DE19936941A1 - Verfahren zur Herstellung dünner Schichten, insbesondere Dünnschichtsolarzellen, auf einem Trägersubstrat - Google Patents

Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Schicht auf einem Trägersubstrat (14) vor. Dazu wird zunächst im Inneren eines Ausgangskörpers (20) eine vergrabene Opferschicht (11) erzeugt, die eine Schicht (15) von einem vom Ausgangskörper (20) verbliebenen Restkörper (10) trennt. Danach wird das Trägersubstrat (14) auf der Schicht (15) angebracht und anschließend die Opferschicht (11) entfernt. Dadurch entsteht die zu erzeugende dünne Schicht (15') auf dem Trägersubstrat (14). Das Verfahren eignet sich zur Herstellung elektronischer Bauteile oder von Dünnschichtsolarzellen, wobei der Ausgangskörper beispielsweise aus einkristallinem Silizium besteht, in dem eine Opferschicht (11) aus porösem Silizium erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Schicht, insbesondere einer Dünnschichtsolarzelle, auf einem Trägersubstrat nach der Gattung des Hauptanspru­ ches.

Stand der Technik

Aus der Herstellung dünner monokristalliner Siliziumschich­ ten auf einem Trägersubstrat ist bekannt, einen Siliziumwa­ fer zunächst mit einem Trägersubstrat zu verbinden und an­ schließend durch Rückschleifen und Polieren des Wafers eine dünne Schicht von typischerweise 5 µm bis 50 µm zu erzeugen. Diese Schichten werden beispielsweise als Solarzellen oder zur Herstellung elektronischer Schaltungen auf Glas, Polyme­ ren oder Keramiken verwendet.

Alternativ ist bekannt, auf einer dünnen Schicht aus porösem Silizium epitaktisch eine einkristalline Siliziumschicht mit einer Dicke von 2 bis 20 µm aufwachsen zu lassen und danach diese aufgewachsene Siliziumschicht mit einem Trägersubstrat zu verbinden. Daraufhin zerstört man die poröse Silizium­ schicht oder löst sie von der epitaktisch aufgewachsenen Si­ liziumschicht ab, so daß man eine dünne einkristalline Sili­ ziumschicht auf einem Trägersubstrat erhält. Dieses Verfah­ ren bezeichnet man als Ψ-Prozeß.

Weiterhin ist auch bekannt aus Gösele et al. Appl. Phys. Lett., 70, (11), 1997, 1340 ff., in einem Siliziumwafer gro­ ße Mengen an Wasserstoff in einer vergrabenen Schicht in ei­ nem Wafer zu implantieren, so daß durch Konglomeration des Wasserstoffs H₂-Blasen entstehen, die eine darüberliegende dünne Schicht aus Silizium absprengen.

Bekannte Dünnschichtsolarzellen beruhen weiter entweder auf der Deposition eines photovoltaischen, amorphen oder poly­ kristallinen Schichtsystems, auf nichtangepaßten Trägersub­ straten wie Glas oder Keramik. Bekannte Techniken dazu ver­ wenden beispielsweise CuInSe, CaTe, a-Silizium oder Poly- Silizium als aktive Schicht. Andererseits können Dünn­ schichtsolarzellen auch auf Deposition eines elektronischen oder photovoltaischen Systems auf einem gitterangepaßten Trägersubstrat beruhen. Dazu bekannte Technikern setzen bei­ spielsweise, wie erwähnt, die Siliziumepitaxie auf Silizium oder die Siliziumepitaxie auf porösem Silizium ein.

Derartige monokristalline Dünnschichtsolarzellen können Wir­ kungsgrade bis 20% erreichen, ihre Herstellungskosten sind jedoch aufgrund der erforderlichen Epitaxiedepositiori rela­ tiv hoch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren be­ reitzustellen, um kostengünstig dünne, insbesondere einkri­ stalline Schichten von typischerweise 100 nm bis 10 µm Dicke auf weitgehend beliebigen, insbesondere jedoch hochtempera­ turbeständigen Trägersubstraten herzustellen. Diese Schich­ ten sollen weiterhin beispielsweise für Dünnschichtsolarzel­ len verwendbar sein.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Hauptanspruchs hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß kostengünstig dünne Schichten auf beliebi­ gen Trägersubstraten hergestellt werden können. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren, um einkristalli­ ne Siliziumschichten aus herkömmlichem Wafermaterial oder hochtemperaturfesten Substraten herzustellen. Dabei können aus einem Wafer sukzessive mehrere dünne Schichten erzeugt werden, wobei jeweils nur eine dünne Opferschicht innerhalb des-Wafermaterials bzw. des Ausgangskörpers verbraucht wird, so daß das vorgestellte Herstellungsverfahren insbesondere sehr kostengünstig ist. Weiterhin können damit bei Bedarf auch großflächige Schichten erzeugt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, daß für das erfindungsgemäße Verfahren auch vortexturierte Wafer verwendet werden können, wie sie beispielsweise in der Solarzellenherstellung zum Einsatz kommen.

