DE3317108C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilm-Halbleiterbauteils gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist bereits aus Patent Abstracts of Japan, E-102, 17. April 1982, Bd. 6, Nr. 60, Kokai 57- 1262 (A) bekannt. Dieses Verfahren umfaßt folgende Schrit­ te:
  • - Bildung eines nicht einkristallinen Halbleiter-Dünnfilms mit mindestens einem Zonenübergang auf einem leitfähigen Substrat,
  • - Bildung einer ersten Elektrode und einer von dieser ge­ trennten zweiten Elektrode auf dem Halbleiter-Dünnfilm, sowie
  • - Verbindung der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode mit jeweils einem Elektrodenanschluß.
Im Zusammenhang mit diesem bekannten Verfahren ist aller­ dings nicht angegeben, daß und wie eine auf dem Halbleiter- Dünnfilm liegende Elektrode mit dem leitfähigen Substrat verbunden ist.
Aus der US-PS 32 55 047 ist es bereits bekannt, eine auf einer Seite eines Halbleiter-Dünnfilms liegende Elektrode über einen legierten Bereich innerhalb des Halbleiter-Dünn­ films mit einem an seiner Rückseite liegenden weiteren Be­ reich zu verbinden. Hierzu kann beispielsweise das Material der Elektrode bei Temperaturen von 700°C bis 750°C in den Halbleiter-Dünnfilm hineingelegt werden. Der Legierungs­ prozeß wird dabei so gesteuert, daß das Elektrodenmaterial den Halbleiter-Dünnfilm vollständig durchdringt, wobei der Widerstand des Halbleiter-Dünnfilms durch das Elektrodenma­ terial herabgesetzt wird.
Aus Patent Abstracts of Japan, E-87, 29. Jan. 1979, Bd. 3, Nr. 10, Kokai 53-138290 sowie aus Patent Abstracts of Ja­ pan, E-102, 17. April 1982, Bd. 6, Nr. 60, Kokai 57-1266 sind weiterhin Solarzellen bekannt, die entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Der zu­ erstgenannten Druckschrift ist darüber hinaus zu entnehmen, das leitfähige Substrat durch einen in dem Halbleiter-Dünn­ film ausgebildeten gut leitenden Bereich zu kontaktieren. Bei der zuletztgenannten Druckschrift liegt eine transpa­ rente Elektrode auf einem transparenten Substrat.
In letzter Zeit sind große Anstrengungen unternommen worden, um Dünnfilm-Halbleiterbauteile mit amorphen, mikrokristalli­ nen oder polykristallinen Halbleitern zu entwickeln. Dazu ge­ hört auch amorphes Silizium, das im folgenden durch a-Si be­ zeichnet wird. Derartige Bauteile wurden in Konkurrenz zu den Bauteilen mit einkristallinen Halbleitern entwickelt. Nicht­ kristalline, mikrokistalline und polykristalline Halbleiter­ bauteile weisen die Eigenschaft auf, daß die Ausbreitung eines Stroms in Filmrichtung erschwert ist, da der Widerstand des Films hoch ist. Andererseits kann der Widerstand da­ durch verringert werden, daß der Film durch Wärme, die zum Beispiel durch elektromagnetische Energie aufgebracht werden kann, kristallisiert wird.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird nun anhand der Fig. 1 erläutert, die einen schematischen Querschnitt durch eine herkömmliche amorphe Solarzelle 2 mit PIN-Zonen­ übergang darstellt, die auf einem Substrat 1 aus rostfreiem Stahl gebildet ist. Bei solchen Solarzellen muß der Halb­ leiter-Dünnfilm auf seinen beiden Seiten kontaktiert werden. Gemäß Fig. 1a erfolgt dies dadurch, daß auf dem Dünnfilm 2 ein leitfähiger Film als erste Elektrode 3 abgeschieden ist, die durch einen Elektrodenanschluß 4 kontaktiert ist. Der Anschluß der anderen Fläche des Dünnfilms 2 erfolgt dadurch, daß das Substrat 1 auf der dem Dünnfilm gegenüberliegenden Fläche einen Elektrodenanschluß 5 trägt. Bei der Ausführungs­ form gemäß Fig. 1b sind beide Elektrodenanschlüsse 4 und 5 auf derselben Seite des Substrats 1 vorhanden. Dazu ist vom Substrat ein Teil des Halbleiter-Dünnfilms, also der amorphen Siliziumschicht durch mechanische oder chemische Mittel ent­ fernt. Danach ist der zweite Elektrodenanschluß auf dem Substrat von der Seite her angebracht, auf der auch der Dünnfilm 2 abgeschieden ist.
