DE102010018595A1 - Process for producing a compound semiconductor layer - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer I-III-VI Verbindungshalbleiterschicht (80), bei welchem ein Substrat (50) mit einer Beschichtung (63) versehen wird (10, 12), welche eine metallische Vorgängerschicht (57) aufweist, die Beschichtung (63) erwärmt und für die Dauer einer Prozesszeit auf Temperaturen von mindestens 350°C gehalten wird (16) und dabei die metallische Vorgängerschicht (57) unter Anwesenheit eines Chalkogens (58; 72) in die Verbindungshalbleiterschicht (80) umgewandelt wird (16), wobei zwischen einem überwiegenden Anteil (15a) einer freien Oberfläche (15a, 15b; 25) der Beschichtung (63) und einer Abdeckung (60; 70) während der Prozesszeit zumindest zeitweise ein flächiger Kontakt bereitgestellt wird (14; 24).Method for producing a I-III-VI compound semiconductor layer (80), in which a substrate (50) is provided (10, 12) with a coating (63) which has a metallic precursor layer (57) and heats the coating (63) and is maintained at temperatures of at least 350 ° C. for the duration of a process time (16) and the metallic precursor layer (57) is converted (16) into the compound semiconductor layer (80) in the presence of a chalcogen (58; 72), wherein between a predominant portion (15a) of a free surface (15a, 15b; 25) of the coating (63) and a cover (60; 70) during the process time at least a flat contact is provided (14; 24).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungshalbleiterschicht gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a method for producing a compound semiconductor layer according to the preamble of claim 1.
Eine umweltfreundliche und aufwandsgünstige Energieerzeugung ist ein zentrales Problem der heutigen Zeit. Ein Lösungsansatz für dieses Problem ist die photovoltaische Stromgewinnung aus Sonnenlicht mittels Solarzellen, bzw. Solarmodulen. Der Aufwand für die Stromerzeugung ist dabei umso geringer, je größer die Konversionseffizienz der Solarmodule und je geringer deren Herstellungskosten sind. Vor diesem Hintergrund sind so genannte Dünnschichtsolarmodule ein viel versprechender Lösungsansatz, da diese mit geringem Material- und Energieaufwand gefertigt werden können und zudem eine gute Konversionseffizienz, d. h. hohe Wirkungsgrade, ermöglichen. Insbesondere Dünnschichtsolarmodule auf Basis von I-III-VI-Verbindungshalbleitern haben sich bewährt. Hierunter fallen beispielsweise Verbindungshalbleiter aus einem Kupfer-Indium-Selenid (CIS) oder einem Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS).An environmentally friendly and low-cost energy generation is a central problem of today. One solution for this problem is photovoltaic power generation from sunlight using solar cells or solar modules. The cost of power generation is the lower, the greater the conversion efficiency of the solar modules and the lower their production costs. Against this background, so-called thin-film solar modules are a promising solution, since they can be manufactured with low material and energy expenditure and also have a good conversion efficiency, ie. H. high efficiencies allow. In particular, thin-film solar modules based on I-III-VI compound semiconductors have proven themselves. These include, for example, compound semiconductors of a copper indium selenide (CIS) or a copper indium gallium selenide (CIGS).
Verbindungshalbleiterschichten können auf verschiedene Weisen hergestellt werden, beispielsweise durch ein Koverdampfen der beteiligten Elemente. Eine andere Herstellungsmöglichkeit sind so genannte Depositions-Reaktions-Prozesse, bei welchen zunächst eine metallische Vorgängerschicht abgeschieden und diese im Weiteren mit Chalkogenen in einen Verbindungshalbleiter umgewandelt wird.Compound semiconductor layers can be prepared in various ways, for example by co-vapor deposition of the elements involved. Another production possibility are so-called deposition-reaction processes, in which first a metallic precursor layer is deposited and subsequently converted with chalcogens into a compound semiconductor.
Ein Depositions-Reaktions-Prozess, bei welchem die metallische Vorgängerschicht in einem schnellen Verfahren thermisch in die Verbindungshalbleiterschicht umgewandelt wird, ist in dem Dokument
In den internationalen Patentanmeldungen
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein aufwandsgünstiges Verfahren zur Herstellung einer I-III-VI-Verbindungshalbleiterschicht zur Verfügung zu stellen.Against this background, the object of the present invention is to provide a cost-effective method for producing an I-III-VI compound semiconductor layer.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This object is achieved by a method having the features of claim 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Unteransprüche.Advantageous developments are the subject of dependent claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass ein Substrat mit einer Beschichtung versehen wird, welche eine metallische Vorgängerschicht aufweist. Diese Beschichtung wird erwärmt und für die Dauer einer Prozesszeit auf Temperaturen von mindestens 350°C gehalten. Hierbei wird die metallische Vorgängerschicht unter Anwesenheit eines Chalkogens in eine I-III-VI-Verbindungshalbleiterschicht umgewandelt. Während der Prozesszeit wird zumindest zeitweise ein flächiger Kontakt zwischen einem überwiegenden Anteil einer freien Oberfläche der Beschichtung und einer Abdeckung bereitgestellt.The inventive method provides that a substrate is provided with a coating which has a metallic precursor layer. This coating is heated and maintained at temperatures of at least 350 ° C for the duration of a process time. Here, the metallic precursor layer is converted into an I-III-VI compound semiconductor layer in the presence of a chalcogen. During the process time, a surface contact between a predominant portion of a free surface of the coating and a cover is at least temporarily provided.
Das Bereitstellen eines flächigen Kontakts ist dabei dahingehend zu verstehen, dass dafür gesorgt wird, dass zumindest zeitweise während der Prozesszeit ein flächiger Kontakt zwischen dem überwiegenden Anteil der freien Oberfläche der Beschichtung und der Abdeckung vorliegt.The provision of a planar contact is to be understood in that it is ensured that at least at times during the process time there is a surface contact between the predominant portion of the free surface of the coating and the cover.
