DE102010012044A1 - Structured silicon layer for e.g. silicon solar cell, has boundary surface with bent partial surfaces exhibiting nano-structure that is extended into layer upto depth between four hundred nanometer and five micrometer - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine strukturierte Siliziumschicht für ein optoelektronisches Bauelement und ein optoelektronisches Bauelement mit einer derartigen Siliziumschicht.The invention relates to a structured silicon layer for an optoelectronic component and to an optoelectronic component having such a silicon layer.
Strukturierte Siliziumschichten finden insbesondere in strahlungsempfangenden optoelektronischen Bauelementen Anwendung. Beispielsweise wird in der Druckschrift
In der Druckschrift
Es ist an sich bekannt, derartige Strukturen durch Aufbringen eines Materials mit niedrigem Brechungsindex wie beispielsweise SiN, SiO2 oder Al2O3 zu entspiegeln. Die Wirkung einer derartigen Antireflexschicht beruht auf Interferenzeffekten, deren Wirkung erheblich von der Wellenlänge abhängig ist, sodass es nur schwer möglich ist, eine Entspiegelung für einen großen Wellenlängenbereich wie beispielsweise den Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 1200 nm zu realisieren.It is known per se to reflow such structures by applying a material with a low refractive index, such as, for example, SiN, SiO 2 or Al 2 O 3 . The effect of such an antireflection layer is based on interference effects, the effect of which is considerably dependent on the wavelength, so that it is difficult to realize an antireflection coating for a large wavelength range, for example the wavelength range between 300 nm and 1200 nm.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine strukturierte Siliziumschicht für ein optoelektronisches Bauelement anzugeben, die sich durch eine breitbandig entspiegelte Grenzfläche und eine gute Lichtführung innerhalb der Schicht auszeichnet.The invention has for its object to provide a structured silicon layer for an optoelectronic device, which is characterized by a broadband anti-reflective interface and good light management within the layer.
Diese Aufgabe wird durch eine strukturierte Siliziumschicht gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by a structured silicon layer according to
Bei einer Ausgestaltung der strukturierten Siliziumschicht für ein optoelektronisches Bauelement weist eine Grenzfläche der Siliziumschicht eine Vielzahl von Teilflächen auf, die gegenüber der Haupterstreckungsebene der Siliziumschicht geneigt sind. Die auf die Haupterstreckungsebene der Siliziumschicht projizierte Breite b der geneigten Teilflächen beträgt im Mittel vorzugsweise mindestens 5 μm.In one embodiment of the structured silicon layer for an optoelectronic component, an interface of the silicon layer has a plurality of partial surfaces which are inclined with respect to the main extension plane of the silicon layer. The projected on the main extension plane of the silicon layer width b of the inclined partial surfaces is on average preferably at least 5 microns.
Weiterhin weisen die geneigten Teilflächen eine Nanostruktur auf, wobei sich die Nanostruktur vorteilhaft bis in eine Tiefe zwischen 400 nm und 5 μm in die Siliziumschicht hinein erstreckt.Furthermore, the inclined partial surfaces have a nanostructure, wherein the nanostructure advantageously extends into the silicon layer to a depth of between 400 nm and 5 μm.
Die geneigten Teilflächen bilden eine Grobstruktur an der Grenzfläche der Siliziumschicht aus. Durch die geneigten Teilflächen der Grenzfläche der Siliziumschicht kann die Wahrscheinlichkeit erhöht werden, dass Strahlung, die von außen auf die Grenzfläche auftrifft, derart an der Grenzfläche gebrochen wird, dass sie unter einem Winkel, der größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion, auf die der strukturierten Grenzfläche der Siliziumschicht gegenüberliegende Grenzfläche auftrifft. Insbesondere können auf diese Weise Einfach- oder Mehrfachreflexionen der Strahlung innerhalb der Siliziumschicht bewirkt werden. Die von der auftreffenden Strahlung innerhalb der Siliziumschicht zurückgelegte Wegstrecke wird dadurch vorteilhaft erhöht. Auf diese Weise kann bei einem optoelektronischen Bauelement wie beispielsweise einer Solarzelle die Absorptionseffizienz erhöht werden.The inclined partial surfaces form a coarse structure at the interface of the silicon layer. By the inclined partial surfaces of the interface of the silicon layer, the probability can be increased that radiation impinging on the interface from outside, is refracted at the interface so that they at an angle which is greater than the critical angle of total reflection, to the structured boundary surface of the silicon layer opposite interface impinges. In particular, single or multiple reflections of the radiation within the silicon layer can be effected in this way. The distance traveled by the incident radiation within the silicon layer is thereby advantageously increased. In this way, in an optoelectronic component such as a solar cell, the absorption efficiency can be increased.
