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WO2012041314A2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer dünnschichtsolarzelle - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer dünnschichtsolarzelle Download PDF

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WO2012041314A2
WO2012041314A2 PCT/DE2011/075207 DE2011075207W WO2012041314A2 WO 2012041314 A2 WO2012041314 A2 WO 2012041314A2 DE 2011075207 W DE2011075207 W DE 2011075207W WO 2012041314 A2 WO2012041314 A2 WO 2012041314A2
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laser beam
laser
substrate
semiconductor material
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Gudrun ANDRÄ
Fritz Falk
Joachim Bergmann
Hans-Ulrich Zühlke
Gabriele Eberhardt
Berthold Burghardt
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Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH
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Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a semiconductor component, in particular a solar cell, as described generically in EP 1 314 208 B1.
  • the solar cell includes a substrate, a seed layer applied to the substrate and an absorber layer epitaxially grown on the seed layer by means of laser-assisted crystallization and is designed for illumination from the side of the substrate or from the layer side.
  • the solar cell is formed as a thin-film solar cell.
  • the crystalline structure of the seed layer serves as a first template for the future structure of the epitaxial growth layer.
  • a substance for. B. a doped semiconductor such as silicon (EP 1 314 208 B1) or gallium arsenide (eg., DE 10 2005 045 096 A1), in a thin layer of 20 to 100 nm (DE 10 2005 045 096 A1) or up to 200 nm (EP 1 314 208 B1) applied to the seed layer and then crystallized.
  • the epitaxial crystallization with laser radiation (henceforth referred to as laser beam) of a wavelength of 532 nm, a pulse repetition frequency between 10 kHz and 100 kHz and a laser fluence of 2 to 6 J / cm 2 on silicon wafers to Laser doping described.
  • the process is performed on massive silicon wafers and serves to create a doped region in a solid.
  • a body to be doped and a body are brought into contact with dopants and the contact zone by means of a laser beam, the z. B. is formed as a laser line, melted so that the dopant diffused into the molten area and recrystallized during cooling, the molten area with a high freedom from defects.
  • the pulse duration is less than 100 ns and is due to the fact that the penetration depth of the laser beam in crystalline silicon is 10 times greater than that of amorphous Si is the case, the heat conduction is even 100 times faster. Only at the very short pulse durations specified by the inventors can the melting depth be limited to 1 ⁇ , whereby the maximum thickness of the producible emitter is fixed.
  • DE 10 2005 045 096 A1 discloses a method for producing a semiconductor component and a thin-film solar cell, in which a crystalline seed layer is arranged on a glass substrate.
  • the seed layer is formed by providing the substrate with an amorphous-deposited substance (henceforth: first semiconductor material) and crystallizing the amorphous first semiconductor material by laser assisted crystallization.
  • first semiconductor material amorphous-deposited substance
  • second semiconductor material p- or n-doped gallium arsenide in amorphous or nanocrystalline form
  • an absorber layer As many layers are applied until a desired thickness of less than 3 ⁇ an absorber layer is reached, which consists of the totality of the layers. For a absorber layer thicker than 1 ⁇ m only, at least 10 layers are to be applied and each crystallized out by means of a pulsed laser beam.
  • An excimer laser radiating in the UV range is used.
  • the pulse duration of the excimer laser is less than 100 ns.
  • the irradiation heats the layers for periods of 10 to 200 ns to temperatures between 850 ° C and 1240 ° C.
  • a lens system for the homogenization of laser pulses is described for example in DE 103 45 177 B3.
  • a plurality of lenses are present in a first lens array through which a radiation is separated into partial beams.
  • an imaging optics is also arranged so that the partial beams impinge temporally offset to an illumination field on a layer to be crystallized out.
  • a multicrystalline laser-crystallized silicon thin-film solar cell on a glass substrate and the method for its production is described in EP 1 314 208 B1 described.
  • an amorphous or microcrystalline silicon layer is deposited on a glass substrate, which is crystallized with a continuous wave laser having a wavelength in the visible spectral range or near infrared to a multicrystalline seed layer.
  • the respective layer is irradiated with a pulsed UV laser (excimer laser) on the seed layer and epitaxially grown on the seed layer or the preceding layers.
  • the thicknesses of the layers are up to 200 nm, while the thickness of the finished Absober Mrs should be at least 2 ⁇ . This means that at least ten layers have to be applied and epitaxially grown up.
  • the substrate is maintained at temperatures between 400 and 600 ° C to limit the incorporation of hydrogen into the amorphous silicon layer.
  • the irradiation of the sub-layers in a deposition chamber during the coating is to be carried out, which requires an injection of the laser beam into the chamber.
  • Laser beams of excimer lasers are only in a near-surface layer of present in amorphous form second semiconductor material of z. B. ⁇ 10 nm, so that the heating of the remaining thickness of the layer must be carried out by heat conduction.
  • the penetration depth of the heat for example in amorphous silicon, is limited to approximately 200 nm. This maximum penetration depth also limits the crystallisable thickness of a layer.
  • the invention has for its object to provide a method by which an absorber layer with fewer process steps can be grown on a seed layer, as described in the prior art. It is another object of the invention to propose a device for carrying out the method.
  • the object is achieved in a method for producing a thin-film solar cell with a multilayer structure, comprising a substrate, a seed layer and an absorber layer, with the following steps: Formation of a seed layer by application of an amorphous first layer of a first semiconductor material to a substrate and application of a first laser beam to the first layer in order to crystallize this layer,
  • That the second laser beam has a wavelength in a range of 500 to 1 100 nm and a pulse duration in the range of 300 to 1200 ns.
  • the core of the invention is the indication of how, within a method for producing a thin-film solar cell, by applying layers of the second semiconductor material at most twice, a complete and functional absorber layer can be produced. As a result, a possibility for increasing the efficiency of the production of thin-film solar cells is indicated in a highly advantageous manner.