Neben der Erzeugung von dünnen Siliziumschichten eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung dünner Schichten aus einer Vielzahl von insbesondere porosierbaren Materialien, wie beispielsweise Germanium oder Siliziumcar­ bid.

Im Gegensatz zum Ψ-Prozeß besteht beispielsweise bei Ver­ wendung eines Siliziumwafers als Ausgangsmaterial zur Erzeu­ gung einer dünnen Schicht auf einem Trägersubstrat diese Schicht bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus dem ursprünglichen Wafermaterial und besitzt damit höchste elektrische Qualität. Dadurch eignet sich das erfindungsge­ mäße Verfahren auch für die Herstellung sehr hochwertiger Elektronik aus kostengünstigem Dünnschicht-Silizium auf be­ liebigen d. h. auch flexiblen Trägersubstraten sowie zur Her­ stellung von hochwertigen einkristallinen c-Silizium- Dünnschichten auf Glas, wie sie beispielsweise für Dünn­ schichtsolarzellen benötigt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So kann die Dicke der herzustellenden dünnen Schicht auf dem Trägersubstrat sehr einfach über die Tiefe der vergrabenen Opferschicht bzw. deren Abstand von der Oberfläche des Aus­ gangskörpers eingestellt werden. Die Tiefe, in der die Op­ ferschicht erzeugt wird, läßt sich wiederum beispielsweise über die kinetische Energie von in den Ausgangskörper im­ plantiertem Wasserstoff einstellen, der in Abhängigkeit von der Energieverteilung des Wasserstoffs in einem Ausgangskör­ per, wie beispielsweise Silizium, ein scharfes Stoppprofil aufweist, so daß letztlich die Energie und die Energiever­ teilung des Wasserstoffes die Schichtdicke der zu erzeugen­ den dünnen Schicht und die Dicke der vergrabenen Opfer­ schicht bestimmt.

Das nachfolgende Ablösen der Opferschicht von der zu erzeu­ genden dünnen Schicht kann sehr vorteilhaft durch eine Poro­ sierung der Opferschicht über flächiges Ätzen oder Anodisie­ ren erfolgen, der ein mechanisches oder chemisches Entfernen der porösen Opferschicht folgt. Diese Porosierung erfolgt im Falle von Silizium als Ausgangsmaterial vorteilhaft durch Überführung der vergrabenen Opferschicht in poröses Silizi­ um, dessen. Struktur mechanisch instabil ist und das chemisch leicht entfernt werden kann.

Bei Bedarf kann weiter ein thermischer Ausheilschritt nach­ geschaltet werden, der die Qualität der erzeugten dünnen Schicht verbessert, indem Strahlenschäden als Folge der Was­ serstoffimplantation ausgeheilt werden.

Nach dem Entfernen der Opferschicht kann der vom Ausgangs­ körper verbliebene Restkörper zur Erzeugung weiterer dünner Schichten wiederverwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es weiter sehr vorteilhaft, Solarzellen ohne kostenintensitve Epitaxie­ schritte mit Hilfe der porösen Siliziumtechnik zu realisie­ ren.

Dazu kann innerhalb der zu erzeugenden dünnen Schicht über verschiedene Verfahren sehr vorteilhaft durch geeignete Do­ tierung ein pn-Übergang erzeugt werden.

Der Wirkungsgrad einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Dünnschichtsolarzelle läßt sich weiter stei­ gern, wenn zusätzliche Schichten definierter, jedoch unter­ schiedlicher Porosität und damit unterschiedlichen Bre­ chungsindices vorgesehen werden, die ein breitbandiges Re­ flexionsfilter auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite der Solarzelle bilden, um dadurch das durch das Schichtpaket transmittierte Licht in den aktiven Bereich der Solarzelle d. h. die erzeugte dünne Schicht mit pn-Übergang zu reflek­ tieren.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Erhöhung des Wir­ kungsgrades der erzeugten Solarzelle liegt in einer defi­ niert eingestellten geringen Porosität der erzeugten dünnen Schicht auf dem Trägersubstrat. Dies führt zu einer erhöhten Lichtstreuung innerhalb der erzeugten dünnen Schicht, was beispielsweise eine Durchstrahlung der Solarzelle vermindert und so zu einem besseren Lichteinfang und einer höheren La­ dungsträgererzeugung führt.