Durch die auf den geneigten Teilflächen ausgebildete Nanostruktur, die sich vorzugsweise bis in eine Tiefe zwischen 400 nm und 5 μm in die Siliziumschicht hinein erstreckt, wird eine breitbandige Entspiegelung der Siliziumschicht erzielt. Die Nanostruktur bildet an der Grenzfläche einen Brechungsindexgradienten aus, sodass sich der Brechungsindex zwischen der Siliziumschicht und dem Umgebungsmedium, wie beispielsweise Luft oder einer angrenzenden Schicht, nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich über die Tiefe der Nanostruktur ändert. Auf diese Weise wird die Reflexion an der Grenzfläche zwischen dem Umgebungsmedium und der Siliziumschicht vermindert, wobei die Reflexion vorzugsweise im gesamten Spektralbereich zwischen 300 nm und 1200 nm weniger als 10% beträgt. Besonders bevorzugt beträgt die Reflexion der Grenzfläche im Spektralbereich zwischen 300 nm und 1200 nm sogar weniger als 1%. Dadurch, dass beim Eintritt der Strahlung in die Siliziumschicht nur geringe Reflexionsverluste auftreten, kann insbesondere die Effizienz eines strahlungsabsorbierenden optoelektronischen Bauelements, das eine derartige Siliziumschicht enthält, erhöht werden.By virtue of the nanostructure formed on the inclined partial surfaces, which preferably extends into the silicon layer to a depth of between 400 nm and 5 μm, a broadband antireflection coating of the silicon layer is achieved. The nanostructure forms a refractive index gradient at the interface, such that the refractive index between the silicon layer and the surrounding medium, such as air or an adjacent layer, does not change abruptly but continuously across the depth of the nanostructure. In this way, the reflection at the interface between the surrounding medium and the silicon layer is reduced, wherein the reflection is preferably less than 10% in the entire spectral range between 300 nm and 1200 nm. Even more preferably, the reflection of the interface in the spectral range between 300 nm and 1200 nm is even less than 1%. Due to the fact that only slight reflection losses occur when the radiation enters the silicon layer, in particular the efficiency of a radiation-absorbing optoelectronic component containing such a silicon layer can be increased.
Die an der Grenzfläche der Siliziumschicht ausgebildete Grobstruktur weist geneigte Teilflächen auf, die jeweils um einen Neigungswinkel α gegenüber der Haupterstreckungsebene der Siliziumschicht geneigt sind. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sind die geneigten Teilflächen gegenüber der Haupterstreckungsebene der Siliziumschicht im Mittel mindestens 30°, besonders bevorzugt mindestens 45°, geneigt. Auf diese Weise wird vorteilhaft erreicht, dass von außen auf die Grenzfläche auftreffende Strahlung derart gebrochen wird, dass sie sich bezogen auf die Haupterstreckungsebene der Siliziumschicht unter vergleichsweise flachen Winkeln in der Siliziumschicht ausbreitet. Auf diese Weise ergibt sich eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass die auftreffende Strahlung an der gegenüberliegenden Grenzfläche der Siliziumschicht totalreflektiert wird oder sogar mehrfach innerhalb der Siliziumschicht reflektiert wird. Die auftreffende Strahlung wird also vorteilhaft in der Schicht geführt.The coarse structure formed at the interface of the silicon layer has inclined partial surfaces which are each tilted by an inclination angle α with respect to the main extension plane of the silicon layer. In a preferred embodiment, the inclined partial surfaces with respect to the main extension plane of the silicon layer on average at least 30 °, more preferably at least 45 °, inclined. In this way, it is advantageously achieved that radiation impinging on the boundary surface from the outside is refracted in such a way that it propagates in the silicon layer at comparatively shallow angles relative to the main extension plane of the silicon layer. In this way results There is a high probability that the incident radiation is totally reflected at the opposite interface of the silicon layer or even multiple reflected within the silicon layer. The incident radiation is thus advantageously guided in the layer.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die geneigten Teilflächen gegenüber der Haupterstreckungsebene der Siliziumschicht im Mittel nicht mehr als 80°, besonders bevorzugt nicht mehr als 70°, geneigt sind. Auf diese Weise wird die Wahrscheinlichkeit verringert, dass ein auf die Grenzfläche der Siliziumschicht auftreffender Lichtstrahl, der in die Siliziumschicht hinein gebrochen wird, unmittelbar auf die Innenseite einer benachbarten Teilfläche auftrifft und dort wieder aus der Siliziumschicht auskoppelt.Furthermore, it is advantageous if the inclined partial surfaces are not inclined on average by more than 80 °, more preferably not more than 70 °, in relation to the main extension plane of the silicon layer. In this way, the likelihood is reduced that an incident on the interface of the silicon layer of light beam, which is refracted into the silicon layer, directly impinges on the inside of an adjacent part surface and decouples there again from the silicon layer.
