WO2007077171A2 - Verfahren und einrichtung zur umsetzung metallischer vorläuferschichten zu chalkopyritschichten von cigss-solarzellen - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for converting metallic precursor layers (referred to below as precursor) with sulfur and / or selenium to chalcopyrite layers of CIGSS solar cells in a reaction chamber of an RTP furnace.
  • precursor metallic precursor layers
  • the goal is the production of thin-film solar modules.
  • the precursors may preferably contain Cu and In / Ga or else Cu, Zn, Sn. You can also include other elements such as Ag, Sb, Sn, Zn or Fe.
  • the precursors may be thin layers (layer thicknesses of 0.1 to 5 ⁇ m) on support substrates, which may consist of glass, ceramic, metal or plastics.
  • the Tragersubstrate can already with barrier layers precoated to keep contaminants from the glass from the precursor.
  • barrier layers may be silicon interconnects, for example, silicon meitite.
  • the reaction of the metallic precursor layers takes place with an element of group VI, in the present process sulfur and / or selenium (referred to below as chalcogen).
  • the reaction (called in a further reaction) takes place at elevated temperatures while supplying energy in a so-called RTP oven (rapid thermal processing).
  • a chalcogen supply of precursor with gaseous chalcogen which is vaporized in separate sources from the liquid phase and introduced via suitable feeds into the reaction chamber, for example a selenium shower, is known, see for example Gabor et al., High-efficiency CuIn x Ga x Se 2 solar cells made from (x Ga x In) 2Se3 precursor films, Appl. Phys. Lett. 65 (2), 1994, 198-200.
  • the substrates coated with the precursor are introduced into a reaction space.
  • the reaction space can have any shape and can be made of metal, glass or graphite, which is uncoated or coated.
  • the reaction space may contain openings and valves
  • the substrates with the precursor can be introduced directly into the reaction space, in which they are placed on the ground or adjusted or mounted in suitable holders vertically or horizontally.
  • a device and a method for tempering precursor layers in an RTP furnace are known, according to which the coated substrate is introduced into a container which has a base and a lid made of glass ceramic.
  • the purpose of housing in the container is the targeted supply of energy to the substrate from one side and the precursor from the other side, wherein the transparent covers of the container form filters for a preferred radiation range.
  • the solar modules produced in this way have a still too low efficiency compared to the theoretically achievable or achieved on a laboratory scale values. For achievable values, see Siemer et al., Efficient CuInS2 solar cells from a rapid thermal process (RTP), Solar Energy Materials & Solar Cells 67 (2001), 159-166 and Probst et al. , CIGSSE Modules Pilot Processing: from Fundamental Investigations to Advanced Performance, WCPEC-3, Osaka, May 12-16, 2003.
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus of the type mentioned, with which the efficiency of the solar cell produced therewith is further increased.
  • a substrate coated with the precursor and a sufficient amount of sulfur and / or selenium for the reaction are introduced into a sealingly closable reaction box provided with at least one outlet valve controllable outside the reaction chamber, which in turn is introduced into the reaction chamber of the RTP furnace.
  • the reaction space is evacuated, wherein the reaction box is evacuated, and heated the reaction box with the substrate in the reaction chamber to a designated temperature and held for a certain process time at this temperature. Also conceivable is a separate evacuation of the reaction box.
  • the pressure in the reaction box is measured and controlled via the at least one outlet valve.
  • a suitable device for carrying out the method consists of a coated with a precursor Substrate and one for the reaction sufficient amount of sulfur and / or selenium feedable, sealingly sealable and provided with at least one controllable from outside the reaction chamber outlet valve whose internal pressure can be measured with a sensor.
  • the reaction box can be made of metal, glass, ceramic, or graphite. It may be uncoated or coated and transparent or opaque.
  • the reaction box is tight, meaning that during the process no gases escape into the reaction chamber by itself and no gases enter the reaction box from the reaction chamber either.