Der Aufbau gemäß Fig. 1a hat den Nachteil, daß der zur Ver­ fügung stehende Platz zum Montieren und Verdrahten des Halb­ leiterbauteils beträchtlich eingeschränkt ist. Dieser Nach­ teil ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1b vermieden, jedoch ist bei dieser Ausführungsform ein Teil der a-Si- Schicht weggeätzt oder die Schicht muß von vorherein mit geringerer Fläche aufgebracht werden. Dadurch verringert sich der nutzbare Bereich des Halbleiterbauteils beträchtlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine der Elektroden mit dem leitfähigen Substrat schnell und einfach verbunden werden kann, ohne daß zusätzliches Material in den Halbleiter-Dünnfilm eingebracht werden muß.
Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß zwi­ schen dem leitfähigen Substrat und dem nicht einkristalli­ nen Halbleiter-Dünnfilm im Bereich der zweiten Elektrode eine Spannung angelegt wird, um durch einen hohen elektri­ schen Strom einen Kristallisierungsprozeß zur Verminderung des elektrischen Widerstands des Halbleiter-Dünnfilms in diesem Bereich durchzuführen.
Zur Durchführung des Kristallisierungsprozesses läßt sich z. B. ein Spannungspuls verwenden. Andererseits können zur Durchführung des Kristallisierungsprozesses auch wenigstens zwei Spannungspulse mit zueinander umgekehrter Polarität verwendet werden. Der Kristallisierungsprozeß wird vorzugs­ weise in einem aus amorphem Material hergestellten Halblei­ ter-Dünnfilm durchgeführt.
Das genannte Verfahren läßt sich vorteilhaft zur Herstel­ lung von Solarzellen verwenden.
Entsprechend dem Verfahren nach der Erfindung wird lokali­ siert einem Dünnfilm-Halbleiterbauteil so viel Energie zu­ geführt, daß an dieser Stelle der Zonenüber­ gang zerstört wird und in einer amorphen, mikrokristallinen oder polykristallinen Schicht ein Kristallisierungsprozeß stattfindet, wodurch die Leitfähigkeit an dieser Stelle er­ höht wird. Im Gebiet des Dünnfilmbereichs niedrigen Wider­ stands ist die zweite Elektrode aufgebracht. Wird die Energie zum Erzeugen des Dünnfilmbereichs niedrigen Widerstandes durch einen hohen elektrischen Strom aufgebracht, so werden zunächst die zweite Elektrode und der zweite Elektroden­ anschluß erzeugt, um eine Spannung zum Hervorrufen des Stromes anlegen zu können.
Die Zeichnung stellt neben dem Stand der Technik Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen
Fig. 1a und 1b schematische Querschnitte durch herkömmliche Dünnfilm-Halbleiterbauteile,
Fig. 2 einen Schnitt durch ein nach der Erfindung hergestelltes Dünnfilm-Halbleiterbauteil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3a bis 3e schematische Querschnitte durch das Halbleiterbauteil nach Fig. 2 in unterschiedlichen Ver­ fahrensstufen,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Halbleiterbauteils nach Fig. 2,
Fig. 5 Pulsformen von Pulsen zum Erzeugen eines Be­ reichs niedrigen Widerstandes,
Fig. 6 ein Diagramm der Widerstandsverteilung in Abhängigkeit von der Zahl der Pulse,
Fig. 7 und 8 Diagramme zur Erläuterung der Abhängigkeit von Halbleiter­ eigenschaften als Funktion des Serienwiderstandes einer amorphen Solarzelle,
Fig. 9 einen schematisch dargestellten Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht des Halbleiter­ bauteils gemäß Fig. 9, und
Fig. 11 einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauteils mit mehreren Elektrodenbereichen.