Die geneigten Teilflächen können an der Grenzfläche der Siliziumschicht insbesondere V-förmige, trapezförmige oder pyramidenförmige Strukturen bilden. Beispielsweise kann die Grenzfläche der Siliziumschicht V-förmige Gräben mit regelmäßigen oder zufällig verteilten Abständen und Tiefen aufweisen. Es sind auch trapezförmige Prismenstrukturen mit regelmäßigen oder zufällig verteilten Abständen, Plateaubreiten und Tiefen denkbar. Weiterhin können die geneigten Grenzflächen auch Pyramiden mit quadratischer oder rechteckiger Grundfläche ausbilden. Es ist möglich, dass die Pyramiden unregelmäßig an der Grenzfläche der Siliziumschicht verteilt sind. Bevorzugt sind die Pyramiden regelmäßig angeordnet, insbesondere in einem rechteckigen Gitter. Bei einer bevorzugten Variante sind die Gitterzellen in dem rechteckigen Gitter zeilenweise oder spaltenweise jeweils um eine halbe Periode gegeneinander versetzt.The inclined partial surfaces may in particular form V-shaped, trapezoidal or pyramidal structures at the interface of the silicon layer. For example, the interface of the silicon layer may have V-shaped trenches with regular or randomly distributed intervals and depths. Trapezoidal prism structures with regular or randomly distributed distances, plateau widths and depths are also conceivable. Furthermore, the inclined boundary surfaces can also form pyramids with a square or rectangular base. It is possible that the pyramids are irregularly distributed at the interface of the silicon layer. The pyramids are preferably arranged regularly, in particular in a rectangular grid. In a preferred variant, the grid cells in the rectangular grid are staggered line by line or column by half a period.
Die zuvor beschriebenen V-förmigen, trapezförmigen oder pyramidenförmigen Strukturen der Grenzfläche können auch invertiert sein, d. h. sie können sich von der Grenzfläche in die Siliziumschicht hinein erstrecken, anstatt als nach außen gewandte Strukturen auf der Siliziumschicht angeordnet zu sein.The previously described V-shaped, trapezoidal or pyramidal structures of the interface may also be inverted, i. H. they may extend from the interface into the silicon layer rather than being disposed on the silicon layer as outwardly facing structures.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung macht eine Projektion der geneigten Teilflächen auf die Haupterstreckungsebene der Siliziumschicht mindestens 50% der Gesamtfläche der Haupterstreckungsebene aus. Es ist also mehr als die Hälfte der Hauptebene der Siliziumschicht von den geneigten Teilflächen überdeckt. Auf diese Weise wird eine hohe Wirksamkeit der zuvor beschriebenen Grobstruktur erzielt. Besonders bevorzugt ist die gesamte Grenzfläche der Siliziumschicht durch die geneigten Teilflächen gebildet. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die gesamte Grenzfläche der Siliziumschicht durch pyramidenförmige Strukturen oder V-förmige Strukturen gebildet ist.In a preferred embodiment, a projection of the inclined partial surfaces on the main extension plane of the silicon layer makes up at least 50% of the total area of the main extension plane. Thus, more than half of the main plane of the silicon layer is covered by the inclined partial surfaces. In this way, a high efficiency of the above-described coarse structure is achieved. Particularly preferably, the entire interface of the silicon layer is formed by the inclined partial surfaces. This can be achieved, for example, in that the entire interface of the silicon layer is formed by pyramidal structures or V-shaped structures.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die auf die Haupterstreckungsebene der Siliziumschicht projizierte Breite b der geneigten Teilflächen im Mittel zwischen einschließlich 5 μm und einschließlich 50 μm. Dadurch, dass die projizierten Breite b der geneigten Teilflächen im Mittel mindestens 5 μm beträgt, wird die Geometrie der geneigten Teilflächen durch die Nanostruktur nicht wesentlich verändert. Andererseits ist es vorteilhaft, wenn die projizierte Breiten b der geneigten Teilflächen im Mittel nicht mehr als 50 μm beträgt, um die erforderliche Schichtdicke und den Materialverlust durch die Strukturierung auch bei den bevorzugt großen Neigungen der Teilflächen