Weitere vorteilhafte Verbesserungen des Wirkungsgrades der Solarzelle werden durch Mehrfachreflexionen innerhalb der Solarzelle erzielt, die sich ergeben, wenn zusätzlich eine Oberflächentexturierung einzelner Schichten der Solarzelle vorgenommen wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeich­ nungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu­ tert. Die Fig. 1 bis 5 zeigen die Verfahrensschritte zur Herstellung einer dünnen Schicht aus einem Ausgangskörper, wobei der Schichtaufbau in den einzelnen Verfahrensschritten in Schnittdarstellung gezeigt wird. Die Fig. 6 und 7 er­ läutern ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit modifiziertem Schichtaufbau in Schnittdarstellung.

Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt einen Ausgangskörper 20 mit einer Schicht 15, einer vergrabenen Opferschicht 11 und einem Restkörper 10. Aus der Schicht 15 entsteht später die zu erzeugende dünne Schicht 15'. Der Ausgangskörper 20 besteht beispiels­ weise aus Silizium und liegt insbesondere als handelsübli­ cher oder vortexturierter Wafer vor. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch mit vielfältigen anderen Materialien wie beispielsweise Siliziumcarbid oder Germanium durchführ­ bar. Der Ausgangskörper 20 ist bevorzugt einkristallin, so daß die zu erzeugende dünne Schicht 15' für hochwertige elektronische Anwendungen und Solarzellen einsetzbar ist.

Zur Erzeugung der Opferschicht 11 in dem Ausgangskörper 20 wird dieser zunächst ganzflächig beispielsweise mit Wasser­ stoff beschossen. Da Wasserstoff beispielsweise in Silizium ein sehr ausgeprägtes Stoppprofil aufweist, läßt sich über die kinetische Energie des Wasserstoffs bzw. über die Be­ schleunigerenergie die Eindringtiefe des Wasserstoffs in den Ausgangskörper 20 sehr genau bestimmen, so daß dieser in ei­ ner definierten, über die kinetische Energie bestimmbaren Tiefe in dem Ausgangskörper 20 implantiert wird. Die Ener­ gieverteilung des Wasserstoffes beim Beschuß beeinflußt wei­ terhin die Breite der Opferschicht 11, so daß der Beschuß bevorzugt mit nahezu monoenergetischem Wasserstoff erfolgt, um die vergrabene Opferschicht 11 möglichst dünn zu gestal­ ten. Typische Dicken der Opferschicht liegen bei ca. 0,5 µm bis 2,5 µm. Die mit Wasserstoff implantierte Schicht in dem Ausgangskörper 20 definiert somit die vergrabene Opfer­ schicht 11. Für die Herstellung einer vergrabenen Opfer­ schicht 11 mit implantiertem Wasserstoff in einer Tiefe von 2 µm wird beispielsweise eine Beschleunigerenergie von ca. 220 keV benötigt. Die verwendete Beschleunigerenergie hängt dabei von der Energieverteilung des erzeugten Wasserstoffes und der auftretenden Streuung ab. Geeignete Energien liegen in der Regel zwischen 30 keV und 600 keV.