  • the layer-wise application takes place in one layer and then the absorber layer consists only of a single layer.
  • the second laser beam with a pulse repetition frequency in a range of 10 to 100 kHz and a laser fluence in a range of 1, 5 to 8 J / cm 2 is used.
  • the first laser beam may also have these parameters.
  • a semiconductor material is preferably selected from a group comprising silicon, gallium arsenide and silicon germanium alloys.
  • the second semiconductor material can be applied in amorphous, nano- or microcrystalline form.
  • the first semiconductor material can be applied to the substrate by any known coating method.
  • sputtering, electron beam vapor deposition and PECVD is an application by means of such methods by the formation of a thin seed layer.
  • the second semiconductor material can by known methods, such as. B. CVD method applied. Due to the high deposition rates, the second semiconductor material is preferably applied by means of electron beam vapor deposition.
  • the thickness of the absorber layer is between 0.5 and 5 ⁇ , but preferably not more than 2 ⁇ .
  • the absorber layer For the crystallization of the absorber layer by means of the second laser beam are powerful pulse laser with a wavelength from the visible spectral range into the near IR range in question. Wavelength, pulse duration and laser fluence of the second laser beam are chosen so that the first layer is melted to the boundary to the seed layer. Possibly also a part of the germ layer can be melted with. If the absorber layer consists of two layers, the wavelength, pulse duration and laser fluence of the second laser beam are selected so that the second layer is melted to the limit of the first layer. Maybe also a part of the first layer can be melted with.
  • the parameters of the second laser beam must be chosen so that it does not come to melt through the seed layer, which may only have a thickness between 50 and 400 nm. This thickness must not be exceeded in order to ensure a sufficient passage of light from the side of the substrate to the absorber layer.
  • the parameters of the second laser beam it is necessary for the parameters of the second laser beam to be chosen such that the epitaxial crystallization front proceeds so rapidly that it reaches the surface of the first layer starting from the seed layer before spontaneous nucleation occurs in the supercooled melt of the first layer.
  • the first and the second layer may be different, in particular decreasing, doped.
  • dopants can already be contained by the respective composition of the second semiconductor material and can be supplied during the melting and the crystallization.
  • the seed layer is subjected to a continuous laser radiation, so-called continuous wave, with a first laser beam.
  • the seed layer it is possible for the seed layer to be exposed to a pulsed first laser beam.
  • the first laser beam and the second laser beam are provided by a same laser source.
  • laser beams of similar or identical parameters can be used both for the crystallization of the seed layer and for the crystallization of the absorber layer.
  • the possibility of a smaller thickness of the seed layer is given up to only 50 nm.
  • the seed layer is highly doped and thereby absorbs light but does not contribute to the generation of current, it should be as thin as possible.
  • the production can take place at 400 to 700 ° C at room temperature instead.
  • the exposure to laser beams which are formed to a defined beam cross-section in a working plane of the seed layer or in a working plane of the absorber layer and in the processing plane in each case an illumination field on the irradiated Surface of the processed, in particular to be melted and crystallized, layers.
  • a working plane is understood as meaning, for example, a focal plane or a focus area with a focal length in which the laser beams have suitable parameters for processing (for example for melting) the seed layer or the absorber layer.
  • the working plane the laser beam facing surface of a layer to be melted and crystallized, on which the illumination field is imaged.
  • Defined beam cross sections may preferably be regular geometries, such as squares, rectangles or lines. It is advantageous if the laser beams are homogenized so that they impinge homogeneously on the illumination field of the respective working plane.
  • the beam cross section is formed as a laser line.
  • the laser line can be formed as a line whose generating laser beam is homogenized over the length of the laser line. It can also be formed from a number of illumination fields, which can also be guided along the working plane like a laser line.
  • each layer is assigned a working plane.
  • the illumination fields are guided in a specific manner over the regions of the seed layer to be fused or the first and optionally second layer of the absorber layer.
  • the illumination fields can be guided at least partially overlapping in order to compensate for possibly decreasing laser fluences at the edges of the beam cross sections.
  • the guidance of the illumination fields is effected by a controlled relative movement between the first and second laser beam and the layers to be processed.
  • the first laser beam and the second laser beam are laser beams whose laser fluences are homogeneous over their respective illumination field, ie with the lowest possible variances over the illumination field, ie have a homogeneous energy distribution.
  • the laser fluence preferably has a top hat distribution in the direction of the longitudinal extent of the laser line and a Gaussian distribution in the direction of its width.
  • glass can be used in the method of the present invention. The glass can be a variety of qualities, such. Example, the glass S 005 of SCHOTT®, borosilicate glass or soda lime glass, and have thicknesses of 0.5 to 6 mm.
  • Barrier layers may be present on the glass to prevent or reduce the transfer of constituents from the glass to the seed layer.
  • a film is used as the substrate.
  • a film may be, for example, a film of polyamide or polyethylene. If a film is used as a substrate, the seed layer is only exposed to a pulsed laser beam.
  • one or more further layers may be present.
  • Such layers may be, for example, barrier layers, emitter layers, passivation layers or metal coatings. The latter can serve as reflectors as well as electrodes.
  • the method according to the invention can also be applied to other semiconductor components in which a corresponding further layer of an amorphous, nano- or microcrystalline second semiconductor material crystallizes out, but in particular is epitaxially grown.
  • a layer of the second semiconductor material in amorphous, nano- or microcrystalline form is first applied to the seed layer with a thickness corresponding to the total thickness or half of the total thickness of the absorber layer for the production of the absorber layer.
  • the epitaxial crystallization is then assisted by irradiation with the second laser beam, wherein the production of the entire absorber layer takes place in one step or in two steps.