  • the reaction box contains valves to adjust the pressure before and during the process. With the targeted pressure control, in particular the control of the sulfur pressure, the formation of destructive foreign phases is avoided in the process.
  • the reaction box can be used directly for process pressure measurement by measuring the deflection of the reaction box lid.
  • reaction box is evacuated before the start of the process, that is to say before heating. It is possible to set a defined background pressure with an inert gas in the box before the reaction starts.
  • the supply of the chalcogen (preferably sulfur and / or selenium) can • directly into the reaction space; For this purpose, a sufficient amount of chalcogen in the reaction space available posed,
  • the chalcogen can be placed on the bottom of the reaction space or reaction box.
  • the chalcogen can also be placed in boats, the boats can be open or partially closed.
  • the boats can be made of graphite, glass, ceramics or metal; they can be uncoated or coated.
  • the amount of chalcogen is adjusted to the consumption during the reaction. It is fed only as much chalcogen, as is consumed by the layer during the reaction, so that an economical consumption is ensured; Otherwise, excess chalcogen would otherwise precipitate on the walls of the reaction chamber or reaction box and / or be pumped out in the vacuum pumps of the reaction chamber.
  • the energy input for the reaction can be effected via radiators which are arranged above and / or below the reaction box in the reaction chamber.
  • the energy can also be supplied via flat heating elements, which are mounted in the reaction chamber, or can be done via electrical resistance heaters, which are mounted in the reaction chamber.
  • the energy is supplied in a controlled manner, so that the energy is provided according to the ongoing reactions.
  • the reaction volume that is, the volume that must be heated and which comes in contact with the chalcogen
  • the reaction pressure can be set by using a reaction box with pressure control defined be controlled and the reaction with it.
  • different chemical phases are passed through which can be selectively controlled and adjusted via the pressure and the temperature in the reaction box. This can avoid unwanted by-products of the reaction and preferably set the desired reactions.
  • the pressure in the reaction box can be determined very precisely via the deformation of the lid.
  • the pressure in the reaction chamber can be adjusted to the pressure in the reaction box.
  • any desired pressure in the reaction box can be adjusted during the reaction and specifically changed.
  • the invention will be explained below with reference to an exemplary embodiment even closer.
  • the accompanying drawing shows a reaction box used for the process, introduced into a reaction chamber of a RTP furnace, in a cross section.
  • the reaction box 1 is a flat graphite box with a transparent cover 2 made of glass ceramic.
  • the reaction box 1 is sealed against the lid 2 with a high temperature resistant seal.
  • a valve block containing the pressure relief valves 3 and a controllable valve 4, via which the desired pressure can be set software controlled during the process.
  • the lid 2 is removed.
  • the reaction box 1 is equipped with a carrier substrate 5 made of glass, from which a solar module is produced after the successful process.
  • the carrier substrate 5 is coated, for example, with molybdenum (0.1 to 2 ⁇ m layer thickness), copper (0.1 to 2 ⁇ m layer thickness) and indium (0.1 to 2 ⁇ m layer thickness).
  • molybdenum 0.1 to 2 ⁇ m layer thickness
  • copper 0.1 to 2 ⁇ m layer thickness
  • indium 0.1 to 2 ⁇ m layer thickness
  • the reaction box 1 is closed with the transparent cover 2 and then introduced into a reaction chamber 6 of an RTP furnace.
  • the reaction box 1 is evacuated by means of a vacuum pump 7, then the controllable valve 4 is closed and the reaction box 1 is heated. The heating takes place in the reaction chamber of the RTP furnace
  • Quartz radiators 8, which are mounted above and below the reaction box 1 in the Christskhunt 6. The reaction box 1 is moved from room temperature to process temperature during the process
  • the heating process takes between 1 and 60 minutes.
  • the current pressure in the reaction box 1 is measured permanently.
  • the bending of the elastic cover 2 is optically detected by a sensor 9.