Unter der freien Oberfläche der Beschichtung sind vorliegend diejenigen Oberflächenanteile der Beschichtung zu verstehen, die nicht bereits ohne die Abdeckung in irgendeiner Weise unmittelbar bedeckt sind. Beispielsweise können Oberflächenanteile der Beschichtung durch das Substrat oder einen auf dem Substrat angeordneten Rückkontakt unmittelbar bedeckt sein. Eine Haube hingegen, welche die Beschichtung nicht oder nur stellenweise kontaktiert, bedeckt nicht kontaktierte Beschichtungsteile demzufolge allenfalls mittelbar.In the present case, the free surface of the coating means those surface portions of the coating which are not already directly covered without the cover in any way. For example, surface portions of the coating may be directly covered by the substrate or a back contact disposed on the substrate. On the other hand, a hood which does not contact the coating or only in places does not cover any contacted coating parts, if any, indirectly.
Der flächige Kontakt im Sinne der vorliegenden Erfindung ist nicht notwendigerweise aus einer zusammenhängenden Kontaktfläche gebildet. Dementsprechend handelt es sich bei dem überwiegenden Anteil der freien Oberfläche, welcher mit der Abdeckung zumindest zeitweise in einem flächigen Kontakt steht, nicht notwendigerweise um eine zusammenhängende Fläche. Die Abdeckung kann somit grundsätzlich auch aus mehreren, nicht notwendigerweise miteinander verbundenen Einzelabdeckungen gebildet sein.The flat contact according to the present invention is not necessarily formed from a continuous contact surface. Accordingly, the majority of the free surface, which is at least temporarily in planar contact with the cover, is not necessarily a contiguous surface. The cover can thus basically be formed of several, not necessarily interconnected individual covers.
Unter einer I-III-VI-Verbindungshalbleiterschicht ist vorliegend eine Schicht aus einem Verbindungshalbleiter zu verstehen, welcher aus Elementen der Gruppe IB des Periodensystems, beispielsweise Kupfer, aus Elementen der Gruppe IIIA des Periodensystems, beispielsweise Aluminium, Gallium oder Indium, und wenigstens einem Chalkogen aus der Gruppe VIA des Periodensystems, beispielsweise Schwefel, Selen oder Tellur, gebildet ist.An I-III-VI compound semiconductor layer is understood herein to mean a layer of a compound semiconductor which consists of elements of group IB of the periodic table, for example copper, of elements of group IIIA of the periodic table, for example aluminum, gallium or indium, and at least one chalcogen from the group VIA of the Periodic Table, for example sulfur, selenium or tellurium.
Dass die Beschichtung auf Temperaturen von mindestens 350°C gehalten wird, ist nicht dahingehend zu verstehen, dass die Beschichtung auf eine bestimmte Temperatur erwärmt und auf dieser bestimmten Temperatur während der gesamten Prozesszeit gehalten wird. Stattdessen sieht die Erfindung vor, dass die Beschichtung während der Prozesszeit beliebige Temperaturen größer oder gleich 350°C aufweist. Während der Prozesszeit kann die Temperatur der Beschichtung variieren, doch beträgt sie während der Prozesszeit stets mindestens 350°C.The fact that the coating is kept at temperatures of at least 350 ° C is not to be understood as meaning that the coating is heated to a certain temperature and held at this particular temperature during the entire process time. Instead, the invention provides that the coating during the process time any temperatures greater than or equal to 350 ° C. During the process time, the temperature of the coating may vary, but it is always at least 350 ° C during the process time.
Die Prozesszeit kann grundsätzlich von Phasen unterbrochen sein, in welchen die Temperatur der Beschichtung geringer ist als 350°C. Die Prozesszeit setzt sich in solch einem Fall aus der Summe derjenigen Zeiten zusammen, in welchen die Temperatur der Beschichtung größer oder gleich 350°C ist.The process time may in principle be interrupted by phases in which the temperature of the coating is less than 350 ° C. The process time in such a case is composed of the sum of those times in which the temperature of the coating is greater than or equal to 350 ° C.
Eine Beschichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung kann allein aus einer metallischen Vorgängerschicht, beispielsweise einer Schicht aufweisend die Metalle Kupfer, Gallium und Indium, bestehen oder weitere Bestandteile aufweisen, wie beispielsweise eine Chalkogenschicht, welche auf der metallischen Vorgängerschicht abgeschieden ist. Der Begriff der Beschichtung umfasst somit vorliegend alle auf dem Substrat und der gegebenenfalls dort vorgesehenen metallischen Rückkontaktschicht angeordneten Schichten. Die Beschichtung besteht nach teilweiser Umwandlung der metallischen Vorgängerschicht beispielsweise zum Teil aus einem Verbindungshalbleiter. Die nach vollständiger Umwandlung vorhandene Verbindungshalbleiterschicht stellt ebenfalls eine Beschichtung in vorliegendem Sinne dar.A coating in the sense of the present invention can consist solely of a metallic precursor layer, for example a layer comprising the metals copper, gallium and indium, or have further constituents, such as, for example, a chalcogen layer which is deposited on the metallic precursor layer. In the present case, the term coating thus comprises all layers arranged on the substrate and the metallic back contact layer optionally provided there. The coating consists after partial conversion of the metallic precursor layer, for example, partly from a compound semiconductor. The compound semiconductor layer present after complete conversion likewise represents a coating in the present sense.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung der Verbindungshalbleiterschicht bei geringem Verbrauch an Chalkogenen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass in den mit der Abdeckung in Kontakt stehenden Bereichen der freien Oberfläche der Beschichtung ein Verlust von verdampften Chalkogenen nahezu ausgeschlossen wird. Es hat sich gezeigt, dass trotz des Kontaktes der Abdeckung mit der freien Oberfläche der Beschichtung Verbindungshalbleiterschichten guter Qualität hergestellt werden können. Überraschenderweise hat sich weiterhin herausgestellt, dass die Abdeckung nach der Umwandlung der metallischen Vorgängerschicht problemlos von der Beschichtung getrennt werden kann, ohne dass dabei die hergestellte Verbindungshalbleiterschicht geschädigt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher universell einsetzbar und nicht auf solche Anwendungen beschränkt, bei welchen die Abdeckung auf der Beschichtung verbleiben kann. Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht daher vor, dass nach der Umwandlung der metallischen Vorgängerschicht die Abdeckung von der Beschichtung getrennt wird.The process according to the invention makes it possible to produce the compound semiconductor layer with low consumption of chalcogens. This is due to the fact that in the areas of the free surface of the coating which are in contact with the cover, a loss of vaporized chalcogens is virtually ruled out. It has been found that despite the contact of the cover with the free surface of the coating, good quality compound semiconductor layers can be produced. Surprisingly, it has further been found that the cover can be easily separated from the coating after the conversion of the metallic precursor layer, without damaging the compound semiconductor layer produced. The inventive method is therefore universally applicable and not limited to those applications in which the cover can remain on the coating. An embodiment of the invention therefore provides that after the conversion of the metallic precursor layer, the cover is separated from the coating.
Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren von der Abdeckung bedeckte Bereiche der Oberfläche der Beschichtung mit der Abdeckung in direktem Kontakt stehen, werden zwischen der Abdeckung und diesen Bereichen der Oberfläche der Beschichtung keine, oder allenfalls sehr kleine, Hohlräume ausgebildet. Es bestehen somit keine Hohlräume, in welchen sich während des Umwandlungsprozesses unerwünschte Gase wie beispielsweise Sauerstoff oder Wasserdampf in relevantem Umfang einlagern könnten. Der Kontakt zwischen der freien Oberfläche der Beschichtung und der Abdeckung kann daher aufwandsgünstig unter atmosphärischen Umgebungsbedingungen ausgebildet werden, beispielsweise in dem die Abdeckung auf die Beschichtung aufgelegt wird, ehe diese in einen Ofen eingebracht wird. Hierdurch kann der Aufwand für die Herstellung der Verbindungshalbleiterschicht zusätzlich verringert werden, da aufwändige Vorrichtungen für die Handhabung von Prozesshauben oder ähnlichem innerhalb des Ofens entfallen können. Die Abdeckung kann prinzipiell jedoch auch erst in einem Ofen oder Beschichtungskammer mit der freien Oberfläche der Beschichtung in Kontakt gebracht werden. Entsprechend geeignete Vorrichtungen wären sodann vorzusehen.Since, in the method according to the invention, areas of the surface of the coating covered by the cover are in direct contact with the cover, no voids or at most very small voids are formed between the cover and these areas of the surface of the coating. There are thus no cavities in which unwanted gases such as oxygen or water vapor could be stored to a relevant extent during the conversion process. The contact between the free surface of the coating and the cover can therefore be formed inexpensively under atmospheric environmental conditions, for example, in which the cover is placed on the coating before it is introduced into an oven. In this way, the expense for the production of the compound semiconductor layer can be additionally reduced, since complex devices for handling process hoods or the like within the furnace can be omitted. However, in principle, the cover can first be brought into contact with the free surface of the coating in an oven or coating chamber. Appropriate devices would then be provided.
Grundsätzlich können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beliebige Substrate verwendet werden, welche während der Durchführung des Verfahrens nicht durch Wärmeinfluss oder chemische Reaktionen in nachteiliger Weise beeinträchtigt werden. Neben Glassubstraten können so beispielsweise auch Bänder aus Metall Verwendung finden.In principle, in the method according to the invention, any substrates can be used which are not adversely affected during the implementation of the method by heat influence or chemical reactions. In addition to glass substrates, for example, bands made of metal can be used.
Vorteilhafterweise ist das Substrat mit einem Rückkontakt versehen. Beispielsweise kann auf einem Glassubstrat eine Metallschicht als Rückkontakt vorgesehen sein, insbesondere eine Molybdänschicht. Der Rückkontakt ist vorzugsweise durch eine Strukturierung in mehrere Streifen unterteilt, wodurch eine Reihenverschaltung von verschiedenen Solarzellenelementen des fertigen Solarmoduls realisiert werden kann. Die besagte Molybdänbeschichtung stellt keinen Bestandteil der metallischen Vorgängerschicht oder der Beschichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung dar.Advantageously, the substrate is provided with a back contact. For example, a metal layer may be provided as a back contact on a glass substrate, in particular a molybdenum layer. The back contact is preferably divided by structuring into a plurality of strips, whereby a series connection of different solar cell elements of the finished solar module can be realized. The said molybdenum coating does not form part of the metallic Previous layer or coating in the context of the present invention.