  • the wavelengths used in the method according to the invention, in conjunction with pulse durations of 300 ns and more, also allow thick layers of more than 200 nm thickness to be heated and melted.
  • the melting time is advantageously only slightly above 1 ⁇ . This has the consequence that the risk of Fremdatomverschleppung from the highly doped seed layer in the absorber layer is relatively low.
  • the melt comes into contact with the seed layer. The longer the melting time, the more difficult it is to prevent a partial melting of the seed layer.
  • the dopant contained in the molten part of the seed layer then mixes with the melt of the absorber layer. It can be assumed that a melting time of 1 ⁇ is necessary for the thorough mixing of a 100 nm thick melt layer.
  • the melting time at a pulse duration of 600 ns is about 1 ⁇ . At thicknesses of the layers of 0.5 to 5 ⁇ it comes in the inventive method only along the interfaces of the layers or the first layer and the seed layer, for mixing and for Fremdatomverschleppung.
  • the process according to the invention is also very economical because the crystallization can take place outside a separation chamber.
  • the entire production chain from the application of the first and second semiconductor materials and the laser-assisted crystallization can thus be easily realized with inline systems.
  • the object is also achieved by a device with at least one laser beam source - a beam path side of the laser beam source optics for shaping, homogenization and steering of the laser beam emitted from the laser beam source on a Maschinen Swissfact- with means for generating a controlled relative movement between the workpiece holder and the laser beam in an xy Level and with means for controlling parameters of the laser beam, thereby - That the laser beam source is adapted to provide a laser beam having a wavelength in the range of 500 to 1 100 nm and a pulse duration in the range of 300 to 1200 ns.
  • the laser beam source may be a second laser beam source which serves to crystallize the absorber layer.
  • a first laser beam source may be provided which is adapted to provide a first laser beam with which the seed layer can be crystallized on a substrate.
  • the optics can be designed so that the laser beam with a beam cross-section, formed as a laser line with homogeneous energy distribution, in the length and Gaussian energy distribution in the width is directed onto the workpiece holder. This can apply to both the first and the second laser beam.
  • the optics can be designed so that the laser beam with a beam cross section formed as a rectangle with a homogeneous energy distribution, is directed onto the workpiece holder. This can apply to the, for the first as well as for the second laser beam.
  • the substrate In the workpiece holder, the substrate is held so that the laser line or the rectangle, or generally an illumination field, can be guided over the surfaces of the layers to be crystallized.
  • the optics may be a processing head with, for example, an arrangement of optical elements by means of which a pulsed laser beam can be homogenized, shaped and directed onto the workpiece holder. This can z. B. by a lens system described at the outset for homogenizing laser pulses or by a scanner, for. As a galvanometer scanner done.
  • the means for generating the controlled relative movement are controlled so that an offset (pitch) of the illumination field from pulse to pulse is preferably between 1 and 2 ⁇ . If the illumination fields are to be illuminated in such a way that strips are formed on the layers to be crystallized by a number of illumination fields, the means for generating the controlled relative movement are preferably controlled such that a plurality of strips are aligned parallel to one another and adjacent strips are aligned by an amount up to 2 mm, depending on the decrease of the laser fluence at the edges of the strips, but preferably by an amount of ⁇ 1 mm, overlap.
  • the laser beam is formed in the respective working plane to form a laser line with a length of, for example, 50 to 100 mm and a width of, for example, 5 ⁇ m.
  • the laser fluence of the laser line has a top hat distribution along its length and a Gaussian distribution over its width.
  • the laser line can be guided in strips over the working plane.
  • the required accuracy of the focus tracking is about ⁇ 10 ⁇ .
  • a further advantageous embodiment of the device according to the invention is given by an arrangement of an optical fiber and a galvanometer scanner. This makes it possible to guide the laser beam over the fiber into the galvanometer scanner.
  • square or rectangular beam cross sections and corresponding illumination fields can be generated in the processing plane.
  • a rectangle is generated as a lighting field.
  • the illumination field may be directed within a region of the processing plane, the region being displaceable in the processing plane.
  • the required accuracy of the focus tracking in this embodiment is about ⁇ 0.2 mm.
  • a pulse laser As the source of the second laser beam, a pulse laser can be used which emits a laser beam having the following parameters: a wavelength of 500 to 1100 nm; a pulse duration of 300 to 1200 ns; a pulse repetition frequency 10 to 100 kHz and a laser fluence of 1, 5 to 8 J / cm 2 .
  • the latter statement applies to thicknesses of the absorber layer of 0.5 to 1 ⁇ .
  • the method and the device are suitable for the production of highly efficient silicon thin-film solar cells and for the production of semiconductor devices with other applications than solar cell technology.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of the device according to the invention.
  • Fig. 2 is a schematic representation of a second embodiment of the device according to the invention.
  • a first embodiment of a device according to the invention comprising as essential elements a tool holder 6 with a drive 12, a laser source 4 with a downstream optical system 5 and a controller 7.
  • a glass is held as a substrate 1 with a first layer of a first semiconductor material 2.1 applied flat on one side of the substrate 1 in an x-y plane.
  • a first laser beam 4.1 is provided, which is homogenized by the optical system 5, shaped and directed to the workpiece holder 6.
  • the workpiece holder 6 is designed as a vacuum table.
  • the drive 12 is in turn connected to the controller 7 for generating a movement of the workpiece holder 6 in the xy plane (shown only indicated), whereby a controlled relative movement between the first laser beam 4.1 and the workpiece holder 6 is possible.
  • the optical system 5 facing surface of the first semiconductor material 2.1 a machining plane 8 is given.
  • the controller 7 is designed to control the optical system 5, the laser source 4 and the drive 12.
