DE102012105457B3

DE102012105457B3 - Schichtsystem für eine transparente Elektrode und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102012105457B3
Application number: DE201210105457
Authority: DE
Inventors: Kevin Füchsel; Sven Schröder; Julian Pulsack
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2032-06-23

Abstract

Es wird ein Schichtsystem für eine transparente Elektrode angegeben, umfassend – eine auf ein Substrat (1) aufgebrachte strukturierte Grundschicht (2), welche Strukturen (21) aufweist, die das Substrat (1) nur teilweise bedecken, – eine transparente leitfähige Oxidschicht (3), die auf die Grundschicht (2) aufgebracht ist und Oberflächenstrukturen (31) aufweist, deren mittlere Höhe mindestens um einen Faktor 3 größer ist als eine mittlere Höhe der Strukturen (21) der Grundschicht (2). Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung des Schichtsystems beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem für eine transparente Elektrode und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Transparente Elektroden werden insbesondere in optoelektronischen Bauelementen eingesetzt. Bei den optoelektronischen Bauelementen kann es sich um strahlungsempfangende Bauelemente wie beispielsweise Solarzellen oder Fotodioden oder um strahlungsemittierende Bauelemente wie beispielsweise LCD-Bildschirme handeln.
Zur Herstellung transparenter Elektroden werden insbesondere transparente leitfähige Oxidschichten eingesetzt, die sich sowohl durch eine hohe Transparenz als auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit auszeichnen. Geeignete transparente leitfähige Oxide sind beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO) oder mit Aluminium dotiertes Zinkoxid (ZnO:Al).
In der Druckschrift US 2001/0027803 A1 ist ein Photovoltaik-Bauelement beschrieben, das an der Oberfläche eine durch einen Ätzprozess strukturierte ZnO-Schicht aufweist, die als Elektrode fungiert.
Die Druckschrift US 7 320 827 B2 beschreibt die Herstellung eines Schichtsystems für beispielsweise ein Photovoltaik-Bauelement, das auf einem Glassubstrat eine strukturierte Grundschicht aus Metalloxid-Partikeln, eine Diffusionsbarriere und eine transparente leitfähige Oxidschicht mit einer Oberflächenrauheit aufweist, deren Höhe in etwa der Größe der Metalloxid-Partikel entspricht.
Aus der Druckschrift V. Sittinger et al., ”ZnO:Al films deposited by in-line reactive AC magnetron sputtering for a-Si:H thin film solar cells”, Thin Solid Films 496 (2009), 16–25, ist bekannt, die Effizienz einer Solarzelle durch die Verwendung einer oberflächenstrukturierten transparenten Elektrode aus ZnO:Al zu erhöhen. Durch die Oberflächenstrukturierung der transparenten leitfähigen Oxidschicht aus ZnO:Al wird eine hohe Transparenz und eine Lichtstreuung in die darunter liegenden Siliziumschichten erzielt. Die Herstellung der Oberflächenstruktur in der transparenten leitfähigen Oxidschicht erfolgt in diesem Fall durch einen nasschemischen Ätzprozess mit HCl nach dem Aufbringen der transparenten leitfähigen Oxidschicht.
Es hat sich herausgestellt, dass sich nicht alle transparenten leitfähigen Oxide mit einem derartigen Ätzprozess ohne weiteres derart strukturieren lassen, dass sie zur Verbesserung der Transparenz und/oder Erhöhung der diffusen Streuung geeignete Strukturen aufweisen. Insbesondere ist es bei der Strukturierung einer transparenten leitfähigen Oxidschicht mittels eines Ätzprozesses schwierig oder nur in einem engen Bereich möglich, die Dimensionen der erzeugten Strukturen zu beeinflussen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Schichtsystem für eine transparente Elektrode mit einer hohen Transparenz und/oder lichtstreuenden Eigenschaften anzugeben, dass Oberflächenstrukturen aufweist und vergleichsweise einfach herstellbar ist. Weiterhin soll ein geeignetes Verfahren zur Herstellung des Schichtsystems angegeben werden.
