DE102009036982A1

DE102009036982A1 - Verfahren und Vorrichtung zur plasmaunterstützten Gasphasenabscheidung für photovoltaisches Element

Info

Publication number: DE102009036982A1
Application number: DE102009036982A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing. Ehling; Reiner Dipl.-Ing. Merz; Johannes Philipp Dipl.-Ing. Rostan
Original assignee: Q Cells SE
Current assignee: Q Cells SE
Priority date: 2009-08-12
Filing date: 2009-08-12
Publication date: 2011-02-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur plasmaunterstützten Gasphasenabscheidung einer amorphen Schicht auf einem kristallinen Photovoltaik-Siliziumsubstrat mittels einer sich zwischen dem Substat und der dem Substrat gegenüberliegenden Elektrode befindlichen - für das Plasma teildurchlässige - Elektrode sowie mittels dieses Verfahrens hergestellte photovoltaische Elemente.

Description

Stand der Technik
Photovoltaische Solarzellen wandeln Licht direkt in elektrische Energie um, indem Ladungsträgerpaare erzeugt und in elektrischen Strom umgewandelt werden.
An den Oberflächen von Solarzellen rekombinierende Ladungsträgerpaare sind für die Stromerzeugung verloren. Daher ist es wichtig, diese Oberflächenrekombination durch eine Passivierung der Oberflächen zu vermindern.
Die Passivierung kann erfolgen, indem eine Schicht aus Siliziumoxid (bzw. Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid oder undotiertes Silizium) mittels PECVD (plasmaunterstützten Gasphasenabscheidung) auf der Oberfläche der Solarzelle aufgebracht wird. Wesentliche Parameter, die die optimale Dicke dieser Schicht bestimmen, sind dabei der Serienwiderstand und die Passivierqualität.
Die Schichtdicke dieser Passivierungsschicht ist von hoher Bedeutung für den Wirkungsgrad der Solarzelle. Eine dünne Schicht (bis ca. 7 nm) weist einen geringen Serienwiderstand auf, der keinen signifikanten negativen Einfluss auf die resultierenden Zellparameter bewirkt. Mit zunehmender Schichtdicke nimmt der Serienwiderstand zu. Eine zu dünne Schicht hingegen führt zu einer schlechten Passivierqualität, was wiederum einen direkten negativen Einfluss auf die Leerlaufspannung der Solarzelle hat. Mit zunehmender Schichtdicke hingegen nimmt die Passivierqualität zu.
Herkömmliche PECVD-Abscheidungen, wie sie beispielsweise aus DE 10 2004 021 457 A bekannt sind, weisen Abscheideraten von 20–100 nm pro min auf. Da die optimale Schichtdicke der Passivierschicht bei d = 1 nm bis d = 7 nm liegt, dauert eine herkömmliche Abscheidung nur wenige Sekunden. in dieser kurzen Zeit ist die Erzeugung eines stabilen Plasmas, das unmittelbar nach der Zündung konstant brennt, nicht möglich. Nach der Plasmaerzeugung erfolgt ein Einschwingvorgang, in dem sich die Biasspannung einstellt und die volle Leistung in das Plasma eingekoppelt wird. Mit zunehmender Brenndauer des Plasmas ändert sich auch die Substrattemperatur. Der Einschwingvorgang ist somit bis zur Komplettierung der Abscheidung dünner Passivierschichten nicht abgeschlossen. Damit liegt der gesamten Abscheidung ein sich ständig ändernder Depositionszustand zu Grunde, was eine genaue Kontrolle der Qualität und der Dicke der Passivierschicht extrem erschwert.
Die Abscheiderate kann durch Verringerung der Prozessleistung nicht beliebig reduziert werden, da sonst das Gleichgewicht zwischen Ionenerzeugung und Rekombination von Elektronen und Ionen in der Weise gestört ist, dass das Plasma sich nicht mehr selbst aufrechterhalten kann und keine weitere Dissoziation der Prozessgase mehr möglich ist.
Bisherige Verfahren zur Kontrolle der Abscheiderate optimieren die Prozessparameter wie zum Beispiel den Prozessdruck und die Prozessleistung, wie z. B. in US 6946404 angegeben. Beide Parameter wirken sich dabei sowohl auf die Abscheiderate wie auch auf die Homogenität und die Qualität der abgeschiedenen Schicht aus.
Bei konventionellen Abscheideprozessen kann sich als Folge des sich zwischen Elektrode und Substrat ausbildenden elektrostatischen Feldes keine homogene Feldverteilung auf der Substratoberfläche ausbilden.
Außerdem treten durch den direkten Kontakt des hochenergetischen Plasmas mit dem Substrat Substratschädigungen auf.
Aufgabe der Erfindung
Die Erfindung löst die Aufgabe, hochqualitative, sehr gut passivierende Schichten für die Solarzellen herzustellen.
Die Schichtparameter Dicke, Struktur und Flächenhomogenität sind mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß der Erfindung exakt kontrollierbar. Schädigungen des Substrates durch energiereiches Plasma werden durch die Erfindung minimiert.
Lösung der Aufgabe
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß Anspruch 1 dadurch, dass zwischen dem Substrat und der dem Substrat gegenüberliegenden Elektrode im PECVD-Prozess eine weitere, für Bestandteile des Plasmas teildurchlässige Elektrode angeordnet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht diese für Bestandteile des Plasmas teildurchlässige Elektrode aus einem Lochblech, welches das Substrat und die Elektrode räumlich trennt. Die Anordnung besteht somit aus einer Elektrode, einem Lochblech aus leitfähigem Material, welches die Gegenelektrode darstellt, und einem darüber angeordneten Substrathalter mit Substrat. Das Lochblech hat dabei drei verschiedene Aufgaben. Es stellt die Masseelektrode der PECVD Anordnung dar, es wirkt als Querschnittsverkleinerung zur Reduktion der Abscheiderate und es bewirkt die Bildung eines feld- und plasmafreien Raumes zwischen Lochblech und Substrat.
Dies ermöglicht eine geringe, gut kontrollierbare Abscheiderate sowie eine exzellente Homogenität der abgeschiedenen Schicht und einen Schutz des Substrates, vor energiereichen Plasmateilchen.
Der PECVD Prozess lässt sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung wie folgt beschreiben: Zwischen dem Substrathalter und der teildurchlässige Elektrode bildet sich bei angelegter RF-Leistung ein Plasma aus, welches das Prozessgas dissoziiert. Das dissoziierte Gas diffundiert durch die Löcher des Bleches. Da zwischen der teildurchlässige Elektrode und dem Substrathalter Potentialgleichheit herrscht, resultiert im Volumen zwischen Lochblech und Elektrode ebenfalls Feldfreiheit. Somit ist die Homogenität der Abscheidung nur über die Diffusion bestimmt, welche durch die Durchlässigkeitsrate der teildurchlässigen Elektrode und dem Abstand zwischen der teildurchlässigen Elektrode und dem Substrat bestimmt ist.
Beschreibung der Figur
Anhand der 1 werden im folgenden Vorrichtung und Verfahren der Erfindung beschrieben.
Ein Photovoltaik-Siliziumsubstrat 1 ist in einer Abscheidekammer 9 gegenüber einer Elektrode 6 angeodnet. Zwischen der Elektrode 6 und dem Photovoltaik-Siliziumsubstrat 1 ist eine teildurchlässige Elektrode 3 angeordnet. Die teildurchlässige Elektrode 3 ist die Masseelektrode der PECVD Anordnung dar und wirkt als Querschnittsverkleinerung zur Reduktion der Abscheiderate (Abscheidung in Pfeilrichtung). Außerdem bewirkt die teildurchlässige Elektrode 3 die Bildung eines feld- und plasmafreien Raumes zwischen ihr und dem Substrat 1.
Im eingeleiteten 7 Gas wird zwischen der Elektrode 6 und der teildurchlässigen Elektrode 3 ein RF-Plasma 5 gezündet, welches das Prozessgas 8 dissoziiert.
Das dissoziierte Gas bildet Radikale 4, die durch die Öffnungen der teildurchlässigen Elektrode 3 diffundieren und auf dem Photovoltaik-Siliziumsubstrat 1 als Schicht 2 abgeschieden werden.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Bestandteile der abgeschiedenen Schicht
3: teildurchlässige Elektrode
4: Radikale
5: Plasma
6: Elektrode
7: Gasfluss des Bedampfungsgases
8: Bedampfungsgas
9: Abscheidungsraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004021457 A [0005]
- US 6946404 [0007]