Die vergrabene Opferschicht teilt den Ausgangskörper 20 in die Schicht 15 und den Restkörper 10, die beide aus dem gleichen Material wie der Ausgangskörper 20 bestehen. Nach der Implantation des Wasserstoffs in der vergrabenen Opfer­ schicht 11 erfolgt eine thermische Aktivierung des Ausgangs­ körpers 20 je nach Material des Ausgangskörpers bei Tempera­ turen von 250°C bis 600°C über 5 min bis 15 min. Im Falle eines Ausgangskörpers 20 aus Silizium hat sich eine thermi­ sche Aktivierung bei einer Temperatur von 300°C bis 500°C über einige Minuten als vorteilhaft erwiesen. Dabei wird der Wasserstoff aktiviert und wirkt im weiteren als Dotierung (flacher Donator) gemäß der Lehre von Ohmura et al., Phys. Stat. Sol., 15, (1973), 93, so daß die vergrabene Opfer­ schicht 11 beispielsweise bei einem nachfolgenden elektro­ chemischen Ätzen bevorzugt anodisiert wird. Dabei nutzt man die Tatsache, daß beispielsweise die Erzeugung von porösem Silizium in einem Siliziumausgangskörper dotierungsselektiv ist, und daß man somit über eine Wasserstoffimplantation mit scharfem Stoppprofil in einer vergrabenen Opferschicht 11 und nachfolgender thermischer Aktivierung ein flächiges Ge­ biet erzeugt, das gegenüber der Umgebung, in die kein Was­ serstoff implantiert wurde, bevorzugt anodisiert wird. Gleichzeitig werden durch die thermische Aktivierung auch Strahlenschäden ausgeheilt, die beispielsweise durch die Wasserstoffimplantation entstanden sind, um somit die Kri­ stallstruktur des Ausgangskörpers 20 und der zu erzeugenden - dünnen Schicht 15' zu verbessern.

Nach dem thermischen Aktivieren erfolgt dann ein Ätzen oder Anodisieren der vergrabenen Opferschicht 11. Dazu werden ge­ mäß Fig. 2 zunächst beispielsweise Ätzlöcher 12 in der Schicht 15 erzeugt, die bis in die vergrabene Opferschicht 11 reichen, um so eine Elektrolytkontaktierung der vergrabe­ nen Opferschicht 11 zu ermöglichen. Die Erzeugung der Ätzlö­ cher erfolgt dabei über an sich bekannte Strukturierungsver­ fahren wie beispielsweise photolithografische trocken- oder naßchemische Strukturierungen.

Anschließend wird dann, wie in Fig. 3 dargestellt, die ver­ grabene Opferschicht 11 in dem Ausgangskörper 20 aus Silizi­ um beispielsweise mit Hilfe von verdünnter Flußsäure mit ei­ ner Konzentration von 10% bis 40% oder in einem flußsäure­ haltigen Elektrolyten wie Ammoniumfluorid als Anodisierungs­ mittel in an sich bekannter Weise flächig anodisiert oder geätzt. Dieser Prozeß ist nicht zeitkritisch, da nur der im­ plantierte Bereich d. h. die vergrabene Opferschicht 11 an­ odisiert oder geätzt wird, so daß die Ätzfront parallel zur Oberfläche des Ausgangskörpers 20 fortschreitet und somit die gesamte vergrabene Opferschicht 11 porosiert d. h. in ei­ ne poröse Struktur überführt. Im Falle eines Ausgangskörpers aus Silizium bildet sich im Bereich der vergrabenen Opfer­ schicht 11 somit poröses Silizium aus, das mechanisch insta­ bil ist und chemisch leicht entfernt werden kann.

Auf den derart vorbehandelten Ausgangskörper 20 wird an­ schließend auf der Schicht 15 gemäß Fig. 4 ein Trägersub­ strat 14 angebracht. Dieses Trägersubstrat 14 besteht bei­ spielsweise aus Glas, Metall oder Keramik oder liegt als Wa­ fer vor und kann bei entsprechenden Anwendungen insbesondere auch flexibel sein. Die Verbindung des Trägersubstrates mit der Schicht 15 erfolgt in an sich bekannter Weise über Bon­ den oder Kleben oder mit Hilfe von Sealglas.

Abschließend wird nun die Schicht 15 mit dem darauf befind­ lichen Trägersubstrat 14 von dem Ausgangskörper 20 getrennt, indem man die Opferschicht 11 entfernt. Dadurch bleibt die Schicht 15 mit dem Trägersubstrat 14 verbunden und es ent­ steht die zu erzeugende dünne Schicht 15' auf dem Trägersub­ strat 14. Vom Ausgangskörper 20 verbleibt somit der Restkör­ per 10.

