DE102010044480A1

DE102010044480A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle

Info

Publication number: DE102010044480A1
Application number: DE102010044480A
Authority: DE
Inventors: Dr. Andrä Gudrun; Dr. Falk Fritz; Dr. Bergmann Joachim; Dr. Zühlke Hans-Ulrich; Gabriele Eberhardt; Berthold Burghardt
Original assignee: Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH; Institut fur Photonische Technologien EV
Current assignee: Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH; Institut fur Photonische Technologien EV
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2012-03-08
Also published as: WO2012041314A2; WO2012041314A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle mit einem mehrschichtigen Aufbau beinhaltend ein Substrat (1), eine Keimschicht (2) sowie eine Absorberschicht (3), mit den Schritten: Erzeugung der Keimschicht (2) durch Aufbringen einer amorphen ersten Schicht eines ersten Halbleitermaterials (2.1) auf dem Substrat (1) und Beaufschlagung der ersten Schicht mit einemstallisieren, Erzeugung der Absorberschicht (3) auf der Keimschicht (2) durch lagenweises Aufbringen einer zweiten Schicht eines zweiten Halbleitermaterials (3.1) und lagenweises Beaufschlagen der zweiten Schicht mit einem gepulsten, zweiten Laserstrahl (4.2), wobei ein lagenweises, epitaktisches Aufwachsen der zweiten Schicht bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das lagenweise Aufbringen maximal zweilagig erfolgt und- der zweite Laserstrahl (4.2) eine Wellenlänge in einem Bereich von 500 bis 1100 nm und eine Pulsdauer im Bereich von 300 bis 1200 ns aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, insbesondere einer Solarzelle, wie diese gattungsgemäß in der EP 1 314 208 B1 beschrieben ist. Die Solarzelle beinhaltet dabei ein Substrat, eine auf dem Substrat aufgebrachte Keimschicht sowie eine mittels laserunterstützter Kristallisation epitaktisch auf der Keimschicht aufgewachsene Absorberschicht und ist für eine Beleuchtung von der Seite des Substrats oder von der Schichtseite her ausgelegt. Die Solarzelle ist als eine Dünnschichtsolarzelle ausgebildet.
Bei einem epitaktischen Aufwachsen einer Schicht eines amorphen oder mikrokristallinen Stoffs auf einer Keimschicht dient die kristalline Struktur der Keimschicht als eine erste Vorlage für die zukünftige Struktur der epitaktisch aufzuwachsenden Schicht. Dabei wird als epitaktisch aufzuwachsende Schicht wiederholt ein Stoff, z. B. ein dotierter Halbleiter wie Silizium ( EP 1 314 208 B1 ) oder Galliumsarsenid (z. B. DE 10 2005 045 096 A1 ), in einer dünnen Lage von 20 bis 100 nm ( DE 10 2005 045 096 A1 ) bzw. bis zu 200 nm ( EP 1 314 208 B1 ) auf die Keimschicht aufgebracht und anschließend kristallisiert.
Im Patent DE 10 2004 036 220 B4 wird die epitaktische Kristallisation mit Laserstrahlung (fortan als Laserstrahl bezeichnet) einer Wellenlänge von 532 nm, einer Pulsfolgefrequenz zwischen 10 kHz und 100 kHz sowie einer Laserfluenz von 2 bis 6 J/cm² auf Silizium-Wafern zur Laserdotierung beschrieben. Das Verfahren wird an massiven Silizium-Wafern durchgeführt und dient der Erzeugung eines dotierten Bereichs in einem Festkörper. Dabei werden ein zu dotierender Körper und ein Körper mit Dotanden in Kontakt gebracht und die Kontaktzone mittels Laserstrahl, der z. B. als eine Laserlinie geformt ist, so aufgeschmolzen, dass der Dotierstoff in den aufgeschmolzenen Bereich eindiffundiert und während des Abkühlens der aufgeschmolzene Bereich mit einer hohen Defektfreiheit rekristallisiert. Die Pulsdauer beträgt dabei weniger als 100 ns und rührt daher, dass die Eindringtiefe des Laserstrahls in kristallinem Silizium 10-mal größer ist als dies bei amorphem Si der Fall ist – die Wärmeleitung erfolgt sogar 100-mal schneller. Nur bei den von den Erfindern angegebenen sehr kurzen Pulsdauern kann die Schmelztiefe auf 1 μm begrenzt werden, wodurch die maximale Dicke der herstellbaren Emitter festgelegt ist.