Die metallische Vorgängerschicht kann beispielsweise Kupfer, Indium und Gallium enthalten und mit an sich bekannten Technologien, beispielsweise mittels Sputtern, aufgebracht werden. Die metallische Vorgängerschicht kann dabei grundsätzlich aus mehreren metallischen Schichten bestehen, beispielsweise kann zunächst eine Kupfer und Gallium enthaltende Schicht vorgesehen und auf diese eine Indiumschicht aufgebracht sein. Weiterhin kann die metallische Vorgängerschicht aus mehreren gleichartigen Unterschichten, beispielsweise mehreren Kupfer und Gallium enthaltenden Schichten aufgebaut sein. Zudem können sich wiederholende Schichtabfolgen vorgesehen sein. Darüber hinaus kann die metallische Vorgängerschicht Chalkogene, z. B. in Form von Chalkogeniden, enthalten.The metallic precursor layer can contain, for example, copper, indium and gallium and can be applied using technologies known per se, for example by sputtering. The metallic precursor layer can basically consist of several metallic layers, for example, a copper and gallium-containing layer can first be provided and applied to this an indium layer. Furthermore, the metallic precursor layer may be composed of a plurality of similar sublayers, for example a plurality of layers containing copper and gallium. In addition, repetitive layer sequences can be provided. In addition, the metallic precursor layer Chalkogene, z. In the form of chalcogenides.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die metallische Vorgängerschicht in eine CIS- oder CIGS-Verbindungshalbleiterschicht umgewandelt.In a particularly preferred embodiment of the invention, the metallic precursor layer is converted into a CIS or CIGS compound semiconductor layer.
Eine Ausgestaltungsvariante der Erfindung sieht eine Prozesszeit vor, die kürzer als 1200 s, vorzugsweise kürzer als 600 s, ist. Besonders bevorzugt hat die Prozesszeit eine Dauer zwischen 150 s und 500 s.An embodiment variant of the invention provides for a process time which is shorter than 1200 s, preferably shorter than 600 s. Particularly preferably, the process time has a duration between 150 s and 500 s.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der Erfindung wird eine Abdeckung verwendet, welche aus einem Material mit vergleichsweise hoher Wärmeleitfähigkeit gefertigt ist, beispielsweise aus Graphit oder einer anderen Kohlenstoffmodifikation oder Siliziumcarbid. Auf diese Weise können sich über die Flächen der Beschichtungen hinweg erstreckende Temperaturunterschiede besser ausgeglichen werden. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise Verbindungshalbleiterschichten mit einer verbesserten Homogenität hergestellt werden können. Da die Homogenität wesentlich für die Qualität einer Verbindungshalbleiterschicht ist, können auf die beschriebene Weise Verbindungshalbleiterschichten mit verbesserter Qualität hergestellt werden.In an advantageous embodiment variant of the invention, a cover is used, which is made of a material having a comparatively high thermal conductivity, for example of graphite or another carbon modification or silicon carbide. In this way, temperature differences extending over the surfaces of the coatings can be better compensated. It has been found that compound semiconductor layers with improved homogeneity can be produced in this way. Since homogeneity is essential to the quality of a compound semiconductor layer, compound semiconductor layers of improved quality can be produced in the manner described.
Bei einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem Erwärmen der Beschichtung eine wenigstens ein Chalkogen aufweisende Chalkogenschicht auf der metallischen Vorgängerschicht abgeschieden. Der flächige Kontakt wird im Weiteren im Wesentlichen zwischen der Chalkogenschicht und der Abdeckung bereitgestellt. Hierzu wird der flächige Kontakt vorzugsweise bereits vor dem Erwärmen der Beschichtung ausgebildet. Die Abscheidung der wenigstens ein Chalkogen aufweisenden Chalkogenschicht erfolgt vorteilhafterweise mittels einer physikalischen Abscheidung aus der Dampfphase bei Atmosphärendruck (APPVD). Besonders bevorzugt erfolgt die Chalkogenabscheidung in einem Durchlaufverfahren. Insbesondere kann Schwefel oder Selen abgeschieden werden. Die abgeschiedene Chalkogenschicht dient, gegebenenfalls zusammen mit Chalkogenen aus anderen Quellen, als Chalkogenquelle für die Umwandlung der metallischen Vorgängerschicht in die Verbindungshalbleiterschicht.In one embodiment variant of the method according to the invention, before the heating of the coating, a chalcogen layer having at least one chalcogen is deposited on the metallic precursor layer. The planar contact is subsequently provided substantially between the chalcogen layer and the cover. For this purpose, the surface contact is preferably formed before the heating of the coating. The deposition of the chalcogen layer having at least one chalcogen is advantageously carried out by means of a physical vapor phase deposition at atmospheric pressure (APPVD). Particularly preferably, the chalcogen deposition takes place in a continuous process. In particular, sulfur or selenium can be deposited. The deposited chalcogen layer serves, optionally together with chalcogens from other sources, as chalcogen source for the conversion of the metallic precursor layer into the compound semiconductor layer.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Abdeckung verwendet, welche an ihrer der Beschichtung zugewandten Seite zumindest abschnittsweise mit einem oder mehreren Chalkogenen beschichtet ist, vorzugweise mit Selen. Eine solche Chalkogenbeschichtung der Abdeckung kann als einzige oder zusätzliche Chalkogenquelle für die Umwandlung der metallischen Vorgängerschicht in die Verbindungshalbleiterschicht verwendet werden. Insbesondere kann sie alternativ oder zusätzlich zu einer auf der metallischen Vorgängerschicht abgeschiedenen Chalkogenschicht vorgesehen werden. Die Beschichtung der Abdeckung mit einem oder mehreren Chalkogenen kann wiederum vorteilhafterweise mittels einer physikalischen Abscheidung aus der Dampfphase bei Atmosphärendruck durchgeführt werden.In a further development of the method according to the invention, a cover is used which, on its side facing the coating, is coated at least in sections with one or more chalcogens, preferably with selenium. Such a chalcogen coating of the cover may be used as a single or additional chalcogen source for the conversion of the metallic precursor layer into the compound semiconductor layer. In particular, it can be provided as an alternative or in addition to a chalcogen layer deposited on the metallic precursor layer. The coating of the cover with one or more chalcogenes, in turn, can advantageously be carried out by means of a physical vapor deposition at atmospheric pressure.
Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung wird der flächige Kontakt zwischen dem überwiegenden Anteil der freien Oberfläche der Beschichtung und der Abdeckung während der gesamten Prozesszeit bereitgestellt. Bei allen Ausführungsvarianten der Erfindung kann der beschriebene flächige Kontakt auch außerhalb der Prozesszeit bereitgestellt werden.In a preferred embodiment of the invention, the surface contact between the vast majority of the free surface of the coating and the cover is provided during the entire process time. In all embodiments of the invention, the flat contact described can also be provided outside the process time.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der Erfindung wird die Beschichtung zusammen mit der Abdeckung wenigstens während der Prozesszeit in einer Schutzgasatmosphäre angeordnet, vorzugsweise in einer Stickstoff oder Edelgas aufweisenden Atmosphäre. Vorzugsweise werden Beschichtung und Abdeckung bereits während einer der Prozesszeit vorangehenden Erwärmungsphase in der Schutzgasatmosphäre angeordnet und diese bis zum Abkühlen der Beschichtung auf eine unkritische Temperatur aufrecht erhalten. Die Anordnung von Beschichtung und Abdeckung in einer Schutzgasatmosphäre dient unter anderem dazu, einen möglichst kleinen Sauerstoffpartialdruck während einer thermischen Abhandlung der Beschichtung, insbesondere während deren Umwandlung zu einer Verbindungshalbleiterschicht zu gewährleisten, da ein Sauerstoffangebot unerwünschte chemische Reaktionen auslösen kann. So hat sich gezeigt, dass bei Solarzellen oder Solarzellenmodulen, welche aus Verbindungshalbleiterschichten gefertigt wurden, die unter der Gegenwart von Sauerstoff hergestellt wurden, ein verringerter Wirkungsgrad vorliegt. Je nach Anwendungsfall kann die Schutzgasatmosphäre weiterhin dazu dienen, den Wassserstoffpartialdruck, bzw. Partialdrücke von Wasserstoff aufweisenden Gasen, in der Prozessatmosphäre möglichst gering zu halten, sodass die Bildung von toxischen Gasen, beispielsweise von Selenwasserstoff bei der Verwendung von Selen als Chalkogen, weitgehend vermieden wird.In an advantageous embodiment variant of the invention, the coating is arranged together with the cover at least during the process time in a protective gas atmosphere, preferably in a nitrogen or inert gas having atmosphere. Preferably, the coating and cover are already arranged in the protective gas atmosphere during a heating phase preceding the process time, and these are maintained until the coating cools to an uncritical temperature. The arrangement of coating and cover in a protective gas atmosphere serves inter alia to ensure the lowest possible oxygen partial pressure during a thermal treatment of the coating, in particular during their conversion to a compound semiconductor layer, since an oxygen supply can trigger unwanted chemical reactions. Thus, solar cells or solar cell modules made from compound semiconductor layers made under the presence of oxygen have been found to have a reduced efficiency. Depending on the application, the inert gas atmosphere continue to serve the Wassersstoffpartialdruck, or partial pressures of hydrogen-containing gases to keep as low as possible in the process atmosphere, so that the formation of toxic gases, such as selenium in the use of selenium as chalcogen, is largely avoided.
In der Praxis hat es sich bewährt, während der Umwandlung der metallischen Vorgängerschicht in die Verbindungshalbleiterschicht die Chalkogene in Mengen anzubieten, welche über deren jeweiligen stöchiometrischen Anteil an der gebildeten Verbindungshalbleiterschicht um 0% bis 90% hinausgehen, vorzugsweise um 40% bis 80%.In practice, it has been found useful to provide the chalcogens in quantities exceeding 0% to 90% over their respective stoichiometric amount of the compound semiconductor layer formed, preferably by 40% to 80%, during the conversion of the metallic precursor layer into the compound semiconductor layer.
Wird das Substrat mit einem Rückkontakt versehen, beispielsweise indem auf einem Glassubstrat eine Metallschicht als Rückkontakt vorgesehen wird, so kann über das Angebot an Chalkogenen die Bildung von Rückseitenmetallchalkogeniden gesteuert werden. Beispielsweise hat sich gezeigt, dass bei Verwendung einer Molybdänschicht als Rückkontakt auf dem Substrat und Verwendung von Selen als Chalkogen die Dicke der gebildeten Molybdänselenidschicht über die angebotene Menge an Selen beeinflusst werden kann. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, eine unter Verwendung der hergestellten Verbindungshalbleiterschicht gefertigte Solarzelle, beziehungsweise eines Solarmoduls, zu optimieren.If the substrate is provided with a back contact, for example by providing a metal layer as a back contact on a glass substrate, the formation of backside metal chalcogenides can be controlled by the range of chalcogens. For example, it has been found that when using a molybdenum layer as back contact on the substrate and using selenium as chalcogen, the thickness of the molybdenum selenide layer formed can be influenced by the amount of selenium offered. This can be used, for example, to optimize a solar cell manufactured using the compound semiconductor layer produced, or a solar module.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Abdeckung eine Platte verwendet. Unter einer Platte ist dabei ein flächiges Gebilde zu verstehen, dessen Ausdehnung in Länge und Breite ein Vielfaches seiner Dicke beträgt. Vorzugsweise wird eine Siliziumcarbidplatte und besonders bevorzugt eine Graphitplatte oder eine Platte aus kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff verwendet, da diese Materialien eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die Verwendung einer Platte mit guter Wärmeleitfähigkeit ermöglicht es, etwaige Temperaturinhomogenitäten innerhalb eines Ofens auszugleichen, wodurch die Homogenität der hergestellten Verbindungshalbleiterschicht verbessert werden kann. So ermöglichen Platten mit guter Wärmeleitfähigkeit die Herstellung großflächiger, homogener Verbindungshalbleiterschichten. Zudem kann durch einen großflächigen Kontakt der Platte mit der Beschichtung eine Kontamination der hergestellten Verbindungshalbleiterschicht durch aus dem Ofen stammende Verunreinigungen verringert werden. Neben den genannten kann auch eine Glasplatte, eine Quarzplatte oder eine Saphirplatte Verwendung finden. Platten der beschriebenen Art können ohne weiteres nach Umwandlung der metallischen Vorgängerschicht in die Verbindungshalbleiterschicht von der Beschichtung getrennt werden. Maßnahmen zur Erleichterung des Trennungsvorganges sind nicht erforderlich.In a further development of the method according to the invention, a plate is used as cover. Under a plate is to be understood a flat structure whose extension in length and width is a multiple of its thickness. Preferably, a silicon carbide plate, and more preferably a graphite plate or a carbon fiber reinforced carbon plate, is used since these materials have good heat conductivity. The use of a plate with good thermal conductivity makes it possible to compensate for any temperature inhomogeneities within a furnace, whereby the homogeneity of the prepared compound semiconductor layer can be improved. Thus, plates with good thermal conductivity enable the production of large-area, homogeneous compound semiconductor layers. In addition, contamination of the prepared compound semiconductor layer by impurities originating from the furnace can be reduced by extensive contact of the plate with the coating. In addition to those mentioned, a glass plate, a quartz plate or a sapphire plate can also be used. Plates of the type described can readily be separated from the coating after conversion of the metallic precursor layer into the compound semiconductor layer. Measures to facilitate the separation process are not required.