  • the pressure in the reaction chamber 6 can be measured via a pressure sensor 10.
  • special pressure profiles are set and maintained over the entire course.
  • reaction box 1 defined pressures (between 0.1 and 100 hPa) are set before the beginning of the process via the supply of inert gas via a valve 11.
  • the precursor layers (copper and indium on molybdenum) undergo defined phases. About the intermediate phases Culn2; Cunlng and the precursor reacts with sulfur to form CuInS 2 and CU 2 S / CUS.
  • the temperature profile and above all the pressure profile are set in this way. that only the desired products (CuInS2 and CU2S / CUS) are formed from the starting materials and that no connections between In and S can occur.
  • the formation of In-rich phases in the Cu-InS system (eg CuIn 6 S 8 ) is prevented.
  • both the carrier substrate 5 and the precursor layers are heated, as well as the added elemental sulfur. This goes over the liquid into the gaseous phase.
  • the boiling point of sulfur can be set exactly over the previously set inert gas pressure.
  • the maximum pressure build-up in the reaction box is determined by the amount of added sulfur and the set temperature of the reaction box 1.
  • the quartz emitters 7 are turned off and the reaction box 1 is cooled to room temperature.
  • the excess sulfur is pumped out after opening the controllable valve 4 in the reaction chamber 6.
  • the amount of sulfur required depends exclusively on the thickness of the precursor and can be determined to less than 30% excess, practically even considerably less. This ensures a careful handling of resources (here the amount of process substances used).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Umsetzung metallischer Vorlauferschichten (Precursor) mit Schwefel und/oder Selen zu Chalkopyritschichten von CIGSS- Solarzellen in einer Reaktionskammer eines RTP-Of ens. Insbesondere besteht das Ziel in der Herstellung von Dunnschicht-Solarmodulen. Vorgeschlagen wird, dass ein mit dem Precursor beschichtetes Substrat sowie eine für die Reaktion ausreichende Menge Schwefel und/oder Selen in eine dichtend verschließbare, mit mindestens einem von außerhalb der Reaktionskammer steuerbaren Auslassventil versehene Reaktionsbox eingelegt wird, die ihrerseits in den Reaktionsraum des RTP-Ofens eingebracht wird, der Reaktionsraum evakuiert wird, die Reaktionsbox mit dem Substrat im Reaktionsraum auf eine vorgesehene Temperatur aufgeheizt und über eine bestimmte Prozesszeit auf dieser Temperatur gehalten wird, wobei wahrend der Prozesszeit der Druck in der Reaktionsbox gemessen und über das mindestens eine Auslassventil gesteuert wird.

Description

Verfahren und Einrichtung zur Umsetzung metallischer Vorlauferschichten zu Chalkopyritschichten von CIGSS- Solarzellen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Umsetzung metallischer Vorlauferschichten (im weiteren Precursor genannt) mit Schwefel und/oder Selen zu Chalkopyritschichten von CIGSS-Solarzellen in einer Reaktionskammer eines RTP-Ofens . Insbesondere besteht das Ziel in der Herstellung von Dunnschicht-Solarmodulen .
Dunnschicht-Solarzellen mit I-III-VI2-Chalkopyrit-
Absorberschichten, das heißt Verbindungen der Form
Cu(InxGai-x) (Sey,Si-y)2 mit O≤x≤l und O≤y≤l, versprechen eine kostengünstige Fertigung und einen hohen Wirkungsgrad der Zellen.
Die Precursor können vorzugsweise Cu und In/Ga oder auch Cu, Zn, Sn enthalten. Sie können auch noch weitere Elemente wie Ag, Sb, Sn, Zn oder Fe enthalten.
Die Precursor können dünne Schichten (Schichtdicken 0,1 bis 5 μm) auf Tragersubstraten sein, die aus Glas, Keramik, aus Metall oder aus Kunststoffen bestehen können.