Durch die DE 10 2005 045 096 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements sowie eine Dünnschichtsolarzelle offenbart, bei der auf einem Substrat aus Glas eine kristalline Keimschicht angeordnet ist. Die Keimschicht wird erzeugt, indem das Substrat mit einem in amorpher Form aufgebrachten Stoffs (fortan: erstes Halbleitermaterial) versehen und das amorphe erste Halbleitermaterial durch laserunterstützte Kristallisation kristallisiert wird. Auf der Keimschicht ist p- oder n-dotiertes Galliumarsenid in amorpher oder nanokristalliner Form (fortan: zweites Halbleitermaterial) in Lagen mit einer Dicke zwischen 20 und 100 nm aufgebracht. Jede Lage wird durch Bestrahlung mit einem gepulsten Laser aufgeschmolzen. Nach der Bestrahlung kristallisiert das zweite Halbleitermaterial bei seiner Abkühlung. Es werden soviel Lagen aufgebracht bis eine gewünschte Dicke von weniger als 3 μm einer Absorberschicht erreicht ist, die aus der Gesamtheit der Lagen besteht. Allein für eine lediglich 1 μm dicke Absorberschicht sind mindestens 10 Lagen aufzubringen und jeweils mittels eines gepulsten Laserstrahls auszukristallisieren. Es wird ein im UV-Bereich strahlender Excimerlaser verwendet. Die Pulsdauer des Excimerlasers beträgt weniger als 100 ns. Durch die Bestrahlung werden die Lagen für Zeiträume von jeweils 10 bis 200 ns auf Temperaturen zwischen 850°C und 1240°C erhitzt.
Um eine effiziente Kristallisation zu erreichen, ist eine Bestrahlung der zu kristallisierenden Lagen oder Schichten mit einem homogenisierten Laserstrahl von Vorteil. Ein Linsensystem zur Homogenisierung von Laserpulsen ist beispielsweise in der DE 103 45 177 B3 beschrieben. Dabei sind in einem ersten Linsenarray mehrere Linsen vorhanden durch die eine Strahlung in Teilstrahlen aufgetrennt wird. In deren Strahlengängen ist zudem eine Abbildungsoptik so angeordnet, dass die Teilstrahlen zeitlich versetzt auf ein Beleuchtungsfeld auf einer auszukristallisierenden Schicht auftreffen.
Eine multikristalline laserkristallisierte Silizium-Dünnschichtsolarzelle auf einem Glassubstrat sowie das Verfahren zu dessen Herstellung ist in der EP 1 314 208 B1 beschrieben. Dabei wird auf einem Glassubstrat eine amorphe oder mikrokristalline Siliziumschicht abgeschieden, die mit einem Dauerstrichlaser mit einer Wellenlänge im sichtbaren Spektralbereich oder nahen Infrarotbereich zu einer multikristallinen Keimschicht kristallisiert wird. Auf der Keimschicht wird nach dem Aufbringen jeweils eines Bruchteils einer Schichtdicke (fortan: Lage) einer Absorberschicht die jeweilige Lage mit einem gepulsten UV-Laser (Excimerlaser) bestrahlt und epitaktisch auf der Keimschicht bzw. den vorhergehenden Lagen aufgewachsen. Die Dicken der Lagen betragen bis zu 200 nm, während die Dicke der fertigen Absoberschicht mindestens 2 μm betragen soll. Damit sind mindestens zehn Lagen aufzubringen und epitaktisch aufzuwachsen. Während der Durchführung des Verfahrens wird das Substrat auf Temperaturen zwischen 400 und 600°C gehalten, um den Einbau von Wasserstoff in die amorphe Siliziumschicht zu begrenzen. Um das Verfahren wirtschaftlich zu gestalten, ist die Bestrahlung der Teilschichten in einer Abscheidekammer während der Beschichtung durchzuführen, was eine Einkopplung des Laserstrahls in die Kammer erfordert.
Laserstrahlen von Excimerlasern werden nur in einer oberflächennahen Schicht eines in amorpher Form vorliegenden zweiten Halbleitermaterials von z. B. < 10 nm absorbiert, so dass die Aufheizung der restlichen Dicke der Lage durch Wärmeleitung erfolgen muss. Bei der kurzen Pulsdauer des Excimerlasers ist die Eindringtiefe der Wärme, beispielsweise in amorphem Silizium, auf etwa 200 nm beschränkt. Durch diese maximale Eindringtiefe ist auch die kristallisierbare Dicke einer Lage begrenzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Absorberschicht mit weniger Verfahrensschritten auf einer Keimschicht aufgewachsen werden kann, als dies im Stand der Technik beschrieben ist. Es liegt der Erfindung ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird in einem Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle mit einem mehrschichtigen Aufbau, beinhaltend ein Substrat, eine Keimschicht sowie eine Absorberschicht, mit den Schritten:

– Erzeugung einer Keimschicht durch Aufbringen einer amorphen ersten Schicht eines ersten Halbleitermaterials auf ein Substrat und Beaufschlagung der ersten Schicht mit einem ersten Laserstrahl, um diese Schicht zu kristallisieren,
– Erzeugung einer Absorberschicht auf der Keimschicht durch lagenweises Aufbringen einer zweiten Schicht eines zweiten Halbleitermaterials und lagenweises Beaufschlagen der zweiten Schicht mit einem gepulsten, zweiten Laserstrahl, wobei ein lagenweises, epitaktisches Aufwachsen der zweiten Schicht bewirkt wird, dadurch gelöst,
– dass das lagenweise Aufbringen maximal zweilagig erfolgt und
– dass der zweite Laserstrahl eine Wellenlänge in einem Bereich von 500 bis 1100 nm und eine Pulsdauer im Bereich von 300 bis 1200 ns aufweist.