Die Steifigkeit der Platte ist für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens grundsätzlich ohne Bedeutung. Es kann sich beispielsweise um eine Platte mit großer Steifigkeit oder um eine flexible Matte oder Folie handeln. Wird der Platte bei der praktischen Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine tragende Funktion zugeordnet, so ist deren Steifigkeit entsprechend zu wählen.The rigidity of the plate is basically of no importance for carrying out the method according to the invention. It may be, for example, a plate with high rigidity or a flexible mat or foil. If the plate is assigned a supporting function during the practical implementation of the method according to the invention, its rigidity must be selected accordingly.
Eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der flächige Kontakt zwischen dem überwiegenden Anteil der freien Oberfläche der Beschichtung und der Abdeckung bereitgestellt wird, bevor die Beschichtung zum Zwecke der Umwandlung der metallischen Vorgängerschicht in die Verbindungshalbleiterschicht in einen Ofen eingebracht wird.A variant of the method according to the invention provides that the surface contact between the predominant portion of the free surface of the coating and the cover is provided before the coating is introduced into an oven for the purpose of converting the metallic precursor layer into the compound semiconductor layer.
Bei einer weiteren Ausgestaltungsvariante der Erfindung wird als Abdeckung eine Wandung eines Ofens verwendet, in welchem die Beschichtung erwärmt wird. Diese Wandung kann beispielsweise durch eine Platte, insbesondere eine Siliziumcarbidplatte oder Graphitplatte oder eine Platte aus kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff gebildet sein.In a further embodiment variant of the invention, the cover used is a wall of a furnace in which the coating is heated. This wall can be formed, for example, by a plate, in particular a silicon carbide plate or graphite plate or a plate made of carbon fiber reinforced carbon.
Der flächige Kontakt zwischen dem überwiegenden Anteil der freien Oberfläche der Beschichtung und der Wandung kann beispielsweise hergestellt werden, indem die Beschichtung nach Einführen in den Ofen an die Wandung des Ofens herangefahren wird. Der Ofen wäre in diesem Fall mit entsprechend geeigneten Vorrichtungen auszustatten.The surface contact between the predominant portion of the free surface of the coating and the wall can be prepared, for example, by the coating is moved up after insertion into the furnace to the wall of the furnace. The oven would be equipped in this case with appropriate appropriate devices.
Es ist offensichtlich, dass anstelle der Wandung des Ofens auch andere geeignete Ofenbauteile als Abdeckung verwendet werden können. Beispielsweise kann eine in dem Ofen vorgesehene Abschirmplatte als Abdeckung genutzt werden.It is obvious that other suitable furnace components can be used as a cover instead of the wall of the furnace. For example, a shield plate provided in the furnace can be used as a cover.
Ein aus Substrat, Beschichtung und Abdeckung, als welche insbesondere eine Platte vorgesehen sein kann, gebildeter Stapel kann grundsätzlich beliebig im Raum angeordnet werden. Beispielsweise kann ein Stapel aus flächigen Bestandteilen derart angeordnet werden, dass sich die Flächen im Wesentlichen horizontal oder vertikal erstrecken. Bei einer Anordnung mit im Wesentlichen horizontaler Erstreckung der flächigen Stapelbestandteile kann die Beschichtung und die Abdeckung entweder auf der Oberseite des Substrats oder auf der Unterseite des Substrats angeordnet werden. Bei einer Anordnung auf der Unterseite des Substrats ist zu berücksichtigen, dass der Abdeckung eine tragende Funktion zufällt, sodass deren Steifigkeit beziehungsweise Stabilität entsprechend zu wählen ist.A stack formed from substrate, coating and cover, as which in particular a plate may be provided, can in principle be arranged arbitrarily in space. For example, a stack of planar components may be arranged such that the surfaces extend substantially horizontally or vertically. In an arrangement with a substantially horizontal extent of the planar stack constituents, the coating and the cover can be arranged either on the top side of the substrate or on the underside of the substrate. In the case of an arrangement on the underside of the substrate, it must be taken into consideration that the cover assumes a supporting function, so that its rigidity or stability must be selected accordingly.