Diese Aufgaben werden durch ein Schichtsystem für eine transparente Elektrode und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Der Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche ist jeweils beispielsweise aus der US 2001/0027803 A1 bekannt.
Das Schichtsystem für eine transparente Elektrode umfasst gemäß zumindest einer Ausgestaltung eine auf ein Substrat aufgebrachte strukturierte Grundschicht. Die strukturierte Grundschicht weist Strukturen auf, die das Substrat nur teilweise bedecken. Teilbereiche der Substratoberfläche, die zwischen den Strukturen der Grundschicht angeordnet sind, sind vorteilhaft nicht von der Grundschicht bedeckt. Die Strukturen der Grundschicht weisen eine periodische Anordnung mit einer Periode von weniger als 1 μm auf. Die Strukturen der Grundschicht können beispielsweise in Form eines Gitters auf dem Substrat angeordnet sein. Auf die strukturierte Grundschicht ist eine transparente leitfähige Oxidschicht aufgebracht. Die transparente leitfähige Oxidschicht kann beispielsweise mittels eines PVD- oder CVD-Verfahrens, zum Beispiel thermischer Verdampfung oder Sputtern, auf die strukturierte Grundschicht aufgebracht sein. Die transparente leitfähige Oxidschicht weist Oberflächenstrukturen auf, deren mittlere Höhe mindestens um einen Faktor 3 größer ist als eine mittlere Höhe der Strukturen der Grundschicht. Unter der mittleren Höhe wird hier und im Folgenden jeweils die über alle an der Oberfläche angeordneten Oberflächenstrukturen gemittelte Höhe verstanden.
Das hierin beschriebene Schichtsystem für eine transparente Elektrode macht sich die Erkenntnis zunutze, dass beim Aufbringen einer transparenten leitfähigen Oxidschicht auf eine strukturierte Grundschicht, welche das Substrat nur teilweise bedeckt, Oberflächenstrukturen an der Oberfläche der transparenten leitfähigen Oxidschicht ausgebildet werden, deren mittlere Höhe größer ist als die mittlere Höhe der Strukturen der Grundschicht.
Insbesondere hat sich herausgestellt, dass beim Aufbringen der transparenten leitfähigen Oxidschicht auf die strukturierte Grundschicht eine Oberflächenstruktur in der transparenten leitfähigen Oxidschicht ausgebildet wird, welche die Struktur der Grundschicht nicht oder nicht nur konform nachbildet. Vielmehr entstehen beim Aufwachsen der transparenten leitfähigen Oxidschicht auf die strukturierte Grundschicht Oberflächenstrukturen, die gegenüber den Strukturen der strukturierten Grundschicht überhöht sind.
Es wird vermutet, dass die größere Höhe der Oberflächenstrukturen an der Oberfläche der transparenten leitfähigen Oxidschicht dadurch bedingt ist, dass die transparente leitfähige Oxidschicht teilweise auf mit der Grundschicht bedeckte Bereiche des Substrats und teilweise auf unbedeckte Bereiche des Substrats aufwächst, wobei das Substrat und die Grundschicht verschiedene Oberflächenenergien aufweisen. Die Grundschicht ist insbesondere aus einem anderen Material als das Substrat gebildet. Die Oberflächenstruktur der transparenten leitfähigen Oxidschicht kann durch die Auswahl der Materialien des Substrats und der Grundschicht beeinflusst werden.
Die vergleichsweise großen Höhen der Oberflächenstrukturen haben den Vorteil, dass die transparente leitfähige Oxidschicht eine hohe Transparenz und/oder lichtstreuende Eigenschaften für das empfangene oder für das emittierte Licht eines optoelektronischen Bauelements aufweist. Weiterhin sind die Oberflächenstrukturen einfach herstellbar.
Die mittlere Höhe der Oberflächestrukturen der transparenten leitfähigen Oxidschicht ist vorteilhaft um einen Faktor 3 bis zu einem Faktor 20 größer als die mittlere Höhe der Strukturen der Grundschicht. Bei bevorzugten Ausgestaltungen ist die mittlere Höhe der Oberflächestrukturen um mindestens einen Faktor 5 oder sogar um mindestens einen Faktor 10 größer als die mittlere Höhe der Strukturen der Grundschicht.
Die Strukturen der Grundschicht weisen vorzugsweise eine mittlere Höhe von weniger als 50 nm auf. Besonders bevorzugt beträgt die mittlere Höhe der Strukturen der Grundschicht zwischen einschließlich 5 nm und einschließlich 15 nm.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Oberflächenstrukturen in zumindest einer lateralen Richtung oder in allen lateralen Richtungen eine Ausdehnung von weniger als 500 nm auf. Bevorzugt weisen die Oberflächenstrukturen in zumindest einer lateralen Richtung oder in allen lateralen Richtungen eine Ausdehnung zwischen 50 nm und 300 nm auf.
Bei einer Ausgestaltung weisen die Strukturen der strukturierten Grundschicht regelmäßige Größen und Formen auf. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Strukturen der Grundschicht gezielt durch Fotolithographie in Verbindung mit einem Ätzprozess hergestellt werden.
Die Strukturen der Grundschicht sind periodisch angeordnet. Beispielsweise kann die strukturierte Grundschicht eine Gitterstruktur aufweisen, die aus einer Vielzahl von parallelen Gitterstegen gebildet wird. Die Periode der periodischen Anordnung beträgt weniger als 1 μm. Besonders bevorzugt beträgt die Periode zwischen einschließlich 100 nm und einschließlich 400 nm.
Die transparente leitfähige Oxidschicht weist vorzugsweise eine Dicke von weniger als 5 μm, besonders bevorzugt von weniger als 2 μm auf.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die transparente leitfähige Oxidschicht Indiumzinnoxid auf. Bei einer alternativen Ausgestaltung weist die transparente leitfähige Oxidschicht Zinkoxid auf, das vorzugsweise mit Aluminium dotiert ist. Diese Materialien zeichnen sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Transparenz aus.
Die Grundschicht ist vorzugsweise eine dielektrische Schicht. Insbesondere kann die Grundschicht eine Oxid- oder Nitridschicht sein. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung enthält die Grundschicht ein Siliziumoxid, insbesondere Siliziumdioxid (SiO₂), oder Aluminiumoxid (Al₂O₃).
Das Substrat des Schichtsystems kann insbesondere Silizium, Glas oder eine Glaskeramik aufweisen.
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems für eine transparente Elektrode wird in einem ersten Schritt eine strukturierte Grundschicht auf einem Substrat derart erzeugt, dass die Strukturen der Grundschicht das Substrat nur teilweise bedecken. In einem weiteren Schritt wird eine transparente leitfähige Oxidschicht auf die strukturierte Grundschicht aufgebracht, wobei sich an der Oberfläche der transparenten leitfähigen Oxidschicht Oberflächenstrukturen ausbilden, deren mittlere Höhe mindestens um einen Faktor 3 größer ist als die mittlere Höhe der Strukturen der Grundschicht, und wobei die Strukturen der Grundschicht eine periodische Anordnung mit einer Periode von weniger als 1 μm aufweisen.
Bei dem Verfahren werden die Oberflächenstrukturen in der transparenten leitfähigen Oxidschicht vorteilhaft ohne Anwendung eines materialabtragenden Prozesses ausgebildet. Insbesondere wird kein Ätzprozess zur Erzeugung der Oberflächenstrukturen eingesetzt. Vielmehr bilden sich die Oberflächenstrukturen in der transparenten leitfähigen Oxidschicht unmittelbar beim Aufwachsen auf die strukturierte Grundschicht aus. Dieses Verfahren zur Herstellung der Oberflächenstrukturen ist vorteilhaft auf verschiedene transparente leitfähige Oxide anwendbar.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird die strukturierte Grundschicht dadurch erzeugt, dass das Material der Grundschicht mit einem Beschichtungsprozess ganzflächig auf das Substrat abgeschieden und nachfolgend durch ein Lithographieverfahren strukturiert wird. Bei diesem Verfahren können die Strukturen der Grundschicht vorteilhaft gezielt durch eine entsprechende Belichtung einer Fotolackschicht, die bei dem Lithographieverfahren verwendet wird, erzeugt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus der Beschreibung des Schichtsystems und umgekehrt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der 1 näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Schichtsystem für eine transparente Elektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die in der 1 dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
Das in 1 dargestellte Schichtsystem weist ein Substrat 1 auf, das insbesondere Silizium, Glas oder ein Glaskeramik aufweisen kann. Auf das Substrat 1 ist eine strukturierte Grundschicht 2 aufgebracht. Die strukturierte Grundschicht 2 ist vorzugsweise eine transparente dielektrische Schicht. Insbesondere kann die Grundschicht 2 eine Oxid- oder Nitridschicht sein. Die Grundschicht 2 weist vorzugsweise ein Siliziumoxid, insbesondere SiO₂, auf. Alternativ kann die strukturierte Grundschicht 2 aber auch ein anderes dielektrisches Material aufweisen.
Die Grundschicht 2 weist Strukturen 21 auf, die das Substrat 1 nicht vollständig bedecken. Die Strukturen 21 der Grundschicht 2 weisen vorteilhaft in mindestens einer lateralen Richtung eine Ausdehnung von weniger als 500 nm, bevorzugt zwischen 50 nm und 300 nm auf. Die Höhe der Strukturen 21 beträgt vorteilhaft nicht mehr als 50 nm, vorzugsweise zwischen einschließlich 5 nm und einschließlich 15 nm.
Die Strukturen 21 sind periodisch angeordnet, wobei die Periode weniger als 1 μm, bevorzugt zwischen 100 nm und 400 nm beträgt. Bei den Strukturen 21 kann es sich insbesondere um eine ein- oder zweidimensionale Gitterstruktur handeln. Die in 1 im Querschnitt dargestellten Strukturen 21 können insbesondere die Stege eines Gitters sein. Eine geeignete Struktur für die strukturierte Grundschicht 2 ist beispielsweise ein Kreuzgitter, das zum Beispiel eine Periode von 100 nm aufweist.
Die Strukturen 21 der strukturierten Grundschicht 2 weisen bei dem Ausführungsbeispiel regelmäßige Größen und Formen auf. Das Herstellen der Strukturen 21 mit definierten Größen und Formen kann insbesondere durch ein Lithographieverfahren erfolgen.
Auf die strukturierte Grundschicht 2 ist eine transparente leitfähige Oxidschicht 3 aufgebracht. Die transparente leitfähige Oxidschicht 3 kann beispielsweise durch einen PVD- oder CVD-Beschichtungsprozess auf die strukturierte Grundschicht 2 aufgebracht werden. Insbesondere kann die transparente leitfähige Oxidschicht 3 durch thermische Verdampfung oder Sputtern aufgebracht werden. Die transparente leitfähige Oxidschicht weist vorzugsweise eine Dicke von nicht mehr als 5 μm, bevorzugt von nicht mehr als 2 μm auf.
Die transparente leitfähige Oxidschicht 3 ist vorzugsweise eine Schicht aus Indiumzinnoxid oder eine Schicht aus Zinkoxid, das vorteilhaft mit Aluminium dotiert ist. Diese transparenten leitfähigen Oxide zeichnen sich durch eine hohe Transparenz im sichtbaren Spektralbereich sowie durch eine gute elektrische Leitfähigkeit aus.
Die transparente leitfähige Oxidschicht 3 weist Oberflächenstrukturen 31 auf. Die Oberflächenstrukturen 31 bilden die Strukturen 21 der Grundschicht 2 vorteilhaft nicht konform nach, sondern weisen insbesondere im Mittel eine größere Höhe auf als die Strukturen 21 der Grundschicht 2. Die Oberflächenstrukturen 31 weisen vorteilhaft eine mittlere Höhe auf, die mindestens das 3-fache, bevorzugt mindestens das 5-fache und besonders bevorzugt mindestens das 10-fache der mittleren Höhe der Strukturen 21 der Grundschicht 2 beträgt.
Die Entstehung der Oberflächenstrukturen 31 ist insbesondere durch die verschiedenen Oberflächenenergien des Substrats 1 und der Grundschicht 2 bedingt. Die Höhen der Oberflächenstrukturen 31 können daher insbesondere durch die Auswahl des Materials des Substrats 1 und der Grundschicht 2 beeinflusst werden.
Die Ausbildung der Oberflächenstrukturen 31 erfolgt insbesondere nicht durch eine gezielte Strukturierung mit einem Lithographieprozess, sondern durch einen Selbstorganisationsprozess während des Wachstums der transparenten leitfähigen Oxidschicht 3. Vorteilhaft muss daher nach dem Aufwachsen der transparenten leitfähigen Oxidschicht 3 kein materialabtragender Prozess zur Herstellung der Oberflächenstrukturen 31 angewandt werden. Das Schichtsystem kann daher auf vergleichsweise einfache Weise hergestellt werden.
Das Schichtsystem ist insbesondere zur Herstellung einer transparenten Elektrode für ein strahlungsempfangendes oder strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement, beispielsweise zur Herstellung einer Solarzelle, einer Fotodiode oder eines LCD-Displays geeignet.

Claims

Schichtsystem für eine transparente Elektrode, umfassend – eine auf ein Substrat (1) aufgebrachte strukturierte Grundschicht (2), welche Strukturen (21) aufweist, die das Substrat (1) nur teilweise bedecken, – eine transparente leitfähige Oxidschicht (3), die auf die Grundschicht (2) aufgebracht ist und Oberflächenstrukturen (31) aufweist, deren mittlere Höhe mindestens um einen Faktor 3 größer ist als eine mittlere Höhe der Strukturen (21) der Grundschicht (2) dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (21) der Grundschicht (2) eine periodische Anordnung mit einer Periode von weniger als 1 μm aufweisen.
Schichtsystem nach Anspruch 1, wobei die mittlere Höhe der Oberflächenstrukturen (31) mindestens um einen Faktor 5 größer ist als die mittlere Höhe der Strukturen (21) der Grundschicht (2).
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strukturen (21) der Grundschicht (2) eine mittlere Höhe von weniger als 50 nm aufweisen.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strukturen (21) der Grundschicht (2) in zumindest einer lateralen Richtung eine Ausdehnung von weniger als 500 nm aufweisen.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strukturen (21) der Grundschicht (2) regelmäßige Größen und Formen aufweisen.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grundschicht (2) eine dielektrische Schicht ist.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die transparente leitfähige Oxidschicht (3) Indiumzinnoxid oder mit Aluminium dotiertes Zinkoxid aufweist.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die transparente leitfähige Oxidschicht (3) eine mittlere Dicke von weniger als 5 μm aufweist.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (1) Silizium, Glas oder eine Glaskeramik aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems für eine transparenten Elektrode, mit den Schritten: – Erzeugen einer strukturierten Grundschicht (2) auf einem Substrat (1) derart, dass das Substrat (1) von Strukturen (21) der Grundschicht (2) nur teilweise bedeckt wird, und – Aufbringen einer transparenten leitfähigen Oxidschicht (3) auf die Grundschicht (2), wobei sich an der Oberfläche der transparenten leitfähigen Oxidschicht (3) Oberflächenstrukturen (31) ausbilden, deren mittlere Höhe mindestens um einen Faktor 3 größer ist als die mittlere Höhe der Strukturen (21) der Grundschicht (2) dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (21) der Grundschicht (2) eine periodische Anordnung mit einer Periode von weniger als 1 μm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Oberflächenstrukturen (31) erzeugt werden, ohne dass nach dem Aufwachsen der transparenten leitfähigen Oxidschicht ein materialabtragender Prozess angewandt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die strukturierte Grundschicht (2) dadurch erzeugt wird, dass die Grundschicht (2) mit einem Beschichtungsprozess ganzflächig auf dem Substrat (1) abgeschieden und nachfolgend durch ein Lithografieverfahren strukturiert wird.