  • the laser source 4 is a pulse laser (eg the diode-pumped thin-film laser JenLas® ASAMA), through which the first laser beam 4.1 with a wavelength of 515 nm, a pulse duration of 500 ns and a pulse repetition frequency of 100 kHz is emitted and provided to the optical system 5 is.
  • the first laser beam 4.1 can be focused in the direction of the z-axis.
  • the first laser beam 4.1 is formed by the optical system 5 over a beam cross section 4.3 to a linear beam cross section 4.3.
  • the first laser beam 4.1 impinges on the first semiconductor material 2.1 in an illumination field 9, which is designed as a laser line 9.1.
  • the laser line 9.1 has along its length of 50 mm in the direction of the x-axis a top hat distribution of its laser fluence, while the laser fluence over its width of 5 ⁇ in the direction of the y-axis (representation not to scale) has a Gaussian distribution ,
  • the laser line 9.1 is guided in strips in the direction of the y-axis by the workpiece holder 6 is moved by the drive 12 in the direction of the y-axis and in the xy plane at a feed rate between 10 and 50 mm / s ,
  • the feed motion is tuned to the pulse repetition frequency, that a pitch 1 1 of 1, 5 ⁇ the individual illumination fields 9 is present.
  • the first semiconductor material 2.1 which has a thickness of 50 nm, is melted in the direction of the z-axis through the first laser beam 4.1 to the substrate 1.
  • a seed layer 2 shown hatched
  • the laser line 9.1 is offset by an amount in the direction of the x-axis, so that the laser line 9.1 is now guided along a second strip 10.2 (indicated by dashed lines) , The first strip 10.1 and the second strip 10.2 overlap by 1, 5 ⁇ (see enlarged detail).
  • the offset of the laser line 9.1 is effected by a corresponding delivery of the workpiece holder 6.
  • optical system 5 and / or the workpiece holder 6 are offset.
  • a distance sensor (not shown) which is connected to the controller 7 and by which a distance between the optical system 5 and the illumination field 9 is continuously measured. If necessary, a focus tracking of the optical system 5 can be generated by the controller 7.
  • a plurality of laser lines 9.1 can be generated and simultaneously guided over the processing plane 8 of respective layers to be crystallized. The focus tracking is then implemented per laser line 9.1.
  • the laser source 4 provides a second laser beam 4.2 whose wavelength is 515 nm and which has a pulse duration of 700 ns and a pulse repetition frequency of 50 kHz.
  • the beam cross section 4.3 of the second laser beam 4.2 is shaped by the optical system 5 such that the illumination field 9 is a square 9.2 of an edge length of 0.5 mm.
  • the illumination field 9 is given in a, given by a second layer of an amorphous second semiconductor material 3.1, processing plane 8.
  • the second semiconductor material 3.1 is applied over the substrate 1 and the seed layer 2 by means of electron beam vapor deposition in one layer.
  • the workpiece holder 6 is designed as a galvanometer scanner, through which the illumination field 9 in the direction of the x-axis within a range 8.1 (300 x 300 mm) of the working plane 8 in the direction the x-axis is guided in rows over the width of the area 8.1 and the rows are arranged offset in the direction of the y-axis with a pitch 1 1 (not shown) of 1, 5 ⁇ .
  • the pitch 1 1 (not shown) between the illumination fields 9 of a row is also 1, 5 ⁇ .
  • the area 8.1 is completely scanned and then moved in the direction of the y-axis.
  • the area 8.1 can also be moved in a different direction of the x-y plane.
  • the method and the device according to the invention are suitable for the time and cost-efficient production of semiconductor components, in particular of thin-film solar cells.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle mit einem mehrschichtigen Aufbau beinhaltend ein Substrat (1), eine Keimschicht (2) sowie eine Absorberschicht (3), mit den Schritten: Erzeugung der Keimschicht (2) durch Aufbringen einer amorphen ersten Schicht eines ersten Halbleitermaterials (2.1) auf dem Substrat (1) und Beaufschlagung der ersten Schicht mit einem ersten Laserstrahl (4.1), um diese Schicht zu kristallisieren, Erzeugung der Absorberschicht (3) auf der Keimschicht (2) durch lagenweises Aufbringen einer zweiten Schicht eines zweiten Halbleitermaterials (3.1) und lagenweises Beaufschlagen der zweiten Schicht mit einem gepulsten, zweiten Laserstrahl (4.2), wobei ein lagenweises, epitaktisches Aufwachsen der zweiten Schicht bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das lagenweise Aufbringen maximal zweilagig erfolgt und der zweite Laserstrahl (4.2) eine Wellenlänge in einem Bereich von 500 bis 1100 nm und eine Pulsdauer im Bereich von 300 bis 1200 ns aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, insbesondere einer Solarzelle, wie diese gattungsgemäß in der EP 1 314 208 B1 beschrieben ist. Die Solarzelle beinhaltet dabei ein Substrat, eine auf dem Substrat aufgebrachte Keimschicht sowie eine mittels laserunterstützter Kristallisation epitaktisch auf der Keimschicht aufgewachsene Absorberschicht und ist für eine Beleuchtung von der Seite des Substrats oder von der Schichtseite her ausgelegt. Die Solarzelle ist als eine Dünnschichtsolarzelle ausgebildet.
Bei einem epitaktischen Aufwachsen einer Schicht eines amorphen oder mikrokristallinen Stoffs auf einer Keimschicht dient die kristalline Struktur der Keimschicht als eine erste Vorlage für die zukünftige Struktur der epitaktisch aufzuwachsenden Schicht. Dabei wird als epitaktisch aufzuwachsende Schicht wiederholt ein Stoff, z. B. ein dotierter Halbleiter wie Silizium (EP 1 314 208 B1 ) oder Galliumsarsenid (z. B. DE 10 2005 045 096 A1 ), in einer dünnen Lage von 20 bis 100 nm (DE 10 2005 045 096 A1 ) bzw. bis zu 200 nm (EP 1 314 208 B1 ) auf die Keimschicht aufgebracht und anschließend kristallisiert.