Es hat sich gezeigt, dass die Beschichtung homogen erwärmt werden kann, indem die sich mit der Beschichtung in dem flächigen Kontakt befindliche Abdeckung gezielt während einer vorgegebenen Zeit erwärmt wird. Die gezielte Erwärmung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Abdeckplatte mit kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung einer Wellenlänge bestrahlt wird, welche von der Abdeckplatte in starkem Maße absorbiert wird. Das für die Fertigung der Abdeckplatte verwendete Material und die Wellenlänge der eingesetzten elektromagnetischen Strahlung sind entsprechend aufeinander abzustimmen. Ferner ist bei der Materialwahl für die Abdeckplatte zu berücksichtigen, dass dieses eine gute Wärmeleitung aufweist. Bei dem gezielten Wärmeeintrag mittels der elektromagnetischen Strahlung entstehende Inhomogenitäten bei der Erwärmung der Abdeckung werden so homogenisiert und die Beschichtung in homogener Weise erwärmt. Dies ermöglicht die Herstellung großflächiger Verbindungshalbleiterschichten guter Homogenität. It has been found that the coating can be heated homogeneously by heating the cover which is in contact with the coating in the planar contact in a targeted manner for a predetermined time. The targeted heating can for example be realized by the cover plate is irradiated with short-wave electromagnetic radiation of a wavelength which is absorbed by the cover plate to a large extent. The material used for the production of the cover plate and the wavelength of the electromagnetic radiation used are to be coordinated accordingly. Furthermore, when choosing the material for the cover plate to take into account that this has a good heat conduction. In the targeted heat input by means of the electromagnetic radiation resulting inhomogeneities in the heating of the cover are so homogenized and heated the coating in a homogeneous manner. This enables the production of large area compound semiconductor layers of good homogeneity.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die metallische Vorgängerschicht bei einem Prozessdruck in der Nähe des atmosphärischen Umgebungsdrucks in die Verbindungshalbleiterschicht umgewandelt. Der Prozessdruck kann dabei zum Beispiel aufgrund von Strömungen in der Prozessumgebung von dem atmosphärischen Umgebungsdruck abweichen. Auf keinen Fall wird bei dieser Ausgestaltungsvariante der Erfindung die Prozessumgebung evakuiert und der Prozessdruck ist nicht mehr als 50 mbar kleiner als der atmosphärische Umgebungsdruck. Dies ermöglicht es, auf aufwändige und teure Vakuumanlagen zu verzichten.In a preferred embodiment variant of the method according to the invention, the metallic precursor layer is converted into the compound semiconductor layer at a process pressure in the vicinity of the atmospheric ambient pressure. For example, the process pressure may deviate from the atmospheric pressure due to flows in the process environment. In no case, in this embodiment variant of the invention, the process environment is evacuated and the process pressure is not more than 50 mbar lower than the atmospheric ambient pressure. This makes it possible to dispense with time-consuming and expensive vacuum systems.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der Erfindung wird die Beschichtung in einem Durchlaufofen erwärmt. Dies ermöglicht eine Herstellung von Verbindungshalbleiterschichten, insbesondere in Verbindung mit einer Herstellung von Solarzellen oder Solarmodulen, in industriellem Maßstab. Grundsätzlich kann die Erwärmung jedoch auch in einem auf einen Stapelbetrieb ausgelegten, sogenannten batch-Ofen erfolgen.In an advantageous embodiment variant of the invention, the coating is heated in a continuous furnace. This makes it possible to produce compound semiconductor layers, particularly in connection with production of solar cells or solar modules, on an industrial scale. In principle, however, the heating can also take place in a so-called batch oven designed for batch operation.
Vorzugsweise wird ein segmentierter Durchlaufofen verwendet, in welchem die Beschichtung in verschiedenen Segmenten des Durchlaufofens auf verschiedene Temperaturen gebracht werden kann. Besonders bevorzugt wird hierbei ein flächiges Substrat, eine flächige Beschichtung und eine Platte als Abdeckung verwendet und der daraus resultierende Stapel derart ausgerichtet, dass sich die Flächen im Wesentlichen horizontal erstrecken. In dieser Ausrichtung wird der Stapel sodann durch den segmentierten Durchlaufofen hindurch transportiert. Dieser Transport kann insbesondere schrittweise erfolgen. Es hat sich gezeigt, dass bei der beschriebenen Ausführungsvariante in dem Durchlaufofen vorherrschende Gasströmungen relativ zu der Beschichtung an denjenigen Stellen, an welchen ein flächiger Kontakt zwischen der freien Oberfläche der Beschichtung und der Abdeckung bereitgestellt wird, nahezu keinen schädlichen Einfluss auf die gebildete Verbindungshalbleiterschicht haben. Werden Glassubstrate verwendet, so kann es von Vorteil sein, den Stapel während des Transports durch den Durchlaufofen hindurch auf einer zusätzlichen Trägerplatte anzuordnen, sodass auch im Falle eines Glasbruchs der Stapel wieder aus dem Durchlaufofen hinaustransportiert wird.Preferably, a segmented continuous furnace is used, in which the coating in different segments of the continuous furnace can be brought to different temperatures. In this case, a flat substrate, a planar coating and a plate are particularly preferably used as cover and the resulting stack is oriented such that the surfaces extend substantially horizontally. In this orientation, the stack is then transported through the segmented continuous furnace. This transport can be done in particular step by step. It has been found that in the described embodiment in the continuous furnace prevailing gas flows relative to the coating at those locations at which a flat contact between the free surface of the coating and the cover is provided, have almost no detrimental effect on the formed compound semiconductor layer. If glass substrates are used, it may be advantageous to arrange the stack during transport through the continuous furnace on an additional support plate, so that even in the case of glass breakage, the stack is transported out of the continuous furnace.
Bei einer anderen Ausgestaltungsvariante der Erfindung werden die Beschichtung und das Substrat auf der Abdeckung angeordnet und die Abdeckung als Träger für einen aus Beschichtung und Substrat gebildeten Stapel verwendet. Der Stapel kann sodann auf der als Träger fungierenden Abdeckung durch den Durchlaufofen hindurchtransportiert werden. Da der Abdeckung in diesem Fall eine tragende Funktion zukommt, ist deren Steifigkeit bzw. Stabilität entsprechend auszulegen. Zusätzlich kann auf derjenigen Seite des Substrats, welche sich bei der beschriebenen Anordnung obenauf befindet, eine Schutzplatte angeordnet werden. Hierdurch kann eine weitere Stabilisierung erzielt werden.In another embodiment variant of the invention, the coating and the substrate are arranged on the cover and the cover is used as a carrier for a stack formed from coating and substrate. The stack can then be transported through the continuous furnace on the cover acting as a carrier. Since the cover in this case has a supporting function, their rigidity or stability must be interpreted accordingly. In addition, a protective plate may be disposed on the side of the substrate which is on top of the described arrangement. As a result, further stabilization can be achieved.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Abdeckung erwärmt, bevor zwischen ihr und dem überwiegenden Anteil der freien Oberfläche der Beschichtung der flächige Kontakt ausgebildet wird. Wird der flächige Kontakt nur für kurze Zeit bereitgestellt, kann auf diese Weise die Beschichtung durch einen Wärmeübergang von der Abdeckung auf die Beschichtung auf eine höhere Temperatur erwärmt werden als das Substrat. Hierdurch können trotz hoher Temperaturen der Beschichtung kostengünstige Substrate verwendet werden, die für die hohen Temperaturen nicht geeignet sind. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltungsvariante wird die Abdeckung vorzugsweise auf eine Temperatur von mindestens 400°C, besonders bevorzugt auf einen Wert von mindestens 600°C und ganz besonders bevorzugt auf einen Wert von mindestens 640°C erwärmt.In an advantageous embodiment variant of the method according to the invention, the cover is heated before the flat contact is formed between it and the predominant portion of the free surface of the coating. If the flat contact is provided only for a short time, in this way the coating can be heated to a higher temperature than the substrate by a heat transfer from the cover to the coating. As a result, inexpensive substrates can be used despite high temperatures of the coating, which are not suitable for the high temperatures. In this advantageous embodiment variant, the cover is preferably heated to a temperature of at least 400 ° C, more preferably to a value of at least 600 ° C and most preferably to a value of at least 640 ° C.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Soweit zweckdienlich, sind hierin gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:Furthermore, the invention will be explained in more detail with reference to figures. Where appropriate, elements having equivalent effect are provided with like reference numerals. Show it:
Im Weiteren wird mittels einer physikalischen Abscheidung aus der Dampfphase bei Atmosphärendruck (APPVD) eine Selenschicht
Nach der Umwandlung
Hieran schließt sich wieder das Erwärmen
Die Ausführungsbeispiele der
Insbesondere kann auf der metallischen Vorgängerschicht ein anderes Chalkogen abgeschieden werden als die nachfolgend aufgelegte Abdeckung aufweist. Bei Verwendung der Graphitplatte
Das Erwärmen und Halten
Um die Substrate
Die Transportvorrichtung
Zum Zwecke des Erwärmens der Beschichtung in dem Segment S1 ist eine Heizeinrichtung
In der Darstellung der
Im Ausführungsbeispiel der
Die Wandung
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verbindungshalbleiterschichten, insbesondere hergestellte CIGS-Verbindungshalbleiterschichten, können vorteilhaft bei der Fertigung von Dünnschichtsolarzellen, bzw. Dünnschichtsolarzellenmodulen, verwendet werden.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Aufsputtern metallische Vorgängerschicht auf SubstratSputter metallic precursor layer on substrate
- 1212
- Abscheidung SelenschichtDepositing selenium layer
- 1414
- Bereitstellen flächiger KontaktProvide surface contact
- 15a15a
- überwiegender Anteil der freien Oberfläche der Beschichtungpredominant portion of the free surface of the coating
- 15b15b
- freie Oberfläche der Beschichtungfree surface of the coating
- 1616
- Umwandeln metallische Vorgängerschicht in VerbindungshalbleiterschichtConvert metallic precursor layer in compound semiconductor layer
- 1818
- Trennen Graphitplatte von BeschichtungSeparate graphite plate from coating
- 2424
- Bereitstellen flächiger KontaktProvide surface contact
- 2525
- freie Oberfläche der Beschichtungfree surface of the coating
- 5050
- Glassubstratglass substrate
- 5252
- Rückkontaktback contact
- 5454
- Kupfer-Gallium-SchichtCopper gallium layer
- 5656
- Indiumschichtindium
- 5757
- metallische Vorgängerschichtmetallic precursor layer
- 5858
- Selenschichtselenium layer
- 6060
- Graphitplattegraphite plate
- 6363
- Beschichtungcoating
- 7070
- Graphitplattegraphite plate
- 7272
- Selenschichtselenium layer
- 8080
- CIGS-VerbindungshalbleiterschichtCIGS compound semiconductor layer
- 8282
- CadmiumsulfidschichtCadmium sulfide layer
- 8484
- Zinkoxidschichtzinc oxide
- 8686
- Solarzellesolar cell
- 9090
- DurchlaufofenContinuous furnace
- 9191
- Einbringöffnungintroduction opening
- 9292
- Ausbringöffnungdischarge opening
- 9393
- Stickstoffatmosphärenitrogen atmosphere
- 9494
- Heizeinrichtungheater
- 9595
- Kühleinrichtungcooling device
- 9696
- Gasschleusegas lock
- 9898
- Transportvorrichtungtransport device
- 9999
- DurchlaufofenContinuous furnace
- 100100
- Wandungwall
- S1S1
- Erstes SegmentFirst segment
- S2S2
- Zweites SegmentSecond segment
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- WO 2009/033674 A2 [0005] WO 2009/033674 A2 [0005]
- WO 2009/135685 A2 [0005] WO 2009/135685 A2 [0005]
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