Kern der Erfindung ist die Angabe, wie innerhalb eines Verfahrens zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle durch höchstens zweimaliges Aufbringen von Lagen des zweiten Halbleitermaterials eine vollständige und funktionsfähige Absorberschicht erzeugt werden kann. Dadurch ist in höchst vorteilhafter Weise eine Möglichkeit zur Steigerung der Effizienz der Herstellung von Dünnschichtsolarzellen angegeben.
Die Parameter des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden durch umfangreiche Simulationen eingegrenzt und in einer Vielzahl von Experimenten praxistauglich umgesetzt.
Es ist möglich, dass das lagenweise Aufbringen einlagig erfolgt und die Absorberschicht dann lediglich aus einer einzigen Lage besteht.
In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zweite Laserstrahl mit einer Pulsfolgefrequenz in einem Bereich von 10 bis 100 kHz und einer Laserfluenz in einem Bereich von 1,5 bis 8 J/cm² verwendet. Der erste Laserstrahl kann ebenfalls diese Parameter aufweisen.
Als zweites Halbleitermaterial wird vorzugsweise ein Halbleitermaterial aus einer Gruppe, umfassend Silizium, Galliumarsenid und Siliziumgermanium-Legierungen, ausgewählt. Das zweite Halbleitermaterial kann in amorpher, nano- oder mikrokristalliner Form aufgebracht werden.
Das erste Halbleitermaterial kann mit allen dafür bekannten Beschichtungsmethoden auf das Substrat aufgebracht werden. Günstig ist jedoch, ein Aufbringen mittels solcher Verfahren durch die eine Ausbildung einer dünnen Keimschicht möglich ist, beispielsweise das Sputtern, Elektronenstrahlbedampfen und PECVD. Auch das zweite Halbleitermaterial kann mittels bekannter Verfahren, wie z. B. CVD-Verfahren, aufgebracht werden. Aufgrund der hohen Abscheideraten wird das zweite Halbleitermaterial vorzugsweise mittels Elektronenstrahlbedampfen aufgebracht. Die Dicke der Absorberschicht beträgt zwischen 0,5 und 5 μm, vorzugsweise aber nicht mehr als 2 μm.
Für die Kristallisation der Absorberschicht mittels des zweiten Laserstrahls kommen leistungsstarke Pulslaser mit einer Wellenlänge vom sichtbaren Spektralbereich bis in den nahen IR-Bereich in Frage. Wellenlänge, Pulsdauer und Laserfluenz des zweiten Laserstrahls werden so gewählt, dass die erste Lage bis an die Grenze zur Keimschicht aufgeschmolzen wird. Eventuell kann auch noch ein Teil der Keimschicht mit aufgeschmolzen werden. Besteht die Absorberschicht aus zwei Lagen werden Wellenlänge, Pulsdauer und Laserfluenz des zweiten Laserstrahls so gewählt, dass die zweite Lage bis an die Grenze zur ersten Lage aufgeschmolzen wird. Eventuell kann auch noch ein Teil der ersten Lage mit aufgeschmolzen werden.
Die Parameter des zweiten Laserstrahls müssen dabei so gewählt werden, dass es nicht zum Durchschmelzen der Keimschicht, die lediglich eine Dicke zwischen 50 und 400 nm haben darf, kommt. Diese Dicke darf nicht überschritten werden, um einen ausreichenden Durchtritt von Licht von der Seite des Substrats bis zur Absorberschicht zu gewährleisten.
Zugleich ist es erforderlich, dass die Parameter des zweiten Laserstrahls so gewählt werden, dass die epitaktische Kristallisationsfront so schnell voranschreitet, dass sie ausgehend von der Keimschicht die Oberfläche der ersten Lage erreicht bevor es in der unterkühlten Schmelze der ersten Lage zur spontanen Keimbildung kommt. Für eine vorhandene zweite Lage gilt entsprechendes.
Die erste und die zweite Lage können unterschiedlich, insbesondere abnehmend, dotiert sein. Dotanden können dabei bereits durch die jeweilige Zusammensetzung des zweiten Halbleitermaterials enthalten sein sowie während des Schmelzens und der Kristallisation zugeführt werden.
Es ist möglich, dass die Keimschicht mit einem ersten Laserstrahl mit einer kontinuierlichen Laserstrahlung, sogenanntem Dauerstrich, beaufschlagt wird.
In weiteren Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, dass die Keimschicht mit einem gepulsten ersten Laserstrahl beaufschlagt wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl durch eine selbe Laserquelle zur Verfügung gestellt. Damit ist der besonders günstige Umstand erreicht, dass sowohl für die Kristallisation der Keimschicht als auch für die Kristallisation der Absorberschicht Laserstrahlen ähnlicher oder gleicher Parameter, insbesondere aber gleicher Wellenlängen und Pulsdauer, verwendet werden können. Vorteilhaft ist dann die Möglichkeit einer geringeren Dicke der Keimschicht bis zu lediglich 50 nm gegeben. Da die Keimschicht in jedem Fall hoch dotiert ist und dadurch zwar Licht absorbiert, aber keinen Beitrag zur Erzeugung eines Stroms liefert, sollte sie so dünn wie möglich sein. Zudem kann die Herstellung statt bei 400 bis 700°C bei Raumtemperatur erfolgen.