Die Tragersubstrate können bereits mit Barriereschichten vorbeschichtet sein, um Verunreinigungen aus dem Glas von dem Precursor fernzuhalten. Solche Barriereschichten können Siliziumverbmdungen sein, zum Beispiel Siliziummtrit .
Die Umsetzung der metallischen Precursor-Schichten erfolgt mit einem Element der Gruppe VI, im vorliegenden Verfahren Schwefel und/oder Selen (im weiteren Chalkogen genannt) . Die Umsetzung (im weiteren Reaktion genannt) erfolgt bei erhöhten Temperaturen unter Energiezufuhr in einem sogenannten RTP- Ofen (rapid thermal processing) .
Bekannt ist eine Chalkogen-Versorgung von Precursorn mit gasformigem Chalkogen, welches in separaten Quellen aus der flussigen Phase verdampft wird und über geeignete Zufuhrungen in die Reaktionskammer, zum Beispiel eine Selen- Dusche) eingebracht wird, siehe beispielsweise Gabor et al., High-efficiency CuInxGai-xSe2 solar cells made from ( InxGai-x) 2Se3 precursor films, Appl. Phys . Lett . 65 (2), 1994, 198-200.
Es sind auch Verfahren bekannt, die mit fluchtigen Verbindungen arbeiten (H2S oder H2Se) . Die fluchtigen Verbindungen werden mit geeigneten Zufuhrungen in den Reaktionsraum eingebracht.
Außerdem üblich ist auch das Verdampfen von Schwefel oder Selen aus Verdampferquellen, zum Beispiel Knudsenzellen, im Hochvakuum.
Bekannt ist auch das Einbringen von Schwefel in fester Form in den Reaktionsraum (dabei werden Schwefelpulver oder Schwefelplattchen neben das Substrat in eine Petri-Schale gelegt) .
Die mit dem Precursor beschichteten Substrate werden in einen Reaktionsraum eingebracht. Der Reaktionsraum kann eine beliebige Form haben und kann aus Metall, Glas oder Grafit bestehen, welches jeweils unbeschichtet oder beschichtet ist.
Der Reaktionsraum kann Offnungen und Ventile enthalten
(Offnungen zum Be- und Entladen - Türen, Flansche, Vakuumschieber) und kann evakuierbar sein (Fein- oder
Hochvakuum-Bereich) .
Die Substrate mit dem Precursor können direkt in den Reaktionsraum eingebracht werden, in dem sie auf den Boden gelegt werden oder in geeigneten Halterungen senkrecht oder waagerecht eingestellt oder eingehängt werden.
Nach der DE 199 36 081 Al sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Tempern von Precursor-Schichten in einem RTP- Ofen bekannt, nach denen das beschichtete Substrat in einen Behalter eingebracht wird, der einen Boden und einen Deckel aus Glaskeramik aufweist. Zweck der Unterbringung in dem Behalter ist die gezielte Energiezufuhr zum Substrat von der einen Seite und zum Precursor von der anderen Seite, wobei die transparenten Abdeckungen des Behalters Filter für einen bevorzugten Strahlungsbereich bilden. Die auf diese Weise hergestellten Solarmodule weisen jedoch eine gegenüber den theoretisch erreichbaren oder den im Labormaßstab erreichten Werten eine noch zu geringe Effizienz auf. Zu den erreichbaren Werten siehe Siemer et al., Efficient CuInS2 solar cells from a rapid thermal process (RTP) , Solar Energy Materials & Solar Cells 67 (2001), 159-166 und Probst et al . , CIGSSE Module Pilot Processing: from Fundamental Investigations to Advanced Performance, WCPEC-3, Osaka, May 12-16, 2003.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen die Effizienz der damit hergestellten Solarzellen weiter gesteigert wird.
Erfindungsgemaß wird die Aufgabe gelost durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 5. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteranspruche .
Danach wird ein mit dem Precursor beschichtetes Substrat sowie eine für die Reaktion ausreichende Menge Schwefel und/oder Selen in eine dichtend verschließbare, mit mindestens einem von außerhalb der Reaktionskammer steuerbaren Auslassventil versehene Reaktionsbox eingelegt, die ihrerseits in den Reaktionsraum des RTP-Ofens eingebracht wird. Anschließend wird der Reaktionsraum evakuiert, wobei die Reaktionsbox mit evakuiert wird, und die Reaktionsbox mit dem Substrat im Reaktionsraum auf eine vorgesehene Temperatur aufgeheizt und über eine bestimmte Prozesszeit auf dieser Temperatur gehalten. Denkbar ist auch eine separate Evakuierung der reaktionsbox . Wahrend der Prozesszeit wird der Druck in der Reaktionsbox gemessen und über das mindestens eine Auslassventil gesteuert.
Eine geeignete Einrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens besteht aus einer mit einem mit dem Precursor beschichteten Substrat sowie einer für die Reaktion ausreichenden Menge Schwefel und/oder Selen beschickbaren, dichtend verschließbaren und mit mindestens einem von außerhalb der Reaktionskammer steuerbaren Auslassventil versehenen Reaktionsbox, deren Innendruck mit einem Sensor messbar ist.
Die Reaktionsbox kann aus Metall, Glas, Keramik, oder Grafit gefertigt sein. Sie kann unbeschichtet oder beschichtet und transparent oder undurchsichtig sein. Die Reaktionsbox ist dicht, das heißt es entweichen wahrend des Prozesses von selbst keine Gase in die Reaktionskammer und es dringen auch aus der Reaktionskammer keine Gase in die Reaktionsbox ein. Die Reaktionsbox enthalt Ventile, um den Druck vor und wahrend des Prozesses einzustellen. Mit der gezielten Druckregelung, insbesondere der Regelung des Schwefeldrucks, wird beim Prozess die Bildung von destruktiven Fremdphasen vermieden .
Die Reaktionsbox kann direkt zur Prozess-Druckmessung verwendet werden, indem die Verbiegung des Deckels der Reaktionsbox gemessen wird.
Die Reaktionsbox wird, wie bereits gesagt, vor Prozessbeginn, das heißt vor der Aufheizung, evakuiert. Dabei kann vor Reaktionsbeginn ein definierter Hintergrunddruck mit einem Inertgas in der Box eingestellt werden.
Die Zufuhrung des Chalkogen (vorzugsweise Schwefel und/oder Selen) kann • direkt in den Reaktionsraum erfolgen; dazu wird eine ausreichende Menge Chalkogen im Reaktionsraum zur Verfugung gestellt,
• direkt in die Reaktionsbox erfolgen; dazu wird eine ausreichende Menge Chalkogen in der Box zur Verfugung gestellt, • durch Einbringen von Pulver, Plattchen, Perlen, Tabletten oder anderer fester Form erfolgen.
Das Chalkogen kann dabei jeweils auf den Boden von Reaktionsraum oder Reaktionsbox gelegt werden.
Das Chalkogen kann auch in Schiffchen eingebracht werden, die Schiffchen können offen oder teilweise geschlossen sein. Die Schiffchen können aus Grafit, Glas, Keramik oder Metall hergestellt sein; sie können unbeschichtet oder beschichtet sein.
Die Chalkogenmenge ist an den Verbrauch wahrend der Reaktion angepasst. Es wird nur soviel Chalkogen zugeführt, wie von der Schicht wahrend der Reaktion verbraucht wird, damit ist ein sparsamer Verbrauch gewahrleistet; überschüssiges Chalkogen wurde sonst an den Wanden von Reaktionskammer oder Reaktionsbox niederschlagen und/oder in den Vakuumpumpen der Reaktionskammer abgepumpt werden.