Das Entfernen der Opferschicht 11 kann beispielsweise mecha­ nisch über Abreißen oder Abscheren oder chemisch erfolgen. Im Fall einer mechanischen Entfernung dient das poröse Sili­ zium der Opferschicht 11 als Sollbruchschicht. Chemisch kann die Opferschicht 11 beispielsweise mit Hilfe einer 5-%igen wäßrigen Ammoniaklösung oder einer 5-%igen wäßrigen KOH- Lösung entfernt werden, so daß am Ende des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Fig. 5 somit die zu erzeugende dünne Schicht 15' aus insbesondere einkristallinem Silizium auf einem beliebigen Trägersubstrat wie beispielsweise Glas steht, wobei der verbliebene Restkörper 10 für weitere Ver­ fahrensdurchläufe zur Verfügung steht. In jedem Prozeßdurch­ lauf wird somit sehr kostengünstig nur die dünne vergrabene Opferschicht 11 verbraucht, deren Dicke lediglich vom Stoppprofil des implantierten Wasserstoffes anhängt. Daher ist die Verwendung von Wasserstoff mit einer nahezu mono­ energetischen Energieverteilung und somit besonders scharf definiertem Stoppprofil zur Verringerung der Dicke der Op­ ferschicht 11 und zur Erhöhung der Zahl der möglichen Ver­ fahrensdurchläufe eines Ausgangskörpers 20 sehr vorteilhaft.

Weiterhin läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch leicht auf andere, insbesondere porosierbare Materialien, wie Siliziumcarbid oder Germanium übertragen.

Am Ende des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorteilhaft in Abhängigkeit vom verwendeten Trägersubstrat 14 erneut ein thermischer Ausheilschritt bei Temperaturen von 1000°C bis 1150°C über 30 sec bis 30 min nachgeschaltet, um Kristallde­ fekte und/oder Strahlenschäden in der zu erzeugenden dünnen Schicht 15' auszuheilen, die insbesondere im Laufe der vor­ angegangenen Verfahrensschritte erzeugt wurden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das mit Hil­ fe der Fig. 6 erläutert wird, sieht vor, daß zunächst in dem Ausgangskörper 20 aus einkristallinem Silizium, bei­ spielsweise einem Siliziumwafer, eine nur gering poröse Schicht 16 erzeugt wird, die der im ersten Ausführungsbei­ spiel erläuterten Schicht 15 entspricht. Die Schicht 16 hat beispielsweise eine Dicke von 100 nm bis 10 µm, bevorzugt von ca. 500 nm bis 3 µm. Die gering poröse Schicht 16 wird dazu beispielsweise durch eletrochemisches Ätzen in einer 20%-igen bis bevorzugt 33%-igen ethanolischen Flußsäurelö­ sung bei Raumtemperatur über 1 min bis 20 min und einer Stromdichte von 1 mA/cm² bis 10 mA/cm² erzeugt.

Anschließend wird dann weiter, wie vorstehend erläutert, in dem Ausgangskörper 20 die vergrabene Opferschicht 11 er­ zeugt. Die vergrabene Opferschicht hat dazu beispielsweise eine Dicke von 0,5 µm bis 2,5 µm und ist gegenüber der ge­ ring porösen Schicht 16 hochporös.

Nachdem dann, wie beispielsweise bereits mit Hilfe der Fig. 3 und 4 erläutert, die gering poröse Schicht 16 mit dem Trägersubstrat 14, das insbesondere ein hochtemperaturstabi­ les Glassubstrat, Wafermaterial oder Keramiksubstrat ist, verbunden worden ist und die Opferschicht 11 entfernt wurde, folgt anschließend ein Temperschritt bei Temperaturen von oberhalb 850°C, insbesondere bei 900°C bis 1100°C, über 1 min 2 h, um die niedrig poröse Schicht 16 zu einer mono­ kristallinen Siliziumschicht zu verdichten bzw. zurückzu­ überführen.

Typische Porositätswerte für niedrig poröse Schichten im Sinne der Erfindung liegen übrigens bei Werten von 10% bis 20% für die offene Porosität. Entsprechend sind unter hoch­ porösen Schichten solche mit einer offenen Porosität von 30% bis 60% zu verstehen.

Eine erste Variante dieses zweiten Ausführungsbeispiels, die zusätzlich zur Erzeugung eines pn-Überganges in der gering porösen Schicht 16 führt, so daß diese Schicht 16 als aktive Schicht einer Dünnschichtsolarzelle verwendbar ist, sieht darüber hinaus vor, daß der Grundkörper 20, d. h. beispiels­ weise ein Siliziumwafer, zunächst in an sich bekannter Weise gleichmäßig und insgesamt hoch p-dotiert wird und dann ober­ flächlich in einem Bereich, der durch eine später zu erzeu­ gende n-dotierte Teilschicht 16' begrenzt ist, hoch n­ dotiert wird. Diese n-Dotierung kann in an sich bekannter Weise beispielsweise durch Diffusionsprozesse oder Ionenim­ plantation erfolgen und erstreckt sich in dem Grundkörper 20 auf Tiefen von 100 nm bis 2000 nm.