Im Patent DE 10 2004 036 220 B4 wird die epitaktische Kristallisation mit Laserstrahlung (fortan als Laserstrahl bezeichnet) einer Wellenlänge von 532 nm, einer Pulsfolgefrequenz zwischen 10 kHz und 100 kHz sowie einer Laserfluenz von 2 bis 6 J/cm2 auf Silizium-Wafern zur Laserdotierung beschrieben. Das Verfahren wird an massiven Silizium-Wafern durchgeführt und dient der Erzeugung eines dotierten Bereichs in einem Festkörper. Dabei werden ein zu dotierender Körper und ein Körper mit Dotanden in Kontakt gebracht und die Kontaktzone mittels Laserstrahl, der z. B. als eine Laserlinie geformt ist, so aufgeschmolzen, dass der Dotierstoff in den aufgeschmolzenen Bereich eindiffundiert und während des Abkühlens der aufgeschmolzene Bereich mit einer hohen Defektfreiheit rekristallisiert.
Die Pulsdauer beträgt dabei weniger als 100 ns und rührt daher, dass die Eindringtiefe des Laserstrahls in kristallinem Silizium 10-mal größer ist als dies bei amorphem Si der Fall ist- die Wärmeleitung erfolgt sogar 100-mal schneller. Nur bei den von den Erfindern angegebenen sehr kurzen Pulsdauern kann die Schmelztiefe auf 1 μιτι begrenzt werden, wodurch die maximale Dicke der herstellbaren Emitter festgelegt ist.
Durch die DE 10 2005 045 096 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements sowie eine Dünnschichtsolarzelle offenbart, bei der auf einem Substrat aus Glas eine kristalline Keimschicht angeordnet ist. Die Keimschicht wird erzeugt, indem das Substrat mit einem in amorpher Form aufgebrachten Stoffs (fortan: erstes Halbleitermaterial) versehen und das amorphe erste Halbleitermaterial durch laserunterstützte Kristallisation kristallisiert wird. Auf der Keimschicht ist p- oder n-dotiertes Galliumarsenid in amorpher oder nanokristalliner Form (fortan: zweites Halbleitermaterial) in Lagen mit einer Dicke zwischen 20 und 100 nm aufgebracht. Jede Lage wird durch Bestrahlung mit einem gepulsten Laser aufgeschmolzen. Nach der Bestrahlung kristallisiert das zweite Halbleitermaterial bei seiner Abkühlung. Es werden soviel Lagen aufgebracht bis eine gewünschte Dicke von weniger als 3 μηι einer Absorberschicht erreicht ist, die aus der Gesamtheit der Lagen besteht. Allein für eine lediglich 1 μιη dicke Absorberschicht sind mindestens 10 Lagen aufzubringen und jeweils mittels eines gepulsten Laserstrahls auszukristallisieren.
Es wird ein im UV-Bereich strahlender Excimerlaser verwendet. Die Pulsdauer des Excimerlasers beträgt weniger als 100 ns. Durch die Bestrahlung werden die Lagen für Zeiträume von jeweils 10 bis 200 ns auf Temperaturen zwischen 850°C und 1240°C erhitzt.
Um eine effiziente Kristallisation zu erreichen, ist eine Bestrahlung der zu kristallisierenden Lagen oder Schichten mit einem homogenisierten Laserstrahl von Vorteil. Ein Linsensystem zur Homogenisierung von Laserpulsen ist beispielsweise in der DE 103 45 177 B3 beschrieben. Dabei sind in einem ersten Linsenarray mehrere Linsen vorhanden durch die eine Strahlung in Teilstrahlen aufgetrennt wird. In deren Strahlengängen ist zudem eine Abbildungsoptik so angeordnet, dass die Teilstrahlen zeitlich versetzt auf ein Beleuchtungsfeld auf einer auszukristallisierenden Schicht auftreffen.
Eine multikristalline laserkristallisierte Silizium-Dünnschichtsolarzelle auf einem Glassubstrat sowie das Verfahren zu dessen Herstellung ist in der EP 1 314 208 B1 beschrieben. Dabei wird auf einem Glassubstrat eine amorphe oder mikrokristalline Siliziumschicht abgeschieden, die mit einem Dauerstrichlaser mit einer Wellenlänge im sichtbaren Spektralbereich oder nahen Infrarotbereich zu einer multikristallinen Keimschicht kristallisiert wird. Auf der Keimschicht wird nach dem Aufbringen jeweils eines Bruchteils einer Schichtdicke (fortan: Lage) einer Absorberschicht die jeweilige Lage mit einem gepulsten UV-Laser (Excimerlaser) bestrahlt und epitaktisch auf der Keimschicht bzw. den vorhergehenden Lagen aufgewachsen. Die Dicken der Lagen betragen bis zu 200 nm, während die Dicke der fertigen Absoberschicht mindestens 2 μιη betragen soll. Damit sind mindestens zehn Lagen aufzubringen und epitaktisch aufzuwachsen. Während der Durchführung des Verfahrens wird das Substrat auf Temperaturen zwischen 400 und 600 °C gehalten, um den Einbau von Wasserstoff in die amorphe Siliziumschicht zu begrenzen. Um das Verfahren wirtschaftlich zu gestalten, ist die Bestrahlung der Teilschichten in einer Abscheidekammer während der Beschichtung durchzuführen, was eine Einkopplung des Laserstrahls in die Kammer erfordert.