Die Energiezufuhr für die Reaktion (Umsetzung der Precursor in halbleitende Chalkopyritschichten) kann über Strahler erfolgen, die oberhalb und/oder unterhalb der Reaktionsbox in der Reaktionskammer angebracht sind.
Die Energiezufuhr kann auch über Flachenheizelemente erfolgen, die in der Reaktionskammer angebracht sind, oder kann über elektrische Widerstandsheizer erfolgen, die in der Reaktionskammer angebracht sind.
Die Energiezufuhr erfolgt in geregelter Weise, sodass die Energie entsprechend den ablaufenden Reaktionen zur Verfugung gestellt wird.
Die Vorteile des Verfahrens sind:
Im Unterschied zu bisher bekannten Verfahren wird sehr sparsam mit Chalkogen umgegangen. Durch das direkte Einbringen von definierten Mengen Chalkogen und dem erwarteten Verbrauch durch die Reaktion mit der Precursorschicht kann die Verunreinigung der Reaktionskammer und/oder Reaktionsbox bzw. der Vakuumpumpen weitestgehend vermieden werden. Die Reaktionsbox ist dicht abgeschlossen, so dass das Chalkogen für die Reaktion zur Verfugung steht und nicht in die umgebende Reaktionskammer entweichen kann oder durch Vakuumpumpen abgepumpt wird. Bisher wurde üblicherweise in quasi offenen Systemen gearbeitet und damit kein sparsamer Einsatz des Prozessgases (des Chalkogens) gewahrleistet. Außerdem wurde mit großen Uberschussmengen gearbeitet, die die Umwelt belasten können .
Durch die Verwendung einer Reaktionsbox und einer Reaktionskammer kann das Reaktionsvolumen, das heißt das Volumen, das geheizt werden muss und das mit dem Chalkogen in Kontakt kommt, sehr klein gehalten werden. Außerdem kann der Reaktionsdruck durch Verwendung einer Reaktionsbox mit Druckregelung definiert eingestellt werden und die Reaktion damit gezielt gesteuert werden. Bei der Reaktion von den metallischen Vorlauferschichten zum halbleitenden Chalkopyrit werden unterschiedliche chemische Phasen durchlaufen, die über den Druck und die Temperatur in der Reaktionsbox gezielt gesteuert und eingestellt werden können. Damit lassen sich unerwünschte Nebenprodukte der Reaktion vermeiden und die gewünschten Reaktionen bevorzugt einstellen.
Durch die Verwendung einer Reaktionsbox mit einem elastischen Deckel lasst sich über die Verformung des Deckels der Druck in der Reaktionsbox sehr genau bestimmen. Über eine Kopplung des Drucksignals mit einer Gasdurchflussregelung in der Reaktionskammer lasst sich damit der Druck in der Reaktionskammer an den Druck in der Reaktionsbox angleichen. Durch Steuerung der Ventile von Reaktionskammer und Reaktionsbox lasst sich jeder gewünschte Druck in der Reaktionsbox wahrend der Reaktion einstellen und gezielt verandern.
Im Unterschied zu bisher bekannten Verfahren wird mit ungiftigen Edukten gearbeitet, der Einsatz von giftigen Schwefel- oder Selenwasserstoffverbindungen (H2S oder H2Se) ist nicht notwendig. Außerdem wird nur mit der absolut notwendigen Menge Chalkogen gearbeitet, da in einem geschlossenen System das Chalkogen nicht entweichen kann und vollständig in der Reaktion aufgebraucht werden kann .
Das Be- und Entladen des Reaktionsraumes mit Reaktionsboxen, die außerhalb der Reaktionskammer mit Precursorn und Chalkogen befullt werden kennen, ermöglicht einen hohen Grad an Automatisierung.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausfuhrungsbeispiels noch naher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine für das Verfahren verwendete Reaktionsbox, eingebracht in eine Reaktionskammer eines RTP-Ofens, in einem Querschnitt.