Um eine homogene und gesteuerte Kristallisation sowohl der Keimschicht als auch der Absorberschicht zu erreichen, erfolgt die Beaufschlagung mit Laserstrahlen, die zu einem definierten Strahlquerschnitt in einer Bearbeitungsebene der Keimschicht oder in einer Bearbeitungsebene der Absorberschicht geformt sind und in der Bearbeitungsebene jeweils ein Beleuchtungsfeld auf der bestrahlten Oberfläche der zu bearbeitenden, insbesondere zu schmelzenden und zu kristallisierenden, Schichten bilden. Unter einer Bearbeitungsebene wird beispielsweise eine Fokusebene oder ein Fokusbereich mit einer Fokuslänge verstanden, in dem die Laserstrahlen für eine Bearbeitung (z. B. für ein Schmelzen) der Keimschicht, respektive der Absorberschicht, geeignete Parameter aufweisen. In einem einfachen Fall ist die Bearbeitungsebene die dem Laserstrahl zugewandte Oberfläche einer zu schmelzenden und zu kristallisierenden Schicht, auf der das Beleuchtungsfeld abgebildet wird. Definierte Strahlquerschnitte können dabei vorzugsweise regelmäßige Geometrien, wie Quadrate, Rechtecke oder Linien, sein. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Laserstrahlen homogenisiert werden, so dass diese homogen auf dem Beleuchtungsfeld der jeweiligen Bearbeitungsebene auftreffen.
In einer bevorzugten Ausführung wird der Strahlquerschnitt als eine Laserlinie ausgebildet. Die Laserlinie kann als eine Linie gebildet werden, deren erzeugender Laserstrahl über die Länge der Laserlinie homogenisiert ist. Sie kann auch aus einer Anzahl von Beleuchtungsfeldern gebildet werden, die zudem wie eine Laserlinie entlang der Bearbeitungsebene geführt werden können. Besteht die Absorberschicht aus zwei Lagen, dann ist vorteilhafterweise jeder Lage eine Bearbeitungsebene zugeordnet. Die Beleuchtungsfelder werden in bestimmter Weise über die zu schmelzenden Bereiche der Keimschicht bzw. der ersten und gegebenenfalls zweiten Lage der Absorberschicht geführt. Dabei können die Beleuchtungsfelder zumindest teilweise überlappend geführt werden, um zu den Rändern der Strahlquerschnitte möglicherweise abnehmende Laserfluenzen zu kompensieren. Die Führung der Beleuchtungsfelder wird durch eine gesteuerte Relativbewegung zwischen ersten bzw. zweiten Laserstrahl und den zu bearbeitenden Schichten bewirkt.
Räumlich definierte Schmelz- und Kristallisationsprozesse sind am besten dann in kontrollierter Weise zu erzeugen, wenn die Parameter der verwendeten Laserstrahlen klar bestimmt sind. Es ist insbesondere von Vorteil, wenn als erster Laserstrahl und als zweiter Laserstrahl solche Laserstrahlen verwendet werden, deren Laserfluenzen über ihr jeweiliges Beleuchtungsfeld homogen, d. h. mit geringst möglichen Varianzen über das Beleuchtungsfeld, sind, also eine homogene Energieverteilung aufweisen. In Fall der Verwendung einer Laserlinie weist die Laserfluenz vorzugsweise in Richtung der Längsausdehnung der Laserlinie eine Top-Hat-Verteilung und in Richtung ihrer Breite eine Gaußverteilung auf.
Als Substrat kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren Glas verwendet werden. Das Glas kann dabei verschiedenste Qualitäten, wie z. B. das Glas S 005 von SCHOTT^®, Borosilikat-Glass oder Kalknatron-Glass, und Dicken von 0,5 bis 6 mm aufweisen.
Auf dem Glas können Barriereschichten vorhanden sein durch die ein Übertritt von Bestandteilen aus dem Glas in die Keimschicht verhindert oder reduziert wird.
Es ist ferner möglich, dass als Substrat eine Folie verwendet wird. Eine solche Folie kann beispielsweise eine Folie aus Polyamid oder Polyethylen sein. Wird eine Folie als Substrat verwendet, wird die Keimschicht ausschließlich mit einem gepulsten Laserstrahl beaufschlagt.
