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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