gasdruck während der Glimmentla
dung, die Strömungsgeschwindigkeit des Prozeßgases, die ein
gekoppelte Hochfrequenzleistung und vor allem die Substrat
temperatur die Schichteigenschaften beeinflussen. Die gewähl
ten Abscheideparameter für die Herstellung der a-Si:H-Schicht 2
sind in Tabelle I angegeben.
Um das amorphe Silizium innerhalb einer beliebig vorgebbaren
Anzahl nicht überlappender, vorzugsweise matrixförmig ange
ordneter und jeweils etwa 10-20 µm² großer Bereiche aufzu
schmelzen, bestrahlt man die betreffenden Stellen der Dünn
schicht 2 mit Licht 3 der Wellenlänge λ = 400-700 nm . Als
Lichtquelle dient beispielsweise ein Argon-Ionen-Laser, des
sen impulsförmig emittierte Strahlung einer sondenformenden
Optik zugeführt, in einer aus zwei Galvanometerspiegeln be
stehenden Einheit abgelenkt und von einer Objektivlinse in
die Ebene der Dünnschicht 2 fokussiert wird. Die von einem
Rastergenerator erzeugten Ablenkspannungen definieren die
Stellung der Galvanometerspiegel und damit die Lage des
Strahlflecks auf der Substratoberfläche. Das durch Bestrah
lung mit Laserlicht 3 verflüssigte Silizium zieht sich auf
grund starker Oberflächenkräfte zu einem Kügelchen 4 zusam
men, welches erstarrt und kristallisiert. Anschließend werden
die feinkristallinen Si-Kügelchen 4 einer Wasserstoffatmo
sphäre ausgesetzt und bei 1000-1200°C für etwa 5-30 Minu
ten getempert. Während dieses Prozeßschrittes wandeln sich
die feinkristallinen Si-Kügelchen 4 zu facettierten Einkris
tallen 5 um. Der durch das Bestrahlungsmuster vorgegebene Ab
stand der meist pyramidenförmigen Einkristalle 5 beträgt
typischerweise 50-100 µm.
Auf dem so präparierten Graphitsubstrat 1 kann man durch An
wendung des in [1] oder [2] näher beschriebenen LPD (Liquid-
Phase-Deposition)-Verfahrens eine grobkristalline Poly-Si-
Schicht abscheiden. In ersten Experimenten wurde festge
stellt, daß die etwa 600-1000°C heiße Metallschmelze die
Reste der a-Si:H-Dünnschicht 2 völlig auflöst, die ver
gleichsweise großen Si-Einkristalle 5 hingegen nur anätzt.
Nach dem Anlösungsvorgang beginnt dann das gewünschte later
ale Wachstum der polykristallinen Si-Schicht an den als Keim
zentren wirkenden Einkristallen 5. Ein spontanes Si-Wachstum
auf der sauberen und polierten Graphitoberfläche wird nicht
beobachtet. Da die Si-Keime 5 orientiert vorliegen, setzt
sich die meist pyramidenförmige Struktur in der aufwachsenden
Si-Schicht fort. Demzufolge ist auch die Oberfläche der etwa
10-30 µm dicken Schicht entsprechend texturiert.
Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf
das oben beschriebene Ausführungsbeispiel. So ist es ohne
weiteres möglich
- - auch Gläser, Keramiken, metallische Bleche als Substratma terialien zu verwenden;
- - das Substrat 1 mit einer dünnen a-Ge:H zu versehen;
- - die amorphe Schicht 2 durch thermisches Verdampfen, Sput tern, CVD (thermische Zersetzung von Silan bzw. German), Photo-CVD (photothermische Zersetzung von SiH₄ bzw. GeH₄) zu erzeugen;
- - das auf einem Positioniertisch montierte Substrat 1 relativ zu einer feststehenden Laserquelle zu verschieben;
- - mehrere Bereiche der amorphen Dünnschicht 2 gleichzeitig mit einer aufgefächerten Lasersonde zu bestrahlen.
[1] DE 43 17 565 A1
[2] EP 0 541 033 A2
[2] EP 0 541 033 A2
Claims (9)
1. Verfahren zur Erzeugung von Kristallisationszentren auf
der Oberfläche eines Substrats (1) durch Ausführen der fol
genden Schritte:
- - Abscheiden einer aus einem amorphen ersten Material beste henden ersten Schicht (2) auf dem aus einem amorphen zwei ten Material bestehenden Substrat (1),
- - Aufschmelzen des ersten Materials innerhalb einer Vielzahl nichtüberlappender, ein regelmäßiges Muster bildender Be reiche der ersten Schicht (2) durch Bestrahlung mit Photo nen (3),
- - Tempern des Substrats (1) und der ersten Schicht (2), so daß sich in den bestrahlten Bereichen Einkristalle (5) bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die bestrahlten Bereiche alle annähernd gleich groß und
in Form einer Matrix angeordnet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die bestrahlten Bereiche jeweils eine Fläche A= 10-20 µm²
aufweisen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Schicht (2) durch Zersetzen einer das erste Ma
terial enthaltenden Verbindung in einem Glimmentladungsreak
tor aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine aus amorphen Silizium bestehende erste Schicht (2)
der Dicke d = 50-200 nm auf dem Substrat (1) abgeschieden
wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Schicht (2) auf einem Graphitsubstrat (1) abge
schieden wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat (1) und die erste Schicht (2) bei einer Tem
peratur T = 900-1200°C für 5-30 Minuten getempert werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bereiche mit Licht der Wellenlänge λ = 400-700 nm
bestrahlt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Material innerhalb der nicht bestrahlten Berei
che entfernt wird.
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