Claims

Vorrichtung zur plasmaunterstützten Abscheidung einer amorphen Schicht auf einem Silizium-Photovoltaiksubstrat aus einer Gasphase dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem Silizium-Photovoltaiksubstrat und der dem Substrat gegenüberliegenden Elektrode eine weitere, für Bestandteile des Plasmas teildurchlässige Elektrode befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Silizium-Photovoltaiksubstrat und teildurchlässiger Elektrode im Bereich von 1 mm bis 3 cm einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die teildurchlässige Elektrode und ein Substrathalter eine mechanische Einheit bilden welche, als Ganzes in den Abscheidungsraum verbracht oder aus diesem entnommen werden kann
Verfahren zur plasmaunterstützten Abscheidung einer amorphen Schicht auf einem Silizium Photovoltaiksubstrat aus einer Gasphase dadurch gekennzeichnet, das die auf dem Silizium Photovoltaiksubstrat abgeschiedenen Schichten aus durch eine teildurchlässige Elektrode hindurch gesteuerten Gasströmen substratschonend gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Schicht im Wesentlichen aus einem der Stoffe Siliziumoxid, Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid oder undotiertem Silizium besteht, welche an der Oberfläche des Silizium-Photovoltaiksubstrats aus dem Bedampfungsgas gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur amorphen Schicht weitere Schichten durch Austausch des Bedampfungsgases aufgebracht werden.
Photovoltaisches Element bestehend aus einem Substrat aus kristallinem Silizium mit mindestens einer amorphen Schicht, hergestellt mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6.