Laserstrahlen von Excimerlasern werden nur in einer oberflächennahen Schicht eines in amorpher Form vorliegenden zweiten Halbleitermaterials von z. B. < 10 nm absorbiert, so dass die Aufheizung der restlichen Dicke der Lage durch Wärmeleitung erfolgen muss. Bei der kurzen Pulsdauer des Excimerlasers ist die Eindringtiefe der Wärme, beispielsweise in amorphem Silizium, auf etwa 200 nm beschränkt. Durch diese maximale Eindringtiefe ist auch die kristallisierbare Dicke einer Lage begrenzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Absorberschicht mit weniger Verfahrensschritten auf einer Keimschicht aufgewachsen werden kann, als dies im Stand der Technik beschrieben ist. Es liegt der Erfindung ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird in einem Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle mit einem mehrschichtigen Aufbau, beinhaltend ein Substrat, eine Keimschicht sowie eine Absorberschicht, mit den Schritten: - Erzeugung einer Keimschicht durch Aufbringen einer amorphen ersten Schicht eines ersten Halbleitermaterials auf ein Substrat und Beaufschlagung der ersten Schicht mit einem ersten Laserstrahl, um diese Schicht zu kristallisieren,
- Erzeugung einer Absorberschicht auf der Keimschicht durch lagenweises Aufbringen einer zweiten Schicht eines zweiten Halbleitermaterials und lagenweises Beaufschlagen der zweiten Schicht mit einem gepulsten, zweiten Laserstrahl, wobei ein lagenweises, epitaktisches Aufwachsen der zweiten Schicht bewirkt wird, dadurch gelöst,
- dass das lagenweise Aufbringen maximal zweilagig erfolgt und
- dass der zweite Laserstrahl eine Wellenlänge in einem Bereich von 500 bis 1 100 nm und eine Pulsdauer im Bereich von 300 bis 1200 ns aufweist.
Kern der Erfindung ist die Angabe, wie innerhalb eines Verfahrens zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle durch höchstens zweimaliges Aufbringen von Lagen des zweiten Halbleitermaterials eine vollständige und funktionsfähige Absorberschicht erzeugt werden kann. Dadurch ist in höchst vorteilhafter Weise eine Möglichkeit zur Steigerung der Effizienz der Herstellung von Dünnschichtsolarzellen angegeben.
Die Parameter des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden durch umfangreiche Simulationen eingegrenzt und in einer Vielzahl von Experimenten praxistauglich umgesetzt.
Es ist möglich, dass das lagenweise Aufbringen einlagig erfolgt und die Absorberschicht dann lediglich aus einer einzigen Lage besteht.
In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zweite Laserstrahl mit einer Pulsfolgefrequenz in einem Bereich von 10 bis 100 kHz und einer Laserfluenz in einem Bereich von 1 ,5 bis 8 J/cm2 verwendet. Der erste Laserstrahl kann ebenfalls diese Parameter aufweisen.
Als zweites Halbleitermaterial wird vorzugsweise ein Halbleitermaterial aus einer Gruppe, umfassend Silizium, Galliumarsenid und Siliziumgermanium-Legierungen, ausgewählt. Das zweite Halbleitermaterial kann in amorpher, nano- oder mikrokristalliner Form aufgebracht werden. Das erste Halbleitermaterial kann mit allen dafür bekannten Beschichtungsmethoden auf das Substrat aufgebracht werden. Günstig ist jedoch ein Aufbringen mittels solcher Verfahren durch die eine Ausbildung einer dünnen Keimschicht möglich ist, beispielsweise das Sputtern, Elektronenstrahlbedampfen und PECVD.
Auch das zweite Halbleitermaterial kann mittels bekannter Verfahren, wie z. B. CVD- Verfahren, aufgebracht werden. Aufgrund der hohen Abscheideraten wird das zweite Halbleitermaterial vorzugsweise mittels Elektronenstrahlbedampfen aufgebracht. Die Dicke der Absorberschicht beträgt zwischen 0,5 und 5 μιτι, vorzugsweise aber nicht mehr als 2 μιτι.
Für die Kristallisation der Absorberschicht mittels des zweiten Laserstrahls kommen leistungsstarke Pulslaser mit einer Wellenlänge vom sichtbaren Spektralbereich bis in den nahen IR-Bereich in Frage. Wellenlänge, Pulsdauer und Laserfluenz des zweiten Laserstrahls werden so gewählt, dass die erste Lage bis an die Grenze zur Keimschicht aufgeschmolzen wird. Eventuell kann auch noch ein Teil der Keimschicht mit aufgeschmolzen werden. Besteht die Absorberschicht aus zwei Lagen werden Wellenlänge, Pulsdauer und Laserfluenz des zweiten Laserstrahls so gewählt, dass die zweite Lage bis an die Grenze zur ersten Lage aufgeschmolzen wird. Eventuell kann auch noch ein Teil der ersten Lage mit aufgeschmolzen werden.
Die Parameter des zweiten Laserstrahls müssen dabei so gewählt werden, dass es nicht zum Durchschmelzen der Keimschicht, die lediglich eine Dicke zwischen 50 und 400 nm haben darf, kommt. Diese Dicke darf nicht überschritten werden, um einen ausreichenden Durchtritt von Licht von der Seite des Substrats bis zur Absorberschicht zu gewährleisten.
Zugleich ist es erforderlich, dass die Parameter des zweiten Laserstrahls so gewählt werden, dass die epitaktische Kristallisationsfront so schnell voranschreitet, dass sie ausgehend von der Keimschicht die Oberfläche der ersten Lage erreicht bevor es in der unterkühlten Schmelze der ersten Lage zur spontanen Keimbildung kommt. Für eine vorhandene zweite Lage gilt entsprechendes. Die erste und die zweite Lage können unterschiedlich, insbesondere abnehmend, dotiert sein. Dotanden können dabei bereits durch die jeweilige Zusammensetzung des zweiten Halbleitermaterials enthalten sein sowie während des Schmelzens und der Kristallisation zugeführt werden.