Neben dem Substrat, der Keimschicht und der Absorberschicht können eine oder mehrere weitere Schichten vorhanden sein. Solche Schichten können beispielsweise Barriereschichten, Emitterschichten, Schichten zur Passivierung oder Metallbeschichtungen sein. Letztere können als Reflektoren sowie als Elektroden dienen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch auf andere Halbleiterbauelemente angewendet werden, bei denen eine entsprechende weitere Schicht eines amorphen, nano- oder mikrokristallinen zweiten Halbleitermaterials auszukristallisieren, insbesondere aber epitaktisch aufzuwachsen ist.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für die Herstellung der Absorberschicht zunächst eine Lage des zweiten Halbleitermaterials in amorpher, nano- oder mikrokristalliner Form mit einer Dicke auf die Keimschicht aufgebracht, die der Gesamtdicke bzw. der Hälfte der Gesamtdicke der Absorberschicht entspricht. Die epitaktische Kristallisation wird dann durch Bestrahlung mit dem zweiten Laserstrahl unterstützt, wobei die Erzeugung der gesamten Absorberschicht in einem Schritt bzw. in zwei Schritten erfolgt.
Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Wellenlängen erlauben, in Verbindung mit Pulsdauern von 300 ns und mehr, auch dicke Lagen von mehr als 200 nm Dicke zu erwärmen und zu schmelzen.
Bei der Erzeugung der Absorberschicht mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die Schmelzdauer vorteilhaft lediglich etwas über 1 μs. Das hat zur Folge, dass die Gefahr der Fremdatomverschleppung aus der hochdotierten Keimschicht in die Absorberschicht vergleichsweise gering ist. Während des Aufschmelzens der ersten Lage kommt die Schmelze in Kontakt mit der Keimschicht. Je länger die Schmelzdauer ist, umso schwieriger ist es, ein teilweises Aufschmelzen der Keimschicht zu verhindern. Der Dotand, der in dem aufgeschmolzenen Teil der Keimschicht enthalten war, vermischt sich dann mit der Schmelze der Absorberschicht. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass für die Durchmischung einer 100 nm dicken Schmelzschicht, eine Schmelzdauer von 1 μs notwendig ist. Bei der Verwendung eines gepulsten Laserstrahls liegt die Schmelzdauer bei einer Pulsdauer von 600 ns bei etwa 1 μs. Bei Dicken der Lagen von 0,5 bis 5 μm kommt es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nur entlang der Grenzflächen der Lagen bzw. der ersten Lage und der Keimschicht, zur Durchmischung und zur Fremdatomverschleppung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch deshalb sehr wirtschaftlich, weil die Kristallisation außerhalb einer Abscheidekammer erfolgen kann. Die gesamte Herstellungskette aus Aufbringen der ersten und zweiten Halbleitermaterialien und der laserunterstützten Kristallisation lässt sich somit leicht mit inline-Anlagen realisieren.
Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung mit mindestens einer Laserstrahlenquelle – einer strahlengangseitig der Laserstrahlenquelle nachgeordneten Optik zur Formung, Homogenisierung und Lenkung des von der Laserstrahlenquelle emittierten Laserstrahls auf eine Werkstückaufnahme – mit Mitteln zur Erzeugung einer gesteuerten Relativbewegung zwischen der Werkstückaufnahme und dem Laserstrahl in einer x-y-Ebene sowie mit Mitteln zur Steuerung von Parametern des Laserstrahls, dadurch gelöst,

– dass die Laserstrahlenquelle dazu ausgelegt ist, einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 500 bis 1100 nm und einer Pulsdauer im Bereich von 300 bis 1200 ns bereitzustellen.

Die Laserstrahlenquelle kann eine zweite Laserstrahlenquelle sein, die der Kristallisation der Absorberschicht dient. Zusätzlich kann eine erste Laserstrahlenquelle vorhanden sein, die dazu ausgelegt ist, einen ersten Laserstrahl bereitzustellen, mit dem die Keimschicht auf einem Substrat kristallisiert werden kann.
Die Optik kann so gestaltet sein, dass der Laserstrahl mit einem Strahlquerschnitt, ausgebildet als eine Laserlinie mit homogener Energieverteilung, in der Länge und gaußförmiger Energieverteilung in der Breite auf die Werkstückaufnahme gelenkt ist. Dies kann sowohl für den ersten als auch für den zweiten Laserstrahl gelten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Optik so gestaltet sein, dass der Laserstrahl mit einem Strahlquerschnitt, ausgebildet als ein Rechteck mit homogener Energieverteilung, auf die Werkstückaufnahme gelenkt ist. Dies kann sowohl für den, für den ersten als auch für den zweiten Laserstrahl gelten.
In der Werkstückaufnahme ist das Substrat so gehalten, dass die Laserlinie oder das Rechteck, oder allgemein ein Beleuchtungsfeld, über die Oberflächen der zu kristallisierenden Schichten geführt werden können.
Bei der Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf den zweiten Laserstrahl Bezug genommen. Sollte aber die Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens angewendet werden, nach der der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl von derselben Laserquelle bereitgestellt sind, so sind die Ausführungen zur erfindungsgemäßen Vorrichtung auch auf den ersten Laserstrahl anwendbar.
