DE19842002A1 - Substrat zur Abscheidung einer für Solarzellen geeigneten Halbleiterschicht und Herstellungsverfahren des Substrats - Google Patents
Substrat zur Abscheidung einer für Solarzellen geeigneten Halbleiterschicht und Herstellungsverfahren des SubstratsInfo
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Abstract
Es wird ein Substrat zur Abscheidung einer für Solarzellen geeigneten Halbleiterkristallschicht angegeben, insbeondere zur Abscheidung einer polykristallinen Siliciumschicht, und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Dabei setzt sich das Substrat aus Kristallkörnern einer bestimmten Größe des Korndurchmessers zusammen. Dafür wird als Sinteradditiv ein Stoff verwendet, der an der Oberfläche des gesinterten Substrats eine die Kristellkeimbildung des Schichtmaterials hemmende Wirkung hat.
Description
Die Erfindung betrifft ein polykristallines Substrat zur Abscheidung einer poly
kristallinen Halbleiterschicht, insbesondere Siliciumschicht für Dünnschichtsolar
zellen und die Verfahrensweise zur Herstellung solcher Substrate.
Es ist bekannt, aus Kostengründen dünne Siliciumschichten (z. B. ≦ 50 µm dick)
mittels CVD-Verfahren auf einem Träger aus keramischem Material abzuscheiden und
nachfolgend die Solarzelle in dieser polykristallin entstandenen Schicht mit übli
chen Behandlungsschritten auszubilden. Die Leistungsparameter der Solarzelle
werden primär von der Qualität der polykristallinen Schicht bestimmt. So richten
sich die Bemühungen insbesondere auf Maßnahmen zur Verbesserung der elek
trischen Schichtparameter, speziell auf die Erhöhung der Diffusionslänge der La
dungsträger und die Einstellung von homogenen und hinreichend hohen Dotan
denkonzentrationen in bestimmten Schichtgebieten. Eine besondere Rolle spielen
für die Güte der Siliciumschicht Reinheit (Fremdatome) und Kristalldefekte (Korn
grenzen), da diese zur ungleichmäßigen Ausbildung der Schichten führen und La
dungsträger durch Rekombination vernichten. Die Bemühungen zur Verbesserung
der Schichteigenschaften richten sich einerseits auf die Präparation der Keramik
substrate und andererseits auf die Schichtabscheidebedingungen der Silicium
schicht. So konnte bei Al2O3-Keramik gezeigt werden, daß für die aufwachsende
Siliciumschicht, sowohl die Nachbearbeitung des Substrats: Politur und thermi
sches Ätzen (C. Schmidt, B. von Ehrenwall, A. Braun, A. Püschel, S. Ruckmich,
B. Tierock, M. Nell, H.-G. Wagemann; PROCEEDINGS OF THE 14th EUROPE-
AN PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY CONFERENCE, BARCELONA,
SPAIN; 30. JUNE-4. JULY 1997, S. 2694-2697), als auch die CVD-Schichtab
scheideparameter wie Temperatur, Übersättigung und HCl-Anteil im Gasstrom (G.
Beaucarne, J. Poortmans, M. Caymax, J. Nijs, R. Mertens, R. Monna, D. Anger
meier, A. Slaoui; PROCEEDINGS OF THE 14th EUROPEAN PHOTOVOLTAIC
SOLAR ENERGY CONFERENCE, BARCELONA, SPAIN; 30. JUNE-4. JULY
1997, S. 1007-1010) von Einfluß sind. Es wurde auch bereits vorgeschlagen, die
Oberflächen der Keramiksubstrate so zu präparieren, daß diese nur an bestimmten,
gleichmäßig über die Fläche verteilten grubenartigen Einsenkungen eine bevor
zugte Keimbildung bei der Siliciumschichtabscheidung zulassen und auf der
Hauptfläche die Ankristallisation des Siliciums behindert wird. Es überwachsen
so die sich früher herausbildenden großen Kristallite die Vielzahl der viel kleine
ren Kristallkeime, die sich dadurch nicht weiter ausprägen können, womit ihr
negativer Einfluß unterdrückt wird. Jeder zusätzliche Verfahrensschritt macht den
Gesamtprozeß der Herstellung der Solarzellen teurer. Insofern ist es ein techni
scher Fortschritt, wenn Präparationsschritte des Substrats entfallen können und
die für die Halbleiterschichtbildung günstigen Bedingungen bereits primär vom
Substrat ausgehend vorliegen. Die kommerziell zu beziehenden Keramiksubstrate
bestehen in der Regel aus sehr kleinen Körnern und sind in ihrer Zusammenset
zung in der unbehandelten Form für die Ausbildung einer für den Aufbau von
Solarzellen brauchbaren Siliciumschicht bei Anwendung des CVD-Verfahrens
nicht geeignet. Eine Verbesserung der Voraussetzungen für die Abscheidung einer
geeigneten Siliciumschicht kann durch eine thermische Behandlung, ein sogen.
Auslagern, erreicht werden. Jedoch handelt es sich hierbei um eine langwierige,
energieintensive und folglich teure Nachbehandlung des Substrats, die es zu ver
meiden oder im Aufwand stark zu verringern gilt.
Für die gute Qualität von sehr dünnen Siliciumschichten ist eine geglättete, nicht
unbedingt ebene Substratoberfläche Voraussetzung. Die Glättung kann durch die
üblichen Maßnahmen erfolgen. Es kann die Glättung z. B. üblicherweise durch
Politur einer vorher durch Schleifen oder Läppen eingeebneten Substratoberfläche
erreicht werden.
Ziel der Erfindung ist die Reduzierung der Herstellungskosten von Dünnschicht
solarzellen, die unter Verwendung von polykristallinen Schichten auf polykri
stallinen Trägermaterialien ausgebildet werden, insbesondere von polykristallinen
Siliciumschichten auf polykristallinen Trägermaterialien wie z. B. auf Körpern aus
Al2O3, B4C, SiC oder AlN.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, Zusammensetzungen von Keramiken zur Her
stellung von Substraten anzugeben, welche eine vorteilhafte Ausbildung der poly
kristallinen Schicht begünstigen, die die aktiven Solarzellenbereiche aufnimmt und
den Verfahrens weg zur Erzeugung solcher Substrate in kostengünstiger Weise zu
beschreiben.
Es wurde gefunden, daß eine Aluminiumoxidkeramik dann gute Voraussetzungen
für die Abscheidung einer für Solarzellen geeigneten Siliciumschicht bietet, wenn
sich diese zu ≧ 75% aus Körnern eines definierten Größenbereichs des Korn
durchmessers von 30 bis 70 µm und einem MgO-Anteil von größer 3% zusam
mensetzt. Es wird vermutet, daß hierbei ein Teil der Körner in statistischer Ver
teilung eine für die Keimbildung des Siliciums günstige Orientierung aufweist und
ein anderer Teil nicht. So ergeben sich vorteilhafte Verhältnisse hinsichtlich des
Wachstums größerer Körner in der polykristallinen Siliciumschicht dadurch, daß
die Gebiete mit verminderter Si-Keimbildung von den aus den Nukleationszentren
der anderen Gebiete herauswachsenden Siliciumstrukturen überwachsen werden.
Der die Silicium-Keimbildung hemmende Einfluß bei einer Reihe von in gleicher
Weise kristallographisch orientierten Körnern könnte auch durch eine bevorzugte
Migration des MgO auf der Kornoberfläche bedingt sein.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Vorgehens wurden auch andere bekannte
Keramiken als Solarzellen-Substrate zum Tragen einer Siliciumschicht geeignet
gefunden, wenn die Korngröße und der Anteil der Sinteradditivkomponente ab
weichend von den kommerziell erhältlichen Produkten in der beschriebenen Wei
se größer waren. So z. B. sind es der Kohlenstoff im B4C und im gesinterten SiC
und das Yttriumoxid im AlN, welche mit höherem Anteil bei vergrößerter Kör
nung vorteilhafte Bedingungen für das kolumnare Wachstum von größeren Silici
umkörnern durch die Erzeugung von Gebieten mit Keimbildungshemmung in
statistischer Verteilung schaffen.
Die mittlere Korngröße der Siliciumschicht kann durch die Korngröße des Kera
miksubstrats und den MgO-Anteil beeinflußt werden. Sie hängt ferner von den
optimierbaren Abscheidebedingungen des CVD-Verfahrens ab. Wichtig ist eine
relativ gleichmäßige Verteilung der die Silicium-Keimbildung begünstigenden und
der die Keimbildung hemmenden Körner der Substratoberfläche, welche sich bei
dem angegebenen Korngrößenbereich rein statistisch ergibt. Durch Vergrößerung
der Körner in der Siliciumschicht wird der Gesamtflächenanteil der Korngrenzen
insgesamt reduziert, was zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften der
Schicht beiträgt. Für B4C- und SiC-Keramikzusammensetzungen mit dem Sinte
radditiv Kohlenstoff und AlN-Keramik mit dem Sinteradditiv Yttriumoxid gilt
sinngemäß die gleiche Vorgehens weise. Bei zu großen Korndurchmessern des
Substrats kommt es zu größeren, nicht gewünschten Inhomogenitäten in der
Siliciumschicht.
Um die Substrate möglichst kostengünstig herzustellen, besteht die Möglichkeit,
diese aus mehreren Schichten aufzubauen, die fest miteinander verbunden sind.
Dabei können die an der zur Abscheidung der Halbleiterschicht genutzten Ober
fläche nicht vorliegenden Substratschichten aus hinsichtlich der Wachstumsförde
rung und Qualität der abzuscheidenden Schicht weniger anspruchsvollen Zusam
mensetzungen bestehen. Das kann sich z. B. auf Korntoleranzen wie auch auf
Reinheit und Art des Materials beziehen, um z. B. auch eine bessere Anpassung
des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Substrat und Halbleiterschicht zu
erreichen. Hinsichtlich der Verunreinigungen kann z. B. auch eine getternde Zwi
schenschicht vorgesehen werden.
Ein Ausführungsbeispiel soll die relativ einfache Herstellung eines erfindungs
gemäßen Substrats näher erläutern.
Bei der Herstellung eines für eine mittels CVD-Verfahren abzuscheidenden Si
liciumschicht zur Solarzellenausbildung geeigneten Substrats aus Aluminium
oxidkeramik wird eine möglichst reine Aluminiumoxidkörnung einheitlicher Korn
größe im Korndurchmesserbereich von 30 bis 70 µm mit einem Mengenanteil
von 3-5% MgO gemischt, granuliert, dann in eine Stahlmatrize entsprechender
Form und Größe, z. B. flach und von runder Form, gegeben und mit einem Druck
von 10 kN/cm2 zu einem scheibenförmigen Körper, sogen. Grünkörper, von ca.
1 mm Dicke verpreßt, ggf. bei Bedarf isostatisch nachgepreßt. Dieser wird dann
unter Normalatmosphäre bei 1600°C 2 Stunden lang gesintert. Zweckmäßiger
weise werden im Fall eines Mehrschichtsubstrats diese entweder getrennt vor
bereitet und als noch nicht verfestigte Formkörper vor dem Verpressen übereinan
dergebracht, um anschließend zu einem einzigen Grünkörper verpreßt und nach
folgend gesintert zu werden. Es ist auch möglich, einen aus einer oder mehreren
Schichten bestehenden, noch nicht verfestigten Grünkörper mit einem Pulverge
misch der erfindungsgemäßen Zusammensetzung zu überschichten, z. B. in der
Preßform, und danach zu pressen und zu sintern.
Claims (9)
1. Substrat zur Abscheidung einer polykristallinen Halbleiterschicht, insbesondere
Siliciumschicht für Dünnschichtsolarzellen, dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat mindestens auf der Seite, auf der die kristalline Schicht abge
schieden wird, aus möglichst gleich großen Körnern von ≧ 75% Anteil im
Korndurchmesserbereich 30 bis 70 µm und einem Mengenanteil von größer als
3% eines Sinteradditivs besteht, das im kristallinen Verbund der gesinterten Kera
mik hinsichtlich der auf dem Substrat abzuscheidenden kristallinen Schicht keim
bildungshemmend wirkt.
2. Substrat zur Abscheidung einer polykristallinen Halbleiterschicht nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus mehreren, mindestens
zwei flächenhaft übereinanderliegenden und miteinander fest verbundenen Schich
ten aufgebaut ist.
3. Substrat zur Abscheidung einer polykristallinen Halbleiterschicht nach Anspruch 1
und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abscheidung einer Silicium
schicht an der betreffenden Substratoberfläche Aluminiumoxidkörner vorliegen
und das Sinteradditiv MgO ist.
4. Substrat zur Abscheidung einer polykristallinen Halbleiterschicht nach Anspruch 1
und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abscheidung einer Silici
umschicht an der betreffenden Substratoberfläche B4C-Körner vorliegen oder
Körner aus rekristallisiertem SiC und das Sinteradditiv Kohlenstoff ist.
5. Substrat zur Abscheidung einer polykristallinen Halbleiterschicht nach Anspruch
1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abscheidung einer Silicium
schicht an der betreffenden Substratoberfläche Aluminiumnitridkörner vorliegen
und das Sinteradditiv Yttriumoxid ist.
6. Substrat zur Abscheidung einer polykristallinen Halbleiterschicht nach Anspruch 1
und 2 und einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine der flächenhaft übereinanderliegenden Schichten eine
Diffusionssperrschicht gegen die Eindiffusion von Verunreinigungen aus der dar
unterliegenden Schicht oder eine Getterschicht für auch in anderen Bereichen
des Schichtsystems auftretenden Verunreinigungen ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Keramiksubstrats zur Abscheidung einer polykri
stallinen Halbleiterschicht, insbesondere Siliciumschicht für Dünnschichtsolarzel
len, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der Substratschicht
auf der Seite des Keramiksubstrats, auf der später die Halbleiterschicht abgeschie
den wird, eine Schicht, bestehend aus möglichst gleich großen Körnern in einem
Mindestanteil von ≧ 75% im Korndurchmesserbereich 30 bis 70 µm und einem
Mengenanteil von größer als 3% eines Sinteradditivs, als noch nicht verfestigter
Grünkörper oder als Pulverschicht mit einem noch nicht verfestigten Grünkörper
unterschiedlicher Qualität als Träger der Substratschicht zusammengebracht,
verpreßt und anschließend gesintert wird.
8. Verfahren zur Herstellung eines Keramiksubstrats zur Abscheidung einer polykri
stallinen Halbleiterschicht nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Grünkörper unterschiedlicher Qualität aus mehreren übereinanderliegen
den Schichten aufgebaut wird.
9. Verfahren zur Herstellung eines Keramiksubstrats zur Abscheidung einer polykri
stallinen Halbleiterschicht nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß mit mindestens einer der Schichten die Anpassung der ther
mischen Ausdehnungskoeffizienten von Substrat und Halbleiterschicht vorgenom
men wird.
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| DE (1) | DE19842002A1 (de) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010112782A2 (fr) * | 2009-04-02 | 2010-10-07 | S'tile | Structure electronique a couche epitaxiee sur silicium fritte |
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1998
- 1998-09-04 DE DE19842002A patent/DE19842002A1/de not_active Withdrawn
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| WO2010112782A2 (fr) * | 2009-04-02 | 2010-10-07 | S'tile | Structure electronique a couche epitaxiee sur silicium fritte |
| FR2944142A1 (fr) * | 2009-04-02 | 2010-10-08 | Tile S | Structure electronique a couche epitaxiee sur silicium fritte |
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