von mindestens 45° gering zu halten.In an advantageous embodiment, the projected to the main extension plane of the silicon layer width b of the inclined partial surfaces on average between 5 microns inclusive and including 50 microns. Due to the fact that the projected width b of the inclined partial surfaces is on average at least 5 μm, the geometry of the inclined partial surfaces is not significantly changed by the nanostructure. On the other hand, it is advantageous if the projected widths b of the inclined partial surfaces is on average not more than 50 .mu.m in order to keep the required layer thickness and the material loss by structuring even at the preferably large inclinations of the partial surfaces of at least 45 °.
Die Nanostruktur weist bevorzugt Strukturelemente auf, deren Abstand im Mittel zwischen einschließlich 100 nm und einschließlich 400 nm beträgt. Bei derartigen Abständen der Strukturelemente der Nanostruktur wird eine breitbandige reflexionsmindernde Wirkung erzielt, ohne dabei die Geometrie der durch die geneigten Teilflächen gebildeten Grobstruktur und die damit verbundene Wirkung zu beeinträchtigen.The nanostructure preferably has structural elements whose average spacing is between 100 nm and 400 nm inclusive. With such spacings of the structural elements of the nanostructure, a broadband reflection-reducing effect is achieved without impairing the geometry of the coarse structure formed by the inclined partial surfaces and the associated effect.
Bevorzugt weist die Nanostruktur Strukturelemente auf, deren laterale Abmessung im Mittel zwischen einschließlich 10 nm und 300 nm, besonders bevorzugt zwischen 10 nm und 100 nm, beträgt.The nanostructure preferably has structural elements whose average lateral dimension is between 10 nm and 300 nm, more preferably between 10 nm and 100 nm.
Die Nanostruktur kann insbesondere nadelförmige Strukturelemente aufweisen. Derartige nadelförmige Nanostrukturen können in Silizium insbesondere durch einen Plasmaätzprozess erzeugt werden.The nanostructure may in particular have needle-shaped structural elements. Such needle-shaped nanostructures can be produced in silicon in particular by a plasma etching process.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine weitere Schicht auf die Grenzfläche der Siliziumschicht aufgebracht. Die weitere Schicht bedeckt in diesem Fall insbesondere die geneigten Teilflächen einschließlich der Nanostruktur. Die mindestens eine weitere Schicht kann insbesondere als Schutzschicht für die Nanostruktur fungieren. Zusätzlich oder alternativ kann die auf die Grenzfläche aufgebrachte weitere Schicht auch eine elektrische Funktion aufweisen, insbesondere kann sie beispielsweise in einem strahlungsempfangenden optoelektronischen Bauelement mit der Siliziumschicht eine strahlungsempfindliche Grenzfläche ausbilden.In a preferred embodiment, at least one further layer is applied to the interface of the silicon layer. In this case, the further layer covers in particular the inclined partial surfaces, including the nanostructure. The at least one further layer can in particular function as a protective layer for the nanostructure. Additionally or alternatively, the further layer applied to the interface may also have an electrical function; in particular, it may form a radiation-sensitive interface with the silicon layer in a radiation-receiving optoelectronic component, for example.
Abhängig von der Funktion der weiteren Schicht auf der Grenzfläche der Siliziumschicht kann es sich bei der weiteren Schicht beispielsweise um eine Halbleiterschicht, eine dielektrische Schicht oder eine transparente leitfähige Schicht handeln. Geeignete dielektrische Schichten sind insbesondere SiO2, SiN oder Al2O3. Geeignete transparente leitfähige Schichten sind z. B. Indiumzinnoxid (ITO) oder mit Aluminium dotiertes Zinkoxid (ZnO:Al).Depending on the function of the further layer on the interface of the silicon layer, the further layer may be, for example, a semiconductor layer, a dielectric layer or a transparent conductive layer. Suitable dielectric layers are in particular SiO 2 , SiN or Al 2 O 3 . Suitable transparent conductive layers are for. For example, indium tin oxide (ITO) or aluminum-doped zinc oxide (ZnO: Al).