Bei dem Dünnfilm-Halbleiterbauteil gemäß Fig. 2 ist ein Halbleiter-Dünnfilm bzw. eine a-Si-Schicht 12 als Solarzellenschicht auf einem Substrat aus rostfreiem Stahl oder einem anderen leitfähigen Substrat 11 aufgebracht, das durch Abscheiden einer leitfähigen Schicht auf einem isolierenden Substratteil gebildet ist. Die a-Si- Schicht 12 weist einen Zonenübergang, wie einen PN-, PIN- Übergang oder eine MIS- oder Schottky-Barriere oder derglei­ chen, auf. Der Halbleiter-Dünnfilm 12 besteht aus einer einzelnen Schicht mit dem Zonenübergang oder einer Mehrzahl von Schichten. Durch einfallendes Licht wird eine photovoltaische Spannung erzeugt. Auf der dem Substrat 11 abgewandten Fläche des Halbleiter-Dünnfilms 12 sind zwei Elektrodenfilme 13 und 15 vorhanden. Der transparente Elektrodenfilm 13 bedeckt dabei den größeren Teil der Fläche der Solarzelle, der als lichtempfangender Bereich dient. Dagegen dient der transparente Elektrodenfilm 15 als Elek­ trode, um die am Substrat 11 anliegende Fläche der a-Si- Schicht 12 zu kontaktieren. Die Elektrodenfilme 13 und 15 sind voneinander getrennt. Auf ihnen sind durch eine Silber­ paste Elektrodenanschlüsse 14 und 16 aufgebracht.
Um von der Elektrode 15 aus die gegenüberliegende Seite der a-Si-Schicht 12 kontaktieren zu können, muß zwischen dieser Elektrode 15 und der gegenüberliegenden Seite ein Dünnfilm­ bereich 18 geringen Widerstands vorliegen. Dazu wird dem Halbleiter- Dünnfilm 12 lokal genug Energie zugeführt, um den Zonenüber­ gang zerstören zu können. Der Elektrodenanschluß 16 liegt im Gebiet des Dünnfilm-Bereichs 18 niedrigen Widerstandes.
Anhand der Fig. 3a bis 3e wird nun der Herstellvorgang des in Fig. 2 dargestellten Halbleiterbauteils näher erläutert. Nach­ dem das Substrat 11 aus einem Metall oder einer Metall­ legierung wie rostfreiem Stahl, Eisen, Kupfer, Silber, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Nickel, Eisen-Nickel- Legierungen oder anderen derartigen Legierungen gewachsen ist, wird die amorphe Halbleiterschicht 12 auf der einen Oberfläche des Substrates 11 durch Niederschlag aus dem Vakuum (CVD) abgeschieden, wie dies in Fig. 3a dargestellt ist. Um die amorphe Halbleiterschicht 12 mit photoelektri­ schen Eigenschaften auszustatten, wird eine Einzelzelle oder eine Tandemzelle zum Beispiel mit PIN-Übergang geschaffen. Im Fall einer a-Si-Schicht werden drei Schichten vom P-Typ, I-Typ bzw. N-Typ nacheinander auf dem Substrat abgeschieden. Dabei wird zunächst SiH4-Gas mit einem geringen Anteil von B2H6-Gas, dann SiH4-Gas oder SiH4-Gas und SiF4 -Gas und dann SiH4- und/oder SiF4-Gas mit einem geringen Anteil von PH3 verwendet. Die Filmdicke jeder Schicht ist so gewählt, daß die photovoltaische Wirkung maximal wird. Eine Ausführungs­ form einer Einzelzelle mit PIN-Übergang zeigt die folgenden Werte: Dicke der P-Schicht ∼ 50 nm, der I-Schicht ∼ 500 nm und der N-Schicht ∼ 15 nm. Im Fall einer Tandemzelle mit PIN-Übergängen: Dicke der P1-Schicht ∼ 70 nm, der I1-Schicht ∼ 350 nm, der N1-Schicht ∼ 15 nm, der P2-Schicht ∼ 15 nm, der I2-Schicht ∼ 60 nm und der N2-Schicht ∼ 15 nm.
Wie in Fig. 3b dargestellt, wird danach ein leitfähiger durchsichtiger Film A auf der gesamten Fläche der amorphen Halbleiterschicht 12 abgeschieden. Dies erfolgt durch Ab­ scheiden von ITO (In2O3-SnO2) oder SnO2 : Sb mit einer Schichtdicke von etwa 60 nm bis 100 nm. Das Abscheiden er­ folgt durch Elektronenstrahl-Abscheidungstechniken oder durch Sputtern. Der durchsichtige leitfähige Film A erhält dann auf chemischem Wege ein Muster, wie es in Fig. 3c dar­ gestellt ist, so daß die beiden Elektroden 13 und 15 entstehen. Die Elektrodenanschlüsse 14 und 16 sind durch Siebdruck mit Silberpaste auf den Elektroden 13 bzw. 15 angebracht.
Wie in Fig. 3d dargestellt, wird die Oberfläche der Anord­ nung mit einem durchsichtigen Harz 17 bis auf die Stellen der Anschlüsse 14 und 16 abgedeckt. Schließlich werden, wie in Fig. 3e dargestellt, die Übergangszone des PIN-Übergangs durch Zuführen elektromagnetischer Energie zwischen dem leitfähigen Substrat 11 und der Elektrode 16 zerstört und dabei ein Dünnfilmbereich 18 geringen Widerstands erzeugt. Der Widerstand Rs des Dünnfilmbereichs 18 ist geringer als einige 10 Ω. Die Eigenschaften der amorphen Solarzelle wer­ den durch den Serienwiderstand Rs nicht verschlechtert, wenn die Zelle bei niedriger Beleuchtung (100-5000 lux) beleuch­ tet wird. In Fig. 4 ist eine nach dem beschriebenen Verfah­ ren hergestellte Solarzelle für Verbrauchsgüter perspektivisch dargestellt.
Die Energie zum Erzeugen des Dünnfilmbereichs 18 niedrigen Widerstandes durch Zerstören des Zonenübergangs im Halb­ leiter-Dünnfilm 12 kann als elektromagnetische oder als Wärme­ energie durch elektrische Pulse zugeführt werden. Im folgenden wird ein Verfahren zum Erzeugen des Dünnfilm­ bereichs 18 niedrigen Widerstandes beschrieben, bei dem elek­ trische Pulse verwendet werden. Im Ausführungsbeispiel wurde eine amorphe Tandem-Solarzelle mit einem Aufbau aus rost­ freiem Stahl/P1-I1-N1/P2-I2-N2/ITO verwendet. Die Schicht­ dicken waren P1 ∼ 70 nm, I1 ∼ 400 nm, N1 ∼ 15 nm, P2 ∼ 15 nm, I2 ∼ 60 nm, N2 ∼ 15 nm und ITO ∼ 70 nm (700 Å). Eine Pulsspannung mit gegenüber der Sperrspannung umge­ kehrter Richtung wurde zwischen das Substrat 11 und die Elektrode 16 an der N2-Seite so gelegt, daß das Substrat 11 geerdet und die Elektrode 16 positiv war. Mit einem Puls von +50 V und einer Breite von 4 nsec, wie dies durch a in Fig. 5 dargestellt ist, wurde eine Verteilung des Serien­ widerstands Rs erzielt, wie dies in Kurve B von Fig. 6 dargestellt ist. Durch einen negativen und einen zusätz­ lichen positiven Puls gemäß b von Fig. 5 ließ sich der Widerstandswert so erniedrigen, wie dies in Kurve C von Fig. 6 dargestellt ist. Wurde ein Doppelpuls gemäß b von Fig. 5 zweimal an den Dünnfilmbereich 18 gegeben, wurde ein noch geringerer Wert erzielt, wie er in Kurve D von Fig. 6 dargestellt ist. Dieser Widerstandswert lag unter 20 Ω. Der Widerstandswert kann nicht bis auf null ver­ ringert werden, jedoch durch die beschriebenen elektro­ magnetischen Einwirkungen auf 1 bis 100 Ω herabgesetzt werden.
Experimentelle Ergebnisse der Beeinflussung von Eigenschaften einer Solarzelle durch den Widerstandswert im Dünnfilmbe­ reich 18 sind in den Fig. 7 und 8 dargestellt und werden im folgenden erläutert. In Fig. 8 ist der Einfluß des Wider­ stands auf Strom und Spannung dargestellt, für den Fall, daß eine Solarzelle mit amorphem Silizium mit einer Zell­ fläche von 1 cm² vorliegt, die durch eine Fluoreszenz­ lampe mit 200 lux beleuchtet wird. In Fig. 8 ist die Be­ ziehung zwischen dem Serienwiderstand und der prozentualen Abnahme verschiedener elektrischer Eigenschaften darge­ stellt. Wie aus den Fig. 7 und 8 ersichtlich ist, nehmen elektrische Eigenschaften ungefähr um 2% ab, wenn der Serienwiderstand etwa 100 Ω ist. Da, wie oben angegeben, durch das Anlegen von Pulsen ein Widerstandswert von unter 20 Ω erzielt werden kann, also ein noch geringerer Wert als die 100 Ω, für die Darstellungen in den Fig. 7 und 8 vor­ handen sind, ist offensichtlich, daß die Eigenschaften einer amorphen Solarzelle durch den angegebenen Aufbau nicht ver­ schlechtert werden.
Der Übergang konnte in einer amorphen Tandem-Solarzelle auch im Vakuum zerstört werden. In diesem Fall ergab sich eine geringere Energie zum Zerstören des Übergangs bei einer amorphen Siliziumzelle mit Wasserstoff (a-Si : H), die haupt­ sächlich aus Monosilan (SiH4) hergestellt war, verglichen mit einer Zelle aus amorphem Silizium mit Fluor (a-Si : F : H), die mit SiF4-Gas hergestellt war.
In der bisher beschriebenen Ausführungsform wurde eine Metallplatte als Substrat 11 verwendet. Das Substrat 11 kann je­ doch auch aus einer durchsichtigen isolierenden Platte wie einer Glasplatte bestehen. Es wird dann ein durchsichtiger leitender Film 21 auf einer Fläche einer Glasplatte 20 ab­ geschieden, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Darauf wird dann eine amorphe Halbleiterschicht (PIN/PIN-Struktur) 22 auf übliche Art und Weise abgeschieden. Im Vakuum wird noch eine Metallschicht (A 1) abgeschieden und auf chemische Art und Weise mit einem Muster versehen, wodurch Rückelektro­ den 23 und 25 gebildet sind. Auf diesen werden Elektroden­ anschlüsse 24 und 26 mit Silberpaste aufgedruckt. Die Rück­ elektroden werden bis auf die Elektrodenanschlüsse mit Epoxyharz 27 bedeckt. Abschließend wird ein Dünnfilm­ bereich 28 niedrigen Widerstandes auf dieselbe Art und Weise, wie oben beschrieben, hergestellt, wodurch das Herstellverfahren abgeschlossen ist. In Fig. 10 ist ein solches Halbleiterbauteil perspektivisch dargestellt.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen lag nur eine einzige Zelle vor. Es ist jedoch auch möglich, ein amorphes Solarzellen-Bauteil herzustellen, das eine Mehr­ zahl von Zellen beinhaltet, die elektrisch miteinander in Reihe geschaltet und auf demselben Substrat 20 auf­ gebracht sind, wie dies in Fig. 11 im Schnitt dargestellt ist.
Es können als Elektroden zum Kontaktieren der beiden Seiten eines Halbleiter-Dünnfilms auf einer Seite des Dünnfilms angebracht werden. Im Bereich der einen Elek­ trode wird jedoch der Widerstand des Dünnfilms erniedrigt. Auf diese Art und Weise werden Zellen erzielt, die auf ein­ fache Art und Weise zu größeren Einheiten zusammengebaut werden können, was die Automatisierung erleichtert und da­ durch die Herstellkosten erheblich verringert. Außerdem ist der Platz, der zum Zusammenbau benötigt wird, erheblich ver­ ringert, wodurch sich auf gleicher Baufläche eine größere Solarzellen-Fläche erzielen läßt als bisher.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilm-Halbleiterbau­ teils mit folgenden Verfahrensschritten:
  • - Bildung eines nicht einkristallinen Halbleiter-Dünnfilms (12; 22) mit mindestens einem Zonenübergang auf einem leit­ fähigen Substrat (11; 20, 21),
  • - Bildung einer ersten Elektrode (13; 23) und einer von dieser getrennten zweiten Elektrode (15; 25) auf dem Halbleiter- Dünnfilm (12; 22), sowie
  • - Verbindung der ersten Elektrode (13; 23) und der zweiten Elektrode (15; 25) mit jeweils einem Elektrodenanschluß (14; 24 bzw. 16; 26),
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem leitfähigen Substrat (11; 20, 21) und dem nicht einkristallinen Halbleiter-Dünnfilm (12; 22) im Bereich der zweiten Elektrode (15; 25) eine Spannung angelegt wird, um durch einen hohen elektrischen Strom einen Kristallisierungs­ prozeß zur Verminderung des elektrischen Widerstands des Halb­ leiter-Dünnfilms (12; 22) in diesem Bereich durchzuführen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des Kristallisierungsprozesses ein Spannungs­ puls verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des Kristallisierungsprozesses wenigstens zwei Spannungspulse mit zueinander umgekehrter Polarität verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kristallisierungsprozeß in einem aus amor­ phem Material hergestellten Halbleiter-Dünnfilm (12; 22) durchgeführt wird.
5. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangehen­ den Ansprüche bei der Herstellung einer Solarzelle.
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