Es ist möglich, dass die Keimschicht mit einem ersten Laserstrahl mit einer kontinuierlichen Laserstrahlung, sogenanntem Dauerstrich, beaufschlagt wird.
In weiteren Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, dass die Keimschicht mit einem gepulsten ersten Laserstrahl beaufschlagt wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl durch eine selbe Laserquelle zur Verfügung gestellt.
Damit ist der besonders günstige Umstand erreicht, dass sowohl für die Kristallisation der Keimschicht als auch für die Kristallisation der Absorberschicht Laserstrahlen ähnlicher oder gleicher Parameter, insbesondere aber gleicher Wellenlängen und Pulsdauer, verwendet werden können.
Vorteilhaft ist dann die Möglichkeit einer geringeren Dicke der Keimschicht bis zu lediglich 50 nm gegeben. Da die Keimschicht in jedem Fall hoch dotiert ist und dadurch zwar Licht absorbiert, aber keinen Beitrag zur Erzeugung eines Stroms liefert, sollte sie so dünn wie möglich sein.
Zudem kann die Herstellung statt bei 400 bis 700 °C bei Raumtemperatur erfolgen.
Um eine homogene und gesteuerte Kristallisation sowohl der Keimschicht als auch der Absorberschicht zu erreichen, erfolgt die Beaufschlagung mit Laserstrahlen, die zu einem definierten Strahlquerschnitt in einer Bearbeitungsebene der Keimschicht oder in einer Bearbeitungsebene der Absorberschicht geformt sind und in der Bearbeitungsebene jeweils ein Beleuchtungsfeld auf der bestrahlten Oberfläche der zu bearbeitenden, insbesondere zu schmelzenden und zu kristallisierenden, Schichten bilden. Unter einer Bearbeitungsebene wird beispielsweise eine Fokusebene oder ein Fokusbereich mit einer Fokuslänge verstanden, in dem die Laserstrahlen für eine Bearbeitung (z. B. für ein Schmelzen) der Keimschicht, respektive der Absorberschicht, geeignete Parameter aufweisen. In einem einfachen Fall ist die Bearbeitungsebene die dem Laserstrahl zugewandte Oberfläche einer zu schmelzenden und zu kristallisierenden Schicht, auf der das Beleuchtungsfeld abgebildet wird.
Definierte Strahlquerschnitte können dabei vorzugsweise regelmäßige Geometrien, wie Quadrate, Rechtecke oder Linien, sein. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Laserstrahlen homogenisiert werden, so dass diese homogen auf dem Beleuchtungsfeld der jeweiligen Bearbeitungsebene auftreffen.
In einer bevorzugten Ausführung wird der Strahlquerschnitt als eine Laserlinie ausgebildet. Die Laserlinie kann als eine Linie gebildet werden, deren erzeugender Laserstrahl über die Länge der Laserlinie homogenisiert ist. Sie kann auch aus einer Anzahl von Beleuchtungsfeldern gebildet werden, die zudem wie eine Laserlinie entlang der Bearbeitungsebene geführt werden können.
Besteht die Absorberschicht aus zwei Lagen, dann ist vorteilhafterweise jeder Lage eine Bearbeitungsebene zugeordnet.
Die Beleuchtungsfelder werden in bestimmter Weise über die zu schmelzenden Bereiche der Keimschicht bzw. der ersten und gegebenenfalls zweiten Lage der Absorberschicht geführt. Dabei können die Beleuchtungsfelder zumindest teilweise überlappend geführt werden, um zu den Rändern der Strahlquerschnitte möglicherweise abnehmende Laserfluenzen zu kompensieren.
Die Führung der Beleuchtungsfelder wird durch eine gesteuerte Relativbewegung zwischen ersten bzw. zweiten Laserstrahl und den zu bearbeitenden Schichten bewirkt.
Räumlich definierte Schmelz- und Kristallisationsprozesse sind am besten dann in kontrollierter Weise zu erzeugen, wenn die Parameter der verwendeten Laserstrahlen klar bestimmt sind. Es ist insbesondere von Vorteil, wenn als erster Laserstrahl und als zweiter Laserstrahl solche Laserstrahlen verwendet werden, deren Laserfluenzen über ihr jeweiliges Beleuchtungsfeld homogen, d. h. mit geringst möglichen Varianzen über das Beleuchtungsfeld, sind, also eine homogene Energieverteilung aufweisen. In Fall der Verwendung einer Laserlinie weist die Laserfluenz vorzugsweise in Richtung der Längsausdehnung der Laserlinie eine Top-Hat- Verteilung und in Richtung ihrer Breite eine Gaußverteilung auf. Als Substrat kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren Glas verwendet werden. Das Glas kann dabei verschiedenste Qualitäten, wie z. B. das Glas S 005 von SCHOTT®, Borosilikat-Glass oder Kalknatron-Glass, und Dicken von 0,5 bis 6 mm aufweisen.
Auf dem Glas können Barriereschichten vorhanden sein durch die ein Übertritt von Bestandteilen aus dem Glas in die Keimschicht verhindert oder reduziert wird.
Es ist ferner möglich, dass als Substrat eine Folie verwendet wird. Eine solche Folie kann beispielsweise eine Folie aus Polyamid oder Polyethylen sein. Wird eine Folie als Substrat verwendet, wird die Keimschicht ausschließlich mit einem gepulsten Laserstrahl beaufschlagt.