Es ist möglich, dass die auf die Grenzfläche aufgebrachte weitere Schicht im Wesentlichen die Nanostruktur nachbildet. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die auf die Grenzfläche aufgebrachte Schicht eine Dicke aufweist, die wesentlich geringer als die Tiefe der Nanostruktur ist. It is possible that the further layer applied to the interface substantially replicates the nanostructure. This can be achieved, in particular, by the fact that the layer applied to the interface has a thickness that is substantially less than the depth of the nanostructure.
Alternativ ist es aber auch möglich, dass die weitere Schicht auf der Grenzfläche der Siliziumschicht die Nanostruktur teilweise auffüllt oder sogar ganz planarisiert. Es ist vorteilhaft, wenn der Brechungsindex des Materials der weiteren Schicht nicht wesentlich größer als n = 2 ist. Die optische Wirkung der strukturierten Grenzfläche wird in diesem Fall durch die weitere Schicht nur unwesentlich beeinträchtigt.Alternatively, it is also possible that the further layer on the interface of the silicon layer partially fills the nanostructure or even completely planarized. It is advantageous if the refractive index of the material of the further layer is not substantially greater than n = 2. In this case, the optical effect of the structured interface is only insignificantly impaired by the further layer.
Die weitere Schicht kann durch ein PVD(Physical Vapour Deposition)- oder CVD(Chemical Vapour Deposition)-Verfahren aufgebracht werden. Geeignete Verfahren sind z. B. Sputtern, Elektronenstrahl- oder thermische Verdampfung, PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapour Deposition) oder ALD (Atomic Layer Deposition). Alternativ können auch Dip- oder Spin-Coating-Verfahren eingesetzt werden.The further layer can be applied by a PVD (Physical Vapor Deposition) or CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Suitable methods are for. As sputtering, electron beam or thermal evaporation, PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) or ALD (Atomic Layer Deposition). Alternatively, dip or spin coating methods can also be used.
Die zuvor beschriebene Siliziumschicht ist vorzugsweise Bestandteil eines optoelektronischen Bauelements. Insbesondere ist die strukturierte Siliziumschicht für strahlungsempfangende optoelektronische Bauelemente wie beispielsweise Solarzellen oder Fotodetektoren geeignet.The silicon layer described above is preferably part of an optoelectronic component. In particular, the structured silicon layer is suitable for radiation-receiving optoelectronic components such as, for example, solar cells or photodetectors.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den
Es zeigen:Show it:
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.Identical or equivalent components are each provided with the same reference numerals in the figures. The components shown and the size ratios of the components with each other are not to be considered as true to scale.
Zur Herstellung der geneigten Teilflächen
Im Fall einer nasschemischen Ätzung ergibt sich die Neigung der Teilflächen
Bei einer anderen Kristallorientierung der Siliziumschicht
Der im unteren Teil der
Zur Herstellung der Nanostruktur
Ein geeignetes Trockenätzverfahren ist z. B. ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma – Reactive Ion Etching). Beispielsweise können für das Trockenätzen Schwefelhexafluorid (SF6) oder Sauerstoff (O2) als Ätzgase verwendet werden.A suitable dry etching is z. For example, ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma - Reactive Ion Etching). For example, for dry etching, sulfur hexafluoride (SF 6 ) or oxygen (O 2 ) can be used as the etching gases.
Die Strukturelemente
Die Nanostruktur
Die auf die Grenzfläche
Die geneigten Grenzflächen
Die geneigten Grenzflächen
Die auf die Hauptebene
In den folgenden
Bei dem in
Bei dem in
Bei dem in
Bei dem in
Auch bei dem in
Die pyramidenförmigen Strukturen
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The invention is not limited by the description with reference to the embodiments. Rather, the invention encompasses any novel feature as well as any combination of features, including in particular any combination of features in the claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the claims or exemplary embodiments.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 5340340 [0003] US 5340340 [0003]
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