Nach dieser Dotierung wird dann, analog dem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel, zunächst die gering poröse Schicht 16, wie bereits zuvor erläutert, erzeugt. Diese gering poröse Schicht 16 gliedert sich nun in eine oberflächennahe, n­ dotierte Teilschicht 16' mit einer typischen Dicke von 100 nm bis 2000 µm, und eine tieferliegende, p-dotierte Teilschicht 16" mit einer typischen Dicke von 500 nm bis 10 µm, so daß in der gering porösen Schicht 16 ein pn- Übergang entstanden ist.

Dann erfolgt die Ausbildung der vergräbenen Opferschicht 11 analog dem vorstehend erläuterten ersten oder zweiten AUs­ führungsbeispiel. Die weitere Vorgehensweise zur Erzeugung einer dünnen Schicht, die aus der n-dotierten Teilschicht 16' und der p-dotierten Teilschicht 16" besteht, ist dann analog den vorstehenden Ausführungsbeispielen. Als Träger­ substrat 14 wird bei der Herstellung von Solarzellen bevor­ zugt Glas oder Keramik eingesetzt.

Im übrigen ist es vorteilhaft, wenn unmittelbar nach dem Er­ zeugen der vergrabenen Opferschicht 11 zunächst einer Tempe­ rung des Grundkörpers 20 bei Temperaturen von 1000°C bis 1200°C über 10 min bis 120 min zwischengeschaltet wird. Die­ se Temperung fördert die Qualität der dotierten Teilschich­ ten 16' und 16", verdichtet diese bereits zumindest teil­ weise und erhöht die Porosität bzw. verbessert die Soll­ bruchstelleneigenschaften der vergrabenen Opferschicht 11.

Im Fall Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle sind zu de­ ren Fertigstellung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ge­ gebenenfalls noch weitere, jedoch an sich bekannte Verfah­ rensschritte erforderlich, die im wesentlichen der Anschluß­ kontaktierung der Vorder- bzw. Rückseite der erzeugten dün­ nen Schicht und einer nachfolgenden Passivierung der An­ schlußkontaktierungen und/oder der erzeugten dünnen Schicht dienen. Diese Verfahrensschritte sind jedoch in der Solar­ zellentechik bekannt und üblich.

Eine zweite Variante des zweiten Ausführungsbeispiels, die mit Hilfe der Fig. 7 erläutert wird, sieht vor, daß die Herstellung einer gering porösen Schicht 17 derart erfolgt, daß oberflächlich zunächst eine erste Teilschicht 17' mit einer Dicke von 100 nm bis 2000 nm und mit einer mittleren Porosität von 20% bis 40% erzeugt wird, der darunter eine zweite Teilschicht 17" mit einer Dicke von 500 nm bis 10 µm folgt, die nur gering porös ist. Die unterschiedliche Poro­ sität der ersten und zweiten Teilschicht 17', 17" wird da­ bei mittels unterschiedlicher Stromdichten beim elektroche­ mischen Ätzen erzielt. Geeignete Stromdichten liegen zwi­ schen 2 mA/cm² bis mA/cm².

Der Grundkörper 20 ist weiterhin zunächst einheitlich und homogen in an sich bekannter Weise p-dotiert. Gegenüber der ersten Variante des zweiten Ausführungsbeispiels kann jedoch die oberflächliche n-Dotierung des Grundkörpers 20 durch Io­ nenimplantation bzw. Diffusionsprozesse entfallen. Diese oberflächliche n-Dotierung wird stattdessen wie im folgenden erläutert erreicht.

Nach dem Erzeugen der Teilschichten 17' und 17" mit jeweils unterschiedlicher Porosität folgt dann zunächst die Erzeu­ gung der hochporösen vergrabenen Opferschicht 11 analog dem vorstehend erläuterten ersten oder zweiten Ausführungsbei­ spiel.

Anschließend erfolgt dann eine Vortemperung des Grundkörpers 20 bei Temperaturen von 800°C bis 1200°C, bevorzugt bei ca. 1050°C, über 30 sec bis 30 min. die einer Vorverdichtung der gering, porösen, zweiten Teilschicht 17" dient, so daß die gering poröse nunmehr verdichtete zweite Teilschicht 17", die über die ursprüngliche p-Dotierung des gesamten Grund­ körpers 20 ebenfalls p-dotiert ist, zwischen der hochporösen vergrabenen Opferschicht 11 und der ersten Teilschicht 17' mit mittlerer Porosität eingeschlossen ist.