Die Optik kann ein Bearbeitungskopf mit beispielsweise einer Anordnung von optischen Elementen sein, mittels der ein gepulster Laserstrahl homogenisiert, geformt und auf die Werkstückaufnahme gelenkt werden kann. Das kann z. B. durch ein eingangs beschriebenes Linsensystem zur Homogenisierung von Laserpulsen oder durch einen Scanner, z. B. einen Galvanometerscanner, erfolgen.
Die Mittel zur Erzeugung der gesteuerten Relativbewegung sind so angesteuert, dass ein Versatz (pitch) des Beleuchtungsfelds von Puls zu Puls vorzugsweise zwischen 1 und 2 μm beträgt. Sind die Beleuchtungsfelder so zu beleuchten, dass durch eine Anzahl von Beleuchtungsfeldern Streifen auf den zu kristallisierenden Schichten gebildet sind, sind die Mittel zur Erzeugung der gesteuerten Relativbewegung vorzugsweise so angesteuert, dass mehrere Streifen parallel zueinander ausgerichtet sind und sich benachbarte Streifen um einen Betrag bis 2 mm, in Abhängigkeit des Abfalls der Laserfluenz an den Rändern der Streifen, vorzugsweise aber um einen Betrag von < 1 mm, überlappen.
In jedem Fall ist das Vorhandensein einer Fokusnachführung an der Optik zur Einhaltung optimaler Kristallisationsbedingungen erforderlich.
In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, ist der Laserstrahl in der jeweiligen Bearbeitungsebene zu einer Laserlinie mit einer Länge von beispielsweise 50 bis 100 mm und einer Breite von beispielsweise 5 μm geformt. Dabei weist die Laserfluenz der Laserlinie entlang ihrer Länge eine Top-Hat-Verteilung und über ihre Breite eine Gaußverteilung auf. Die Laserlinie ist streifenweise über die Bearbeitungsebene führbar. Die erforderliche Genauigkeit der Fokusnachführung beträgt dabei etwa ±10 μm.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist durch eine Anordnung einer optischen Faser und eines Galvanometerscanners gegeben. Dadurch ist eine Führung des Laserstrahls über die Faser in den Galvanometerscanner möglich. Je nach vorhandenem Faserquerschnitt können quadratische oder rechteckige Strahlquerschnitte und entsprechende Beleuchtungsfelder in der Bearbeitungsebene erzeugt sein. Vorzugsweise ist ein Rechteck als Beleuchtungsfeld erzeugt. Das Beleuchtungsfeld kann innerhalb eines Bereichs der Bearbeitungsebene gelenkt sein, wobei der Bereich nach in der Bearbeitungsebene verschiebbar ist. Die erforderliche Genauigkeit der Fokusnachführung beträgt in dieser Ausführung etwa ±0,2 mm.
Als Quelle für den zweiten Laserstrahl kann ein Pulslaser verwendet werden der einen Laserstrahl emittiert, der die folgenden Parameter aufweist: eine Wellenlänge von 500 bis 1100 nm; eine Pulsdauer von 300 bis 1200 ns; eine Pulsfolgefrequenz 10 bis 100 kHz und eine Laserfluenz von 1,5 bis 8 J/cm². Letztere Angabe gilt für Dicken der Absorberschicht von 0,5 bis 1 μm.
Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich zur Herstellung hocheffizienter Silizium-Dünnschichtsolarzellen sowie zur Herstellung von Halbleiterbauelementen mit anderen Anwendungsbereichen als der Solarzellentechnik.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Es zeigen die Abbildungen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In 1 ist eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, die als wesentliche Elemente eine Werkzeugaufnahme 6 mit einem Antrieb 12, eine Laserquelle 4 mit einem nachgeordneten optischen System 5 und eine Steuerung 7 umfasst.
In der Werkstückaufnahme 6 ist ein Glas als ein Substrat 1 mit einer ersten Schicht eines auf einer Seite des Substrats 1 flächig in einer x-y-Ebene aufgebrachten ersten Halbleitermaterials 2.1 gehalten. Durch die Laserquelle 4 wird ein erster Laserstrahl 4.1 bereitgestellt, der durch das optische System 5 homogenisiert, geformt und auf die Werkstückaufnahme 6 gelenkt wird.
Die Werkstückaufnahme 6 ist als Vakuumtisch ausgebildet. Der Antrieb 12 ist seinerseits mit der Steuerung 7 zur Erzeugung einer Bewegung der Werkstückaufnahme 6 in der x-y-Ebene verbunden (nur angedeutet gezeigt), wodurch eine gesteuerte Relativbewegung zwischen dem ersten Laserstrahl 4.1 und der Werkstückaufnahme 6 möglich ist. Durch die dem optischen System 5 zugewandten Oberfläche des ersten Halbleitermaterials 2.1 ist eine Bearbeitungsebene 8 gegeben. Die Steuerung 7 ist zur Ansteuerung des optischen Systems 5, der Laserquelle 4 sowie des Antriebs 12 eingerichtet.
Die Laserquelle 4 ist ein Pulslaser (z. B. der diodengepumpte Dünnschichtlaser JenLas^® ASAMA), durch den der erste Laserstrahl 4.1 mit einer Wellenlänge von 515 nm, einer Pulsdauer von 500 ns und einer Pulsfolgefrequenz von 100 kHz emittiert und dem optischen System 5 bereitgestellt ist. Durch das optische System 5 ist der erste Laserstrahl 4.1 in Richtung der z-Achse fokussierbar.
Der erste Laserstrahl 4.1 wird durch das optische System 5 über einen Strahlquerschnitt 4.3 zu einem linienförmigen Strahlquerschnitt 4.3 geformt. Der erste Laserstrahl 4.1 trifft in einem Beleuchtungsfeld 9, das als eine Laserlinie 9.1 ausgebildet ist, auf das erste Halbleitermaterial 2.1 auf. Die Laserlinie 9.1 weist entlang ihrer Länge von 50 mm in Richtung der x-Achse eine Top-Hat-Verteilung ihrer Laserfluenz auf, während die Laserfluenz über ihre Breite von 5 μm in Richtung der y-Achse (Darstellung nicht maßstabsgetreu) eine gaußförmige Verteilung aufweist.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Laserlinie 9.1 streifenweise in Richtung der y-Achse geführt, indem die Werkstückaufnahme 6 durch den Antrieb 12 in Richtung der y-Achse und in der x-y-Ebene mit einer Vorschubgeschwindigkeit zwischen 10 und 50 mm/s bewegt wird. Die Vorschubbewegung ist so auf die Pulsfolgefrequenz abgestimmt, dass ein Pitch 11 von 1,5 μm der einzelnen Beleuchtungsfelder 9 vorhanden ist. Durch die Pulse des ersten Laserstrahls 4.1 wird das erste Halbleitermaterial 2.1, das eine Dicke von 50 nm aufweist, in Richtung der z-Achse durch den ersten Laserstrahl 4.1 bis zum Substrat 1 aufgeschmolzen. Während der anschließenden Abkühlung kristallisiert die Schmelze des ersten Halbleitermaterials 2.1 aus, wodurch eine Keimschicht 2 (schraffiert gezeigt) gebildet wird. Nachdem ein erster Streifen 10.1 des ersten Halbleitermaterials 2.1 durch die Laserlinie 9.1 überstrichen und kristallisiert wurde, wird die Laserlinie 9.1 um einen Betrag in Richtung der x-Achse versetzt, so dass die Laserlinie 9.1 nun entlang eines zweiten Streifens 10.2 (gestrichelt angedeutet) geführt wird. Der erste Streifen 10.1 und der zweite Streifen 10.2 überlappen sich dabei um 1,5 μm (siehe Ausschnittsvergrößerung). Der Versatz der Laserlinie 9.1 erfolgt durch eine entsprechende Zustellung der Werkstückaufnahme 6.
Es ist in weiteren Ausgestaltungen auch möglich, dass das optische System 5 und/oder die Werkstückaufnahme 6 versetzt werden.
In dem optischen System 5 ist ein Abstandssensor (nicht gezeigt) angeordnet, der mit der Steuerung 7 verbunden ist und durch den kontinuierlich ein Abstand zwischen optischen System 5 und Beleuchtungsfeld 9 gemessen wird. Falls es erforderlich ist, kann durch die Steuerung 7 eine Fokusnachführung des optischen Systems 5 erzeugt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können mehrere Laserlinien 9.1 erzeugt und simultan über die Bearbeitungsebene 8 von jeweils zu kristallisierenden Schichten geführt sein. Die Fokusnachführung wird dann pro Laserlinie 9.1 realisiert.
In der 2 ist eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Die Vorrichtung entspricht der in 1 erläuterten Vorrichtung. Durch die Laserquelle 4 wird ein zweiter Laserstrahl 4.2 bereitgestellt, dessen Wellenlänge 515 nm beträgt und der eine Pulsdauer von 700 ns und eine Pulsfolgefrequenz von 50 kHz aufweist. Der Strahlquerschnitt 4.3 des zweiten Laserstrahls 4.2 ist durch das optische System 5 so geformt, dass das Beleuchtungsfeld 9 ein Quadrat 9.2 einer Kantenlänge von 0,5 mm ist.
Das Beleuchtungsfeld 9 ist in einer, durch eine zweite Schicht eines amorphen zweiten Halbleitermaterials 3.1 gegebenen, Bearbeitungsebene 8 gegeben. Das zweite Halbleitermaterial 3.1 ist über dem Substrat 1 und der Keimschicht 2 mittels Elektronenstrahlbedampfens in einer Lage aufgebracht. Um das zweite Halbleitermaterial 3.1 zu kristallisieren und somit eine Absorberschicht 3 zu erzeugen, ist die Werkstückaufnahme 6 als ein Galvanometerscanner ausgebildet, durch den das Beleuchtungsfeld 9 in Richtung der x-Achse innerhalb eines Bereichs 8.1 (300 × 300 mm) der Bearbeitungsebene 8 in Richtung der x-Achse in Zeilen über die Breite des Bereichs 8.1 geführt wird und die Zeilen in Richtung der y-Achse mit einem Pitch 11 (nicht gezeigt) von 1,5 μm versetzt angeordnet sind. Der Pitch 11 (nicht gezeigt) zwischen den Beleuchtungsfeldern 9 einer Zeile beträgt ebenfalls 1,5 μm.
Der Bereich 8.1 wird vollständig gescannt und anschließend in Richtung der y-Achse verschoben.
In weiteren Ausführungen der Erfindung kann der Bereich 8.1 auch in einer anderen Richtung der x-y-Ebene verschoben werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung sind zur zeit- und kosteneffizienten Herstellung von Halbleiterbauelementen, insbesondere von Dünnschichtsolarzellen, geeignet.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Keimschicht
2.1: erstes Halbleitermaterial
3: Absorberschicht
3.1: zweites Halbleitermaterial
4: Laserquelle
4.1: erster Laserstrahl
4.2: zweiter Laserstrahl
4.3: Strahlquerschnitt
5: optisches System
6: Werkstückaufnahme
7: Steuerung
8: Bearbeitungsebene
8.1: Bereich
9: Beleuchtungsfeld
9.1: Laserlinie
9.2: Quadrat
10.1: erster Streifen
10.2: zweiter Streifen
11: Pitch
12: Antrieb

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1314208 B1 [0001, 0002, 0002, 0006]
DE 102005045096 A1 [0002, 0002, 0004]
DE 102004036220 B4 [0003]
DE 10345177 B3 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle mit einem mehrschichtigen Aufbau beinhaltend ein Substrat (1), eine Keimschicht (2) sowie eine Absorberschicht (3), mit den Schritten: – Erzeugung der Keimschicht (2) durch Aufbringen einer amorphen ersten Schicht eines ersten Halbleitermaterials (2.1) auf dem Substrat (1) und Beaufschlagung der ersten Schicht mit einem ersten Laserstrahl (4.1), um diese Schicht zu kristallisieren, – Erzeugung der Absorberschicht (3) auf der Keimschicht (2) durch lagenweises Aufbringen einer zweiten Schicht eines zweiten Halbleitermaterials (3.1) und lagenweises Beaufschlagen der zweiten Schicht mit einem gepulsten, zweiten Laserstrahl (4.2), wobei ein lagenweises, epitaktisches Aufwachsen der zweiten Schicht bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – das lagenweise Aufbringen maximal zweilagig erfolgt und – der zweite Laserstrahl (4.2) eine Wellenlänge in einem Bereich von 500 bis 1100 nm und eine Pulsdauer im Bereich von 300 bis 1200 ns aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das lagenweise Aufbringen einlagig erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laserstrahl (4.2) mit einer Pulsfolgefrequenz in einem Bereich von 10 bis 100 kHz und einer Laserfluenz in einem Bereich von 1,5 bis 8 J/cm² verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (4.1) und der zweite Laserstrahl (4.2) durch eine selbe Laserquelle (4) zur Verfügung gestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Halbleitermaterial (3.1) ein Halbleitermaterial aus einer Gruppe, umfassend Silizium, Galliumarsenid und Siliziumgermanium-Legierungen, ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat (1) ein Glas verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas mit einer Barriereschicht versehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat (1) eine Folie verwendet wird, wobei dann die erste Schicht ausschließlich mit einem gepulsten Laserstrahl beaufschlagt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit mindestens einer Laserstrahlenquelle (4) – eines strahlengangseitig der Laserstrahlenquelle (4) nachgeordneten optischen Systems (5) zur Formung, Homogenisierung und Lenkung des von der Laserstrahlenquelle (4) emittierten Laserstrahls auf eine Werkstückaufnahme (6) – mit Mitteln zur Erzeugung einer gesteuerten Relativbewegung zwischen der Werkstückaufnahme (6) und dem Laserstrahl in einer x-y-Ebene sowie mit Mitteln zur Steuerung von Parametern des Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, dass – die Laserstrahlenquelle (4) dazu ausgelegt ist, einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 500 bis 1100 nm und einer Pulsdauer im Bereich von 300 bis 1200 ns bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlenquelle (4) eine zweite Laserstrahlenquelle ist, die der Kristallisation der Absorberschicht (3) dient und eine erste Laserstrahlenquelle vorhanden ist, die dazu, ausgelegt ist, einen Laserstrahl bereitzustellen, mit dem die Keimschicht (2) auf dem Substrat (1) kristallisiert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (5) so gestaltet ist, dass der Laserstrahl mit einem Strahlquerschnitt (4.3) ausgebildet als eine Laserlinie (9.1) mit homogener Energieverteilung in der Länge und gaußförmiger Energieverteilung in der Breite auf die Werkstückaufnahme (6) gelenkt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die das optische System (5) so gestaltet ist, dass der Laserstrahl mit einem Strahlquerschnitt (4.3) ausgebildet als ein Rechteck mit homogener Energieverteilung auf die Werkstückaufnahme (6) gelenkt ist.