Neben dem Substrat, der Keimschicht und der Absorberschicht können eine oder mehrere weitere Schichten vorhanden sein. Solche Schichten können beispielsweise Barriereschichten, Emitterschichten, Schichten zur Passivierung oder Metallbeschichtungen sein. Letztere können als Reflektoren sowie als Elektroden dienen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch auf andere Halbleiterbauelemente angewendet werden, bei denen eine entsprechende weitere Schicht eines amorphen, nano- oder mikrokristallinen zweiten Halbleitermaterials auszukristallisieren, insbesondere aber epitaktisch aufzuwachsen ist.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für die Herstellung der Absorberschicht zunächst eine Lage des zweiten Halbleitermaterials in amorpher, nano- oder mikrokristalliner Form mit einer Dicke auf die Keimschicht aufgebracht, die der Gesamtdicke bzw. der Hälfte der Gesamtdicke der Absorberschicht entspricht. Die epitaktische Kristallisation wird dann durch Bestrahlung mit dem zweiten Laserstrahl unterstützt, wobei die Erzeugung der gesamten Absorberschicht in einem Schritt bzw. in zwei Schritten erfolgt. Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Wellenlängen erlauben, in Verbindung mit Pulsdauern von 300 ns und mehr, auch dicke Lagen von mehr als 200 nm Dicke zu erwärmen und zu schmelzen.
Bei der Erzeugung der Absorberschicht mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die Schmelzdauer vorteilhaft lediglich etwas über 1 με. Das hat zur Folge, dass die Gefahr der Fremdatomverschleppung aus der hochdotierten Keimschicht in die Absorberschicht vergleichsweise gering ist. Während des Aufschmelzens der ersten Lage kommt die Schmelze in Kontakt mit der Keimschicht. Je länger die Schmelzdauer ist, umso schwieriger ist es, ein teilweises Aufschmelzen der Keimschicht zu verhindern. Der Dotand, der in dem aufgeschmolzenen Teil der Keimschicht enthalten war, vermischt sich dann mit der Schmelze der Absorberschicht. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass für die Durchmischung einer 100 nm dicken Schmelzschicht, eine Schmelzdauer von 1 με notwendig ist. Bei der Verwendung eines gepulsten Laserstrahls liegt die Schmelzdauer bei einer Pulsdauer von 600 ns bei etwa 1 με. Bei Dicken der Lagen von 0,5 bis 5 μιτι kommt es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nur entlang der Grenzflächen der Lagen bzw. der ersten Lage und der Keimschicht, zur Durchmischung und zur Fremdatomverschleppung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch deshalb sehr wirtschaftlich, weil die Kristallisation außerhalb einer Abscheidekammer erfolgen kann. Die gesamte Herstellungskette aus Aufbringen der ersten und zweiten Halbleitermaterialien und der laserunterstützten Kristallisation lässt sich somit leicht mit inline-Anlagen realisieren.
Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung mit mindestens einer Laserstrahlenquelle- einer strahlengangseitig der Laserstrahlenquelle nachgeordneten Optik zur Formung, Homogenisierung und Lenkung des von der Laserstrahlenquelle emittierten Laserstrahls auf eine Werkstückaufnahme- mit Mitteln zur Erzeugung einer gesteuerten Relativbewegung zwischen der Werkstückaufnahme und dem Laserstrahl in einer x-y-Ebene sowie mit Mitteln zur Steuerung von Parametern des Laserstrahls, dadurch gelöst, - dass die Laserstrahlenquelle dazu ausgelegt ist, einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 500 bis 1 100 nm und einer Pulsdauer im Bereich von 300 bis 1200 ns bereitzustellen.
Die Laserstrahlenquelle kann eine zweite Laserstrahlenquelle sein, die der Kristallisation der Absorberschicht dient. Zusätzlich kann eine erste Laserstrahlenquelle vorhanden sein, die dazu ausgelegt ist, einen ersten Laserstrahl bereitzustellen, mit dem die Keimschicht auf einem Substrat kristallisiert werden kann.
Die Optik kann so gestaltet sein, dass der Laserstrahl mit einem Strahlquerschnitt, ausgebildet als eine Laserlinie mit homogener Energieverteilung, in der Länge und gaußförmiger Energieverteilung in der Breite auf die Werkstückaufnahme gelenkt ist. Dies kann sowohl für den ersten als auch für den zweiten Laserstrahl gelten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Optik so gestaltet sein, dass der Laserstrahl mit einem Strahlquerschnitt, ausgebildet als ein Rechteck mit homogener Energieverteilung, auf die Werkstückaufnahme gelenkt ist. Dies kann sowohl für den, für den ersten als auch für den zweiten Laserstrahl gelten.
In der Werkstückaufnahme ist das Substrat so gehalten, dass die Laserlinie oder das Rechteck, oder allgemein ein Beleuchtungsfeld, über die Oberflächen der zu kristallisierenden Schichten geführt werden können.
Bei der Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf den zweiten Laserstrahl Bezug genommen. Sollte aber die Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens angewendet werden, nach der der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl von derselben Laserquelle bereitgestellt sind, so sind die Ausführungen zur erfindungsgemäßen Vorrichtung auch auf den ersten Laserstrahl anwendbar.
Die Optik kann ein Bearbeitungskopf mit beispielsweise einer Anordnung von optischen Elementen sein, mittels der ein gepulster Laserstrahl homogenisiert, geformt und auf die Werkstückaufnahme gelenkt werden kann. Das kann z. B. durch ein eingangs beschriebenes Linsensystem zur Homogenisierung von Laserpulsen oder durch einen Scanner, z. B. einen Galvanometerscanner, erfolgen.
Die Mittel zur Erzeugung der gesteuerten Relativbewegung sind so angesteuert, dass ein Versatz (pitch) des Beleuchtungsfelds von Puls zu Puls vorzugsweise zwischen 1 und 2 μιη beträgt. Sind die Beleuchtungsfelder so zu beleuchten, dass durch eine Anzahl von Beleuchtungsfeldern Streifen auf den zu kristallisierenden Schichten gebildet sind, sind die Mittel zur Erzeugung der gