DE102009047483A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Chalkopyrit-Absorberschichten in Solarzellen - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Chalkopyrit-Absorberschichten in Solarzellen Download PDF

Info

Publication number
DE102009047483A1
DE102009047483A1 DE200910047483 DE102009047483A DE102009047483A1 DE 102009047483 A1 DE102009047483 A1 DE 102009047483A1 DE 200910047483 DE200910047483 DE 200910047483 DE 102009047483 A DE102009047483 A DE 102009047483A DE 102009047483 A1 DE102009047483 A1 DE 102009047483A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
reaction box
sulfur
docking system
selenium
source
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE200910047483
Other languages
English (en)
Inventor
Philipp Schmidt-Weber
Diana FÖRSTER
Alexander Meeder
Ulrich Hornauer
Hartmuth Antal
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SULFURCELL SOLARTECHNIK GmbH
Original Assignee
SULFURCELL SOLARTECHNIK GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SULFURCELL SOLARTECHNIK GmbH filed Critical SULFURCELL SOLARTECHNIK GmbH
Priority to DE200910047483 priority Critical patent/DE102009047483A1/de
Priority to PCT/EP2010/068289 priority patent/WO2011067179A2/de
Publication of DE102009047483A1 publication Critical patent/DE102009047483A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02614—Transformation of metal, e.g. oxidation, nitridation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58—After-treatment
    • C23C14/5846—Reactive treatment
    • C23C14/5866—Treatment with sulfur, selenium or tellurium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02568—Chalcogenide semiconducting materials not being oxides, e.g. ternary compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
    • H01L21/67109—Apparatus for thermal treatment mainly by convection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
    • H01L31/0322—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312 comprising only AIBIIICVI chalcopyrite compounds, e.g. Cu In Se2, Cu Ga Se2, Cu In Ga Se2
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Chalkopyrit-Absorberschichten in Solarzellen sowie ein dazugehöriges Verfahren. Die Vorrichtung umfasst dazu die folgenden Komponenten:
– eine dichtend verschließbare Reaktionsbox zur Aufnahme eines mit wenigstens einer Vorläuferschicht beschichteten Substrats;
– eine Schwefel- und/oder Selenquelle zur Bereitstellung eines Schwefel- und/oder Selendampfes mit vorgebbarer Temperatur und Druck; und
– ein Andocksystem, das zum zeitweiligen Verbinden der Reaktionsbox mit der Schwefel- und/oder Selendampfquelle ausgelegt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Chalkopyrit-Absorberschichten in Solarzellen sowie ein dazugehöriges Verfahren.
  • Stand der Technik und technologischer Hintergrund
  • Dünnschicht-Solarzellen auf Basis von Chalkopyrit-Halbleiterschichten – auch allgemein als CIS-Solarzellen bezeichnet – stellen eine effiziente und kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Technologien in der Photovoltaik dar. Die Herstellung kann derart erfolgen, dass metallische Vorläuferschichten (auch Precursor genannt) mit Schwefel und/oder Selen zu I-III-VI2-Chalkopyrit-Absorberschichten, das heißt Verbindungen der allgemeinen Formel Cu(InxGa1-x)(Sey, S1-y)2 mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1, in einer Reaktionskammer eines RTP-Ofens umgesetzt werden. Die Precursor bestehen demnach aus Cu und In/Ga, können aber auch weitere Elemente, wie Cu, Zn, Sn, Ag, Sb, Sn, Zn oder Fe enthalten. Die Vorläuferschichten befinden sich auf geeigneten Trägersubstraten, die aus Glas, Keramik, Metall oder aus Kunststoffen bestehen können. Sie weisen üblicherweise Schichtdicken im Bereich von 0,1 bis 5 μm auf. Die Trägersubstrate können bereits mit Barriereschichten vorbeschichtet sein, um Verunreinigungen aus dem Glas von dem Precursor fernzuhalten. Solche Barriereschichten können Siliziumverbindungen sein, zum Beispiel Siliziumnitrit.
  • Die Umsetzung der metallischen Precursor-Schichten erfolgt mit einem Element der Gruppe VI, im vorliegenden Verfahren Schwefel und/oder Selen (im weiteren Chalkogen genannt). Die Umsetzung erfolgt bei erhöhten Temperaturen unter Energiezufuhr in einem sogenannten RTP-Ofen (rapid thermal processing).
  • Bekannt ist eine Chalkogen-Versorgung von Precursorn mit gasförmigem Chalkogen, welches in separaten Quellen aus der flüssigen Phase verdampft wird und über geeignete Zuführungen in die Reaktionskammer, zum Beispiel eine Selen-Dusche eingebracht wird, siehe beispielsweise Gabor et al., High-efficiency CuInxGa1-xSe2 solar cells made from (InxGa1-x)2Se3 precursor films, Appl. Phys. Lett. 65 (2), 1994, 198–200.
  • Es sind auch Verfahren bekannt, die mit flüchtigen Verbindungen arbeiten (H2S oder H2Se). Die flüchtigen Verbindungen werden mit geeigneten Zuführungen in den Reaktionsraum eingebracht.
  • Außerdem üblich ist auch das Verdampfen von Schwefel oder Selen aus Verdampferquellen, zum Beispiel Knudsenzellen, im Hochvakuum.
  • Bekannt ist schließlich auch das Einbringen von Schwefel in fester Form in den Reaktionsraum. Dabei werden Schwefelpulver oder Schwefelplättchen neben das Substrat in eine Petri-Schale gelegt.
  • Die mit dem Precursor beschichteten Substrate werden in einen Reaktionsraum eingebracht. Der Reaktionsraum kann eine beliebige Form haben und kann aus Metall, Glas oder Grafit bestehen, welches jeweils unbeschichtet oder beschichtet ist. Der Reaktionsraum kann Öffnungen und Ventile enthalten (Öffnungen zum Be- und Entladen, Türen, Flansche, Vakuumschieber) und kann evakuierbar sein (Fein- oder Hochvakuum-Bereich).
  • Die Substrate mit dem Precursor können direkt in den Reaktionsraum eingebracht werden, in dem sie auf den Boden gelegt werden oder in geeigneten Halterungen senkrecht oder waagerecht eingestellt oder eingehängt werden.
  • Nach der DE 199 36 081 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Tempern von Precursor-Schichten in einem RTP-Ofen bekannt, nach denen das beschichtete Substrat in einen Behälter eingebracht wird, der einen Boden und einen Deckel aus Glaskeramik aufweist. Zweck der Unterbringung in dem Behälter ist die gezielte Energiezufuhr zum Substrat von der einen Seite und zum Precursor von der anderen Seite, wobei die transparenten Abdeckungen des Behälters Filter für einen bevorzugten Strahlungsbereich bilden.
  • DE 10 2005 062 977 B3 beschreibt ein Verfahren zur Umsetzung metallischer Vorläuferschichten mit Schwefel und/oder Selen zu Chalkopyritschichten von CIS-Solarzellen in einer Reaktionskammer eines RTP-Ofens, wobei ein mit den Vorläuferschichten beschichtetes Substrat sowie eine für die Umsetzung ausreichende Menge Schwefel und/oder Selen in eine dichtend verschließbare, mit mindestens einem von außerhalb der Reaktionskammer steuerbaren Auslassventil versehene Reaktionsbox eingelegt wird, die ihrerseits in die Reaktionskammer des RTP-Ofens eingebracht wird. Die Reaktionskammer wird dann evakuiert, mit dem Substrat in der Reaktionskammer auf eine vorgesehene Temperatur aufgeheizt und über eine bestimmte Prozesszeit auf dieser Temperatur gehalten, wobei während der Prozesszeit der Druck in der Reaktionsbox gemessen und über das mindestens eine Auslassventil gesteuert wird. Eine geeignete Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einer mit einem mit dem Precursor beschichteten Substrat sowie einer für die Reaktion ausreichenden Menge Schwefel und/oder Selen beschickbaren, dichtend verschließbaren und mit mindestens einem von außerhalb der Reaktionskammer steuerbaren Auslassventil versehenen Reaktionsbox, deren Innendruck mit einem Sensor messbar ist. Nachteilig an der in DE 10 2005 062 977 B3 beschriebenen Prozessführung ist, dass eine unabhängige Aufheizung von Chalkogen und Substrat nicht möglich ist, was die Prozessführung mit Sicht auf die Vorgabe von Temperatur und Druck deutlich einschränkt. Weiterhin ist eine Variation der Dosierung des Chalkogens während des Prozesses nicht möglich. Es hat sich jedoch gezeigt, dass zur Optimierung des Wirkungsgrades von nach dem Verfahren hergestellten Solarzellen, eine separate Steuerung der Chalkogentemperatur und -dosierung vorteilhaft wäre.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine oder mehrere der genannten Nachteile werden mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Chalkopyrit-Absorberschichten in Solarzellen behoben oder zumindest gemindert. Die Vorrichtung umfasst dazu die folgenden Komponenten:
    • – eine dichtend verschließbare Reaktionsbox zur Aufnahme eines mit wenigstens einer Vorläuferschicht beschichteten Substrats;
    • – eine Schwefel- und/oder Selenquelle zur Bereitstellung eines Schwefel- und/oder Selendampfes mit vorgebbarer Temperatur und Druck; und
    • – ein Andocksystem, das zum zeitweiligen Verbinden der Reaktionsbox mit der Schwefel- und/oder Selendampfquelle ausgelegt ist.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Vorteile einer Prozessführung in einer dichtend verschließbaren Reaktionsbox, wie sie beispielsweise in DE 10 2005 062 977 B3 beschrieben ist, erhalten lassen, aber dennoch eine separate Steuerung der Chalkogentemperatur, des Chalkogendrucks und der Chalkogendosierung erreichen lässt, wenn das erfindungsgemäße Andocksystem Anwendung findet. Das Andocksystem ist so ausgelegt, dass Reaktionsbox und Schwefelquelle sich voneinander trennen lassen, derart, dass die Reaktionsbox an der Anschlussstelle verschlossen bleibt. Das Andocksystem beinhaltet demnach auf Seiten der Reaktionsbox zumindest eine Anschlussstelle, üblicherweise in Form eines Ventils. Weiterhin beinhaltet das Andocksystem eine Anschlussstelle für die Chalkogenquelle und entsprechende Zuleitungen, die einen Transport des Chalkogens von der Chalkogenquelle zur Reaktionsbox ermöglichen.
  • Die Vorrichtung kann einen RTP-Ofen zur Aufnahme und zum Beheizen der Reaktionsbox umfassen, der vorzugsweise als Durchlaufofen ausgelegt ist und ein oder mehrere Heizkammern enthält.
  • Das Andocksystem weist insbesondere eine Anschlussstelle für die Reaktionsbox auf, die ein Kugelventil umfasst. Auf Seiten der Reaktionsbox findet sich eine komplementäre Anschlussstelle (Öffnung). Beim Anschließen des Andocksystems an die Reaktionsbox wird das Kugelventil geöffnet und eine Verbindung zur Chalkogenquelle freigegeben.
  • Vorzugsweise umfasst das Andocksystem zumindest ein schaltbares Ventil. Besonders bevorzugt sind zwei schaltbare Ventile vorgesehen, je Verbindungsstelle zwischen Andocksystem und Reaktionsbox bzw. zwischen Andocksystem und Schwefelquelle.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass das Andocksystem beheizbare Rohrleitungen umfasst, insbesondere alle Komponenten des Andocksystems regelbar beheizbar sind. Die Komponenten können dabei aus Metall, wahlweise aber auch aus Graphit und oder Keramik bestehen.
  • Das Andocksystem kann ferner einen oder mehrere Faltenbalge umfassen, um eine hohe Beweglichkeit des Andocksystems bei geringer Spannungsbelastung zu gewähren. Die Faltenbalge reagieren zum Beispiel pneumatisch und bewegen einen Teil des Andocksystems mit der Anschlussstelle für die Reaktionsbox gezielt in Richtung Reaktionskammer.
  • Die Vorläuferschichten zur Erzeugung von Chalkopyrit-Absorberschichten umfassen:
    • – metallische Beschichtungen aus Cu, Ga und In sowie ggf. weiteren Elementen, wie Cu, Zn, Sn, Ag, Sb, Sn, Zn oder Fe;
    • – mit einem Chalkogen, insbesondere Selen, beschichtete metallische Beschichtungen der vorgenannten Zusammensetzung; oder
    • – bereits mit einem Chalkogen umgesetzte Chalkopyrit-Vorläuferschichten, insbesondere Cu(In, Ga)Se2.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Betrieb der vorab beschriebenen Vorrichtung zur Erzeugung von Chalkopyrit-Absorberschichten in Solarzellen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    • a) Einbringen des mit wenigstens einer Vorläuferschicht beschichteten Substrats in die Reaktionsbox und Verschließen der Reaktionsbox;
    • b) Aufheizen der Reaktionsbox; und
    • c) Verbinden der Reaktionsbox mit der Schwefel- und/oder Selendampfquelle über das Andocksystem und Einbringen einer definierten Menge an Schwefel und/oder Selen in die Reaktionsbox über das Andocksystem.
  • Das Andocksystem wird demnach mit der aufgeheizten Reaktionsbox verbunden und der Schwefeldampf beziehungsweise Selendampf tritt in die aufgeheizte Reaktionsbox ein. Die Temperatur im Schritt c) liegt vorzugsweise bei 300 bis 600°C. Die Temperatur des Chalkogendampfes kann über die Temperatur der Chalkogenquelle, hilfsweise auch über die Temperatur des Andocksystems eingestellt werden.
  • Das Aufheizen der Reaktionsbox im Schritt b) kann entsprechend eines vorgebbaren Temperaturprofil erfolgen, zum Beispiel kann in einer ersten Phase zunächst eine thermisch induzierte Wandlung der im Schritt a) eingebrachten Vorläuferschicht erzwungen werden, ohne dass bereits zu diesem Zeitpunkt über das Andocksystem ein Chalkogen zugeführt wird.
  • So kann beispielsweise die Vorläuferschicht eine mit Selen beschichtete metallische Beschichtung aus Cu, In und Ga sein. Im Schritt b) wird zunächst entsprechend einem ersten Temperaturprofil eine Schicht aus Cu(In, Ga)Se2 erzeugt. Anschließend wird die Reaktionsbox entsprechend einem zweiten Temperaturprofil beheizt und im Schritt c) mit einer Schwefelquelle verbunden. Über diese Variante des Verfahrens lassen sich in besonders einfacher und zuverlässiger Weise Chalkopyrit-Absorberschichten erzeugen, die oberflächennah eine Zusammensetzung der Formel Cu(In, Ga)(Sey, S1-y)2 mit 0 < y < 1 zeigen, wobei üblicherweise an der Oberfläche in etwa eine Zusammensetzung entsprechend der Formel Cu(In, Ga)(S, Se)2 zu finden ist und der Schwefelanteil bis zu einer Tiefe von etwas 200 nm graduell in der Chalkopyrit-Absorberschicht abfällt. Alternativ ist die Vorläuferschicht bereits eine Schicht aus Cu(In, Ga)Se2, die entsprechend Schritt b) erhitzt wird und im Schritt c) mit einer Schwefelquelle verbunden.
  • Auch im Schritt c) kann die Reaktionsbox entsprechend einem vorgebbaren Temperaturprofil beheizt werden, um den Prozess zu optimieren. Im Schritt c) herrscht vorzugsweise ein Druck zwischen 0,01 mbar bis 100 mbar. Eine Dauer des Schrittes c) liegt vorzugsweise unter 3 Minuten.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und den dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Erzeugung von Chalkopyrit-Absorberschichten; und
  • 2 ein Andocksystem, wie es Verwendung in der Vorrichtung der 1 finden kann.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • 1 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung von Chalkopyrit-Absorberschichten eines Solarmoduls. Eine Reaktionsbox 10 wird in eine Reaktionskammer 16 eines RTP-Ofens eingebracht.
  • Die Reaktionsbox 10 ist eine flache Grafitbox mit einem semitransparenten Deckel 12 aus Glaskeramik. Die Reaktionsbox 10 wird gegen den Deckel 12 mit einer hochtemperaturfesten Dichtung gedichtet. Zum Be- und Entladen der Reaktionsbox 10 wird der Deckel 12 entfernt. Die Reaktionsbox 10 wird mit einem Trägersubstrat 15 aus Glas bestückt, aus dem nach dem erfolgten Prozess ein Solarmodul gefertigt wird. Das Trägersubstrat 15 ist beispielsweise mit Molybdän (0,1 bis 2 μm Schichtdicke), Kupfer (0,1 bis 2 μm Schichtdicke) und Indium (0,1 bis 2 μm Schichtdicke) beschichtet. Die Reaktionsbox 10 wird mit dem transparenten Deckel 12 verschlossen und anschließend in eine Reaktionskammer 16 eines RTP-Ofens eingebracht.
  • Die Reaktionsbox 10 wird mit dem Deckel 12 aus Glaskeramik verschlossen und anschließend in eine Vakuumapparatur eingebracht. Die Reaktionsbox 10 wird evakuiert, anschließend wird das steuerbare Ventil 14 geschlossen und die Reaktionsbox 10 gemäß einem ersten Temperaturprofil für eine erste Zeitspanne und unter einem ersten Druckprofil geheizt. Die Heizung erfolgt in der Reaktionskammer des RTP-Ofens mit Quarzstrahlern 18, die ober- und unterhalb der Reaktionsbox 10 in der Reaktionskkammer 16 angebracht sind. Die Reaktionsbox 10 wird während dieses ersten Teilschrittes des Prozesses von Raumtemperatur auf Prozesstemperatur (300 bis 600°C) erhitzt. Der Heizvorgang dauert zwischen 1 und 60 Minuten. Während das Heizvorgangs wird der aktuelle Druck in der Reaktionsbox 10 permanent gemessen. Die Verbiegung des elastischen Deckels 12 wird dabei optisch durch einen Sensor 19 detektiert. Außerdem kann der Druck in der Reaktionskammer 16 über einen Drucksensor 20 gemessen werden. Während des Heizvorganges werden über den gesamten Verlauf spezielle Druckprofile eingestellt und eingehalten. In der Reaktionsbox 10 werden vor Prozessbeginn über die Zuführung von Inertgas über ein Ventil 21 definierte Drücke (zwischen 0.1 und 100 hPa) eingestellt.
  • Jeweils an einem Ende der Reaktionsbox 10 befindet sich ein Ventilblock (hier nicht sichtbar), der Überdruckventile 13 sowie ein steuerbares Ventil 14 enthält, über welches der gewünschte Druck während des Prozesses softwaregesteuert eingestellt werden kann.
  • An diesem Ventilblock befindet sich eine Anschlussstelle für ein Andocksystem. Im entspannten Zustand wird über einen Federmechanismus von Innen heraus die Anschlussstelle zum Andocksystem abgedichtet. Kommt es zum Kontakt zwischen Andocksystem und Ventilblock, wird die Feder in den Ventilblock gedrückt und ein halbkugelförmiges Ende des Andocksystems wird durch den Unterdruck fest in das Gegenstück im Ventilblock gezogen.
  • 2 zeigt im Detail ein Andocksystem 30, mit dem ein temporärer Anschluss einer Schwefelquelle 32 erfolgen kann. An einer Seite der Reaktionsbox 10 ist das Andocksystem 30 angeordnet. Beim Einfahren der Reaktionsbox 10 in eine geeignete Öffnung 34 der Reaktionsbox 10 wird hier eine dichte Verbindung hergestellt. Auf Seiten des Andocksystems ist ein Kugelventil 35 vorgesehen, das beim Einfahren geöffnet wird.
  • Die Rohrleitungen 36 mit einem Querschnitt zwischen 5 und 20 mm werden auf 100 bis 500°C geheizt. Die Rohrleitungen 36 führen zu einer Schwefelquelle 32, die ihrerseits auf 100 bis 500°C geheizt ist. Die Rohrleitungen 36 sind mit dem Evakuieren der Kammer ebenfalls evakuiert worden. Im Ausführungsbeispiel befindet sich Schwefel in der Schwefelquelle 32, der durch softwaregesteuerte Evakuiervorrichtungen und Heizelemente verflüssigt wird. Es liegen Temperaturen zwischen 100 bis 500°C vor. Der überstehende Schwefeldampf verursacht einen Druck von 30 bis 200 mbar. Über ein steuerbares Ventil 38 und die Rohrleitungen 36 kann der Schwefeldampf softwaregesteuert zu einem definierten Zeitpunkt in die Reaktionsbox 10 überführt werden. Da die Druck und Temperaturverhältnisse in Schwefelquelle 32 und Reaktionsbox 10 überwacht werden, kann die Menge an Schwefel, die in die Reaktionsbox 10 gelangt, über die Öffnungszeiten des Ventils 38 gesteuert werden.
  • Der Schwefel gelangt demnach über das Andocksystem 30 in die Reaktionsbox 10. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Ventil 38 zwischen 10 und 60 Sekunden geöffnet. Anschließend wird gemäß einem zweiten Temperaturprofil für eine zweite Zeitspanne und unter einem zweiten Druckprofil geheizt.
  • Nach Ende der Reaktion der Vorläuferschicht mit dem zugeführten Schwefel werden die Quarzstrahler 17 abgeschaltet und die Reaktionsbox 10 wird auf Raumtemperatur abgekühlt. Der überschüssige Schwefel wird über das Andocksystem 30 abgepumpt.
  • Nach einer Ausführungsvariante des Verfahrens wird eine Vorläuferschicht aus einem Schichtstapel Cu, Ga, In, Se in einer ersten Heizkammer eines RTP-Durchlaufofens thermisch reaktiv zu Cu(In, Ga)Se2 umgesetzt. In einer weiteren Heizkammer des Ofens wird diese Schicht dann auf eine Temperatur zwischen 300 und 500°C gebracht. Nach Anschluss des Andocksystems 30 wird Schwefeldampf in die Reaktionsbox 10 eingebracht. Nach erneutem thermisch reaktivem Umsetzen entsteht das Chalkopyrit Cu(In, Ga)(S, Se)2.
  • Gemäß einer weiteren Verfahrensvariante dient als Vorläuferschicht eine Schicht aus Cu(In, Ga)Se2. Nach Einstellen einer bestimmten Temperatur über die Quarzstrahler 17 (zwischen 100 bis 500°C) wird eine bestimmte Menge Schwefeldampf wie oben beschrieben über das Andocksystem 30 in die Reaktionsbox 10 geleitet. Die Menge des Schwefeldampfes ist dabei von der Schichtdicke der Vorläuferschicht abhängig. Überschüssiger Schwefel wird über eine Schwefelfalle und ein Vakuumsystem nach Reaktionende aus dem System entfernt. Anschließend wird das zu Cu(In, Ga)(S, Se)2 umgesetzte Substrat in eine weitere Kammer befördert. In dieser ebenfalls als Heizkammer ausgelegten Kammer kann das Substrat auf Temperatur gehalten werden (Annealing-Schritt), gekühlt oder erneut geheizt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19936081 A1 [0010]
    • DE 102005062977 B3 [0011, 0013]
    • DE 102005062977 [0011]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Gabor et al., High-efficiency CuInxGa1-xSe2 solar cells made from (InxGa1-x)2Se3 precursor films, Appl. Phys. Lett. 65 (2), 1994, 198–200 [0004]

Claims (8)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung von Chalkopyrit-Absorberschichten in Solarzellen, wobei die Vorrichtung folgende Komponenten umfasst: – eine dichtend verschließbare Reaktionsbox (10) zur Aufnahme eines mit wenigstens einer Vorläuferschicht beschichteten Substrats; – eine Schwefel- und/oder Selenquelle (32) zur Bereitstellung eines Schwefel- und/oder Selendampfes mit vorgebbarer Temperatur und Druck; und – ein Andocksystem (30), das zum zeitweiligen Verbinden der Reaktionsbox (10) mit der Schwefel- und/oder Selendampfquelle (32) ausgelegt ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Andocksystem (30) zumindest ein schaltbares Ventil (38) umfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Andocksystem (30) beheizbare Rohrleitungen (36) umfasst.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Andocksystem (30) auf Seiten der Reaktionsbox (10) ein Kugelventil (35) umfasst.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung einen RTP-Ofen zur Aufnahme und zum Beheizen der Reaktionsbox (10) umfasst.
  6. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Erzeugung von Chalkopyrit-Absorberschichten in Solarzellen, wobei die Vorrichtung folgende Komponenten umfasst: – eine dichtend verschließbare Reaktionsbox (10) zur Aufnahme eines mit wenigstens einer Vorläuferschicht beschichteten Substrats; – eine Schwefel- und/oder Selenquelle (32) zur Bereitstellung eines Schwefel- und/oder Selendampfes mit vorgebbarer Temperatur und Druck; und – ein Andocksystem (30), das zum zeitweiligen Verbinden der Reaktionsbox (10) mit der Schwefel- und/oder Selendampfquelle (32) ausgelegt ist; wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Einbringen des mit wenigstens einer Vorläuferschicht beschichteten Substrats in die Reaktionsbox (10) und Verschließen der Reaktionsbox (10); b) Aufheizen der Reaktionsbox (10); und c) Verbinden der Reaktionsbox (10) mit der Schwefel- und/oder Selendampfquelle (32) über das Andocksystem (30) und Einbringen einer definierten Menge an Schwefel und/oder Selen in die Reaktionsbox (10) über das Andocksystem (30).
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Vorläuferschicht eine Schicht aus Cu(In, Ga)Se2 ist und die Reaktionsbox (10) im Schritt c) mit einer Schwefelquelle (32) verbunden wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Vorläuferschicht eine mit Selen beschichtete metallische Beschichtung aus Cu, In und Ga ist, im Schritt b) zunächst entsprechend einem ersten Temperaturprofil eine Schicht aus Cu(In, Ga)Se2 erzeugt wird, anschließend die Reaktionsbox (10) entsprechend einem zweiten Temperaturprofil beheizt und im Schritt c) mit einer Schwefelquelle (32) verbunden wird.
DE200910047483 2009-12-04 2009-12-04 Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Chalkopyrit-Absorberschichten in Solarzellen Withdrawn DE102009047483A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200910047483 DE102009047483A1 (de) 2009-12-04 2009-12-04 Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Chalkopyrit-Absorberschichten in Solarzellen
PCT/EP2010/068289 WO2011067179A2 (de) 2009-12-04 2010-11-26 Vorrichtung und verfahren zur erzeugung von chalkopyrit-absorberschichten in solarzellen

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200910047483 DE102009047483A1 (de) 2009-12-04 2009-12-04 Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Chalkopyrit-Absorberschichten in Solarzellen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102009047483A1 true DE102009047483A1 (de) 2011-06-09

Family

ID=43971944

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE200910047483 Withdrawn DE102009047483A1 (de) 2009-12-04 2009-12-04 Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Chalkopyrit-Absorberschichten in Solarzellen

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102009047483A1 (de)
WO (1) WO2011067179A2 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012022744A1 (de) 2012-11-21 2014-05-22 Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie Gmbh Vorrichtung zum Einstellen einer Gasphase in einer Reaktionskammer

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19936081A1 (de) 1999-07-30 2001-02-08 Siemens Ag Vorrichtung und Verfahren zum Temperieren eines Mehrschichtkörpers, sowie ein unter Anwendung des Verfahrens hergestellter Mehrschichtkörper
JP2005126757A (ja) * 2003-10-23 2005-05-19 Matsushita Electric Ind Co Ltd 化合物薄膜の製造装置および方法
DE102005062977B3 (de) 2005-12-28 2007-09-13 Sulfurcell Solartechnik Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Umsetzung metallischer Vorläuferschichten zu Chalkopyritschichten von CIGSS-solarzellen
US20080175993A1 (en) * 2006-10-13 2008-07-24 Jalal Ashjaee Reel-to-reel reaction of a precursor film to form solar cell absorber

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1424735B1 (de) * 2001-07-06 2010-07-28 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Verfahren zur ausbildung einer lichtabsorbierenden schicht
US7442413B2 (en) * 2005-11-18 2008-10-28 Daystar Technologies, Inc. Methods and apparatus for treating a work piece with a vaporous element
WO2009051862A2 (en) * 2007-06-19 2009-04-23 Van Duren Jeroen K J Semiconductor thin films formed from non-spherical particles
DE102008008518A1 (de) * 2008-02-11 2009-08-13 Avancis Gmbh & Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Solarzellen und -modulen, insbesondere Dünnschicht-Solarmodulen
DE102008029028B3 (de) * 2008-05-14 2009-11-26 Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie Gmbh Vakuum-Druckmessvorrichtung für einen RTP-Vakuumofen
WO2010060646A1 (de) * 2008-11-28 2010-06-03 Volker Probst Verfahren zum herstellen von halbleiterschichten bzw. von mit elementarem selen und/oder schwefel behandelten beschichteten substraten, insbesondere flächigen substraten

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19936081A1 (de) 1999-07-30 2001-02-08 Siemens Ag Vorrichtung und Verfahren zum Temperieren eines Mehrschichtkörpers, sowie ein unter Anwendung des Verfahrens hergestellter Mehrschichtkörper
JP2005126757A (ja) * 2003-10-23 2005-05-19 Matsushita Electric Ind Co Ltd 化合物薄膜の製造装置および方法
DE102005062977B3 (de) 2005-12-28 2007-09-13 Sulfurcell Solartechnik Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Umsetzung metallischer Vorläuferschichten zu Chalkopyritschichten von CIGSS-solarzellen
US20080175993A1 (en) * 2006-10-13 2008-07-24 Jalal Ashjaee Reel-to-reel reaction of a precursor film to form solar cell absorber

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Gabor et al., High-efficiency CuInxGa1-xSe2 solar cells made from (InxGa1-x)2Se3 precursor films, Appl. Phys. Lett. 65 (2), 1994, 198-200

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012022744A1 (de) 2012-11-21 2014-05-22 Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie Gmbh Vorrichtung zum Einstellen einer Gasphase in einer Reaktionskammer
DE102012022744B4 (de) * 2012-11-21 2016-11-24 Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie Gmbh Vorrichtung zum Einstellen einer Gasphase in einer Reaktionskammer

Also Published As

Publication number Publication date
WO2011067179A3 (de) 2011-11-24
WO2011067179A2 (de) 2011-06-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102005062977B3 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Umsetzung metallischer Vorläuferschichten zu Chalkopyritschichten von CIGSS-solarzellen
WO2012119857A1 (de) Verfahren zur herstellung des pentanären verbindungshalbleiters cztsse, sowie dünnschichtsolarzelle
DE19717565C2 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Bildung von I-III-VI¶2¶-Dünnfilmschichten
WO2009135685A2 (de) Vorrichtung und verfahren zum tempern von gegenständen in einer behandlungskammer
DE102012109339B4 (de) CIGS Solarzellenstruktur und Verfahren zu deren Herstellung
DE102010061633A1 (de) Abkühlsystem und -verfahren für ein Dampfphasenabscheidungssystem
WO2011104235A1 (de) Vorrichtungen und verfahren zum abscheiden einer schicht auf einem substrat
WO2014013042A1 (de) Vermeidung von glasverbiegung bei thermischen verfahren
EP2108052A1 (de) Reaktives magnetron-sputtern zur grossflächigen abscheidung von chalkopyrit-absorberschichten für dünnschichtsolarzellen
DE102009011496A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Umsetzung metallischer Precursorschichten in halbleitende Schichten mit Chalkogenrückgewinnung
DE102008008518A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Solarzellen und -modulen, insbesondere Dünnschicht-Solarmodulen
DE102009053532B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Verbindungshalbleiterschicht
DE102009047483A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Chalkopyrit-Absorberschichten in Solarzellen
EP3411513B1 (de) Verfahren zum abscheiden einer cdte-schicht auf einem substrat
EP2371991B1 (de) Verfahren zum diskontinuierlichen Nachfüllen einer Selenverdampferkammer
DE102011055618A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Cadmiumsulfidschicht
EP2369034B1 (de) Verfahren zum Nachfüllen einer Selenverdampferkammer
DE102012022744B4 (de) Vorrichtung zum Einstellen einer Gasphase in einer Reaktionskammer
EP1064685B1 (de) Verfahren und anordnung zur herstellung dünner metallchalkogenid-schichten
DE102010028277B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer mit einem Halbleitermaterial beschichteten Glasscheibe und nach dem Verfahren erhältliche Solarzelle oder Solarmodul
DE102010018595A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Verbindungshalbleiterschicht
DE102015204803A1 (de) Beschichtetes Stahlbauteil, Verfahren zur Herstellung des Stahlbauteils und Herstellungsanlage
EP3039721B1 (de) Haftvermittlerschicht für dünnschichtsolarzellen
EP2936548B1 (de) Verfahren zur herstellung eines verbindungshalbleiters sowie dünnschichtsolarzelle
EP2238626B1 (de) Verfahren zur herstellung eines eine zweifach-pufferschicht aufweisenden heterokontaktes

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R082 Change of representative
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20130702