Im nächsten Verfahrensschritt wird dann eine n-Dotierung der ersten Teilschicht 17' mit mittlerer Porosität vorgenommen. Diese n-Dotierung erfolgt beispielsweise durch eine geeigne­ te, an sich bekannte Gasbelegung im Vakuum nach vorherigem Ausgasen des porösen Siliziums bei Temperaturen oberhalb 400°C oder durch eine ebenfalls an sich bekannte definierte Eindiffusion geeigneter Atome wie Phosphor oder Antimon in diese erste Teilschicht 17'. Aufgrund der nach dem vorge­ schalteten Temperschritt nurmehr geringen Porosität der zweiten Teilschicht 17" ist diese gegen die n-Dotierung beispielsweise durch die Gasbelegung geschützt, so daß zu­ mindest im wesentlichen lediglich die erste Teilschicht 17' n-dotiert wird. Insgesamt entsteht somit erneut ein pn- Übergang in der gering porösen Schicht 17 zwischen der er­ sten und zweiten Teilschicht 17', 17". Das weitere Verfah­ ren zur Fertigstellung der Dünnschichtsolarzelle ist dann analog der ersten Variante des zweiten Ausführungsbeispiels.

So wird beispielsweise auch in diesem Fall nach dem Erzeugen der vergrabenen Opferschicht 11 vorteilhaft zunächst einer Temperung des Grundkörpers 20 bei Temperaturen von 1000°C bis 1200°C über 2 min bis 120 min zwischengeschaltet wird. Diese Temperung fördert die Qualität der Teilschichten 17' und 17", verdichtet diese bereits zumindest teilweise und erhöht die Porosität bzw. verbessert die Sollbruchstellenei­ genschaften der vergrabenen Opferschicht 11. Das Tempern dient gleichzeitig auch dem weiteren Eintreiben und der wei­ teren Aktivierung der vorgenommenen Dotierung.

Das vorstehende zweite Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle läßt sich im übrigen hinsicht­ lich des Wirkungsgrades der erhaltenen Solarzelle dadurch weiter verbessern, daß durch zusätzliche Schichten definier­ ter, jedoch unterschiedlicher Porosität und damit unter­ schiedlichen Brechungsindices ein breitbandiges Reflexions­ filter auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite der Solar­ zelle realisiert wird, um das durch das Schichtpaket trans­ mittierte Licht in den aktiven Bereich der Solarzelle d. h. die erzeugte dünne Schicht mit pn-Übergang zu reflektieren und damit deren Wirkungsgrad zu erhöhen. Gleichermaßen kann ein derartiges Schichtpaket mit gestufter Porosität als An­ tireflexschicht zusätzlich oder alternativ auch auf der dem Lichteinfall zugewandten Vorderseite der Solarzelle ange­ bracht werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung des Wirkungsgrades der erzeugten Solarzelle liegt in der nur unvollständigen Ver­ dichtung der gering porösen Schichten 16, 17 während des Temperschrittes nach dem Verbinden mit dem Trägersubstrat 14, so daß diese danach nur eine teilweise monokristalline Kristallstruktur aufweisen bzw. zurückerhalten. Dies führt zu einer erhöhten Lichtstreuung innerhalb der Schichten 16 und 17, was beispielsweise eine Durchstrahlung der Solarzel­ le vermindert und so zu einem besseren Lichteinfang und ei­ ner höheren Ladungsträgererzeugung führt.

Weitere Verbesserungen des Wirkungsgrades durch Mehrfachre­ flexionen innerhalb der Solarzelle ergeben sich, wenn zu­ sätzlich eine Oberflächentextur des Trägersubstrates 14, ei­ ner zusätzlichen Passivier- oder Deckschicht auf den Schich­ ten 16 oder 17 oder eine oberflächliche Texturierung der Schichten 16 bzw. 17 selbst vorgenommen wird. Diese Textu­ rierung wird beispielsweise durch ein Ätzen von Silizium mit KOH erzielt, das zur Ausbildung von Pyramiden führt, oder durch bekannte Trockenätzverfahren.

Claims (25)

1. Verfahren zur Herstellung einer dünnen Schicht, ins­ besondere einer Dünnschichtsolarzelle, auf einem Trägersub­ strat (14) aus einem Ausgangskörper (20), dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Inneren des Ausgangskörpers (20) eine ver­ grabene Opferschicht (11) erzeugt wird, die eine Schicht (15, 16, 17) von einem vom Ausgangskörper (20) verbliebenen Restkörper (10) trennt, daß danach das Trägersubstrat (14) auf der Schicht (15, 16, 17) angebracht wird, und daß an­ schließend die Opferschicht (11) entfernt wird, so daß die mit dem Trägersubstrat (14) verbundene Schicht (15, 16, 17) die zu erzeugende dünne Schicht bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Opferschicht (11) in eine poröse Struktur überführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausgangskörper (20) zunächst mit Wasser­ stoff flächig beschossen wird, daß dann eine thermische Ak­ tivierung des Ausgangskörpers (20) erfolgt, der eine Erzeu­ gung von Ätzlöchern (12) in der Schicht (15, 15') folgt, die in der Tiefe bis in die Opferschicht (11) reichen, und daß danach die Opferschicht (11) über die Ätzlöcher (12) durch flächiges Ätzen porosiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für den Ausgangskörper (20) Silizium, Sili­ ziumcarbid oder Germanium, homogen dotiertes Silizium oder Germanium oder homogen p-dotiertes Silizium oder Germanium mit oberflächlicher n-Dotierung verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägersubstrat (14) ein flexibles Substrat, ein Wa­ fer, ein Metall, ein keramisches Substrat oder ein Glassub­ strat verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Ausgangskörper (20) ein zumindest weitgehend einkristallines Material verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die vergrabene Opferschicht (11) in einer Tie­ fe von 100 nm bis 10 µm in dem Ausgangskörper (20) erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der implantierte Wasserstoff ein scharfes Stoppprofil aufweist, und daß dessen Stopptiefe über seine kinetische Energie eingestellt wird, so daß dieser in einer über die Wasserstoffenergie einstellbaren Tiefe in der vergrabenen Op­ ferschicht (11) implantiert wird und somit die Dicke der Schicht (15, 15') definiert.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die kinetische Energie des Wasserstoffes im Bereich von 30 keV bis 600 keV liegt, und daß die Energieverteilung des Wasserstoffs insbesondere nahezu monoenergetisch ist.

10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Aktivierung des Ausgangskörpers 5 Minuten bis 15 Minuten andauert und bei Temperaturen von 250°C bis 600°C durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das flächige Ätzen ein elektrochemisches Ätzen ist und die Opferschicht dabei anodisiert wird.

12. Verfahren nach Ansprüch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrochemische Ätzen mit einem Anodisierungsmittel erfolgt, das insbesondere verdünnte Flußsäure oder einen flußsäurehaltigen Elektrolyten enthält.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Anodisierungsmittel die Opferschicht (11) flächig parallel zu der Schicht (15, 15') anodisiert und dabei die Opferschicht (11) porosiert.

14. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Ätzlöcher (12) in dem Ausgangskörper (20) über an sich bekannte trocken- oder naßchemischen Strukturierungs- oder Ätzverfahren erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (14) mit der Schicht (15, 16, 17) durch Bonden oder Kleben verbunden wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der vergrabenen Opferschicht (11) mecha­ nisch oder chemisch erfolgt und insbesondere durch Abreißen oder Abscheren durchgeführt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 1 oder 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Entfernung der vergrabenen Opferschicht (11) chemisch mit Hilfe einer verdünnten Ammoniaklösung oder einer verdünnten KOH-Lösung erfolgt.

18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verbliebene Restkörper (10) nach dem Entfernen der Opferschicht (11) für mindestens einen weiteren Verfahrens­ durchlauf verwendet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Wiederverwendung des verbliebenen Restkörpers (10) ein thermischer Ausheilschritt erfolgt.

20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vortexturierte poröse Ausgangskörper (10) verwendet wer­ den.

21. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich innerhalb der zu erzeugenden Schicht (15') ein pn-Übergang erzeugt wird.

22. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (15) zu­ nächst in eine gering poröse Schicht (16, 17) überführt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die gering poröse Schicht. (16, 17) in unterschiedlich poröse Teilschichten (17', 17") und/oder unterschiedlich dotierte Teilschichten (16', 16") überführt wird.

24. Verfähren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gering poröse Schicht (16, 17) nach dem Verbinden mit dem Trägersubstrat (14) durch Tempern zumin­ dest weitgehend in eine monokristalline Kristallstruktur überführt wird.

25. Verwendung des Verfahrens nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche zur Herstellung elektronischer Bau-. teile oder einer Dünnschichtsolarzelle.