Die Reaktionsbox 1 ist eine flache Grafitbox mit einem transparenten Deckel 2 aus Glaskeramik. Die Reaktionsbox 1 wird gegen den Deckel 2 mit einer hochtemperaturfesten Dichtung gedichtet. Jeweils an einem Ende der Reaktionsbox 1 befindet sich ein Ventilblock, der Überdruckventile 3 enthalt sowie ein steuerbares Ventil 4, über welches der gewünschte Druck wahrend des Prozesses softwaregesteuert eingestellt werden kann.
Zum Be- und Entladen der Reaktionsbox 1 wird der Deckel 2 entfernt .
Die Reaktionsbox 1 wird mit einem Tragersubstrat 5 aus Glas bestuckt, aus dem nach dem erfolgten Prozess ein Solarmodul gefertigt wird. Das Tragersubstrat 5 ist beispielsweise mit Molybdän (0,1 bis 2 μm Schichtdicke), Kupfer (0,1 bis 2 μm Schichtdicke) und Indium (0,1 bis 2 μm Schichtdicke) beschichtet. Außer dem beschichteten Tragersubstrat 5 wird noch Schwefel in elementarer Form in die Reaktionsbox 1 zugefugt.
Die Reaktionsbox 1 wird mit dem transparenten Deckel 2 verschlossen und anschließend in eine Reaktionskammer 6 eines RTP-Ofens eingebracht. Die Reaktionsbox wird 1 mittels einer Vakuumpumpe 7 evakuiert, anschließend wird das steuerbare Ventil 4 geschlossen und die Reaktionsbox 1 geheizt. Die Heizung erfolgt in der Reaktionskammer des RTP-Ofens mit
Quarzstrahlern 8, die ober- und unterhalb der Reaktionsbox 1 in der Reaktionskkammer 6 angebracht sind. Die Reaktionsbox 1 wird wahrend des Prozesses von Raumtemperatur auf Prozesstemperatur
(300 bis 600 °C) erhitzt. Der Heizvorgang dauert zwischen 1 und 60 Minuten. Wahrend das Heizvorgangs wird der aktuelle Druck in der Reaktionsbox 1 permanent gemessen. Die Verbiegung des elastischen Deckels 2 wird dabei optisch durch einen Sensor 9 detektiert. Außerdem kann der Druck in der Reaktionskammer 6 über einen Drucksensor 10 gemessen werden. Wahrend des Heizvorganges werden über den gesamten Verlauf spezielle Druckprofile eingestellt und eingehalten.
In der Reaktionsbox 1 werden vor Prozessbeginn über die Zufuhrung von Inertgas über ein Ventil 11 definierte Drucke (zwischen 0.1 und 100 hPa) eingestellt.
Wahrend der Prozesszeit durchlaufen die Precursorschichten (Kupfer und Indium auf Molybdän) definierte Phasen. Über die Zwischenphasen Culn2; Cunlng und
Figure imgf000012_0001
reagiert der Precursor mit Schwefel zu CuInS2 und CU2S/CUS. Das Temperaturprofil und vor allem das Druckprofil werden so eingestellt. dass nur die gewünschten Produkte (CuInS2 und CU2S/CUS) aus den Edukten entstehen und keine Verbindungen zwischen In und S auftreten können. Außerdem wird die Bildung von In-reichen Phasen im Cu-InS-System (z.B. CuIn6S8) verhindert. Durch Heizen der Reaktionsbox erwärmt sich sowohl das Tragersubstrat 5 mit den Precursorschichten als auch der zugefugte elementare Schwefel. Dieser geht über die flussige in die gasformige Phase über. Der Siedepunkt des Schwefels lasst sich über den vorher eingestellten Inertgas-Druck genau einstellen. Der maximale Druckaufbau in der Reaktionsbox wird durch die Menge des beigefugten Schwefels und die eingestellte Temperatur der Reaktionsbox 1 bestimmt. Durch Offnen des steuerbaren Ventils 4 wahrend das Prozesses lasst sich der Prozessdruck auf die gewünschten Werte einstellen.
Nach Ende der Reaktion der Precursor zum CuInS2, werden die Quarzstrahler 7 abgeschaltet und die Reaktionsbox 1 wird auf Raumtemperatur abgekühlt. Der überschüssige Schwefel wird nach Offnen des steuerbaren Ventils 4 in der Reaktionskammer 6 abgepumpt. Die benotigte Schwefelmenge hangt ausschließlich von der Schichtdicke des Precursors ab und kann auf weniger als 30% Uberschuss, praktisch sogar erheblich weniger, genau bestimmt werden. Dadurch ist ein schonender Umgang mit den Ressourcen (hier die eingesetzte Menge der Prozessstoffe) gewahrleistet.
Liste der Bezugszeichen
1 Reaktionsbox
2 Deckel
3 Überdruckventil
4 Steuerbares Ventil
5 Tragersubstrat
6 Reaktionskammer
7 Vakuumpumpe
8 Quarzstrahler
9 Sensor
10 Drucksensor
11 Ventil

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Umsetzung metallischer Vorlauferschichten (Precursor) mit Schwefel und/oder Selen zu Chalkopyritschichten von CIGSS-Solarzellen in einer Reaktionskammer eines RTP-Ofens,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein mit dem Precursor beschichtetes Substrat sowie eine für die Reaktion ausreichende Menge Schwefel und/oder Selen in eine dichtend verschließbare, mit mindestens einem von außerhalb der Reaktionskammer steuerbaren Auslassventil versehene Reaktionsbox eingelegt wird, die ihrerseits in den
Reaktionsraum des RTP-Ofens eingebracht wird, der Reaktionsraum evakuiert wird, die Reaktionsbox mit dem
Substrat im Reaktionsraum auf eine vorgesehene Temperatur aufgeheizt und über eine bestimmte Prozesszeit auf dieser
Temperatur gehalten wird, wobei wahrend der Prozesszeit der
Druck in der Reaktionsbox gemessen und über das mindestens eine Auslassventil gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Heizprozess unter Inertgas erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
Schwefel oder Selen in die Reaktionsbox in fester Form eingebracht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Menge des Schwefels oder Selens die zur Reaktion notige Menge nicht um mehr als 30% übersteigt.
5. Einrichtung zur Umsetzung metallischer Vorlauferschichten (Precursor) mit Schwefel und/oder Selen zu Chalkopyritschichten von CIGSS-Solarzellen in einem RTP-Ofen,
dadurch gekennzeichnet, dass
für den Heizprozess in der Reaktionskammer des RTP-Ofens eine mit einem mit dem Precursor beschichteten Substrat sowie einer für die Reaktion ausreichenden Menge Schwefel und/oder Selen beschickbare, dichtend verschließbare, mit mindestens einem von außerhalb der Reaktionskammer steuerbaren Auslassventil versehene Reaktionsbox, deren Innendruck mit einem Sensor messbar ist, vorgesehen ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
der Deckel der Reaktionsbox transparent ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass
der Deckel der Reaktionsbox elastisch ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der Deckel der Reaktionsbox aus Glaskeramik besteht.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
der Deckel gegenüber dem Gehäuse der Reaktionsbox mit einer hochtemperaturfesten Dichtung versehen ist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
die Reaktionsbox zusatzlich mit mindestens einem
Überdruckventil versehen ist.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
der Sensor zur Innendruckmessung der Reaktionsbox ein die Deckelverbiegung messender optischer Sensor ist.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
der Sensor zur Innendruckmessung der Reaktionsbox mit einem Regler für den Gasdurchlauf durch die Reaktionsbox verbunden ist.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reaktionskammer oberhalb und/oder unterhalb der Reaktionsbox Heizstrahler angeordnet sind.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass
die Reaktionskammer mit einem zusatzlichen Drucksensor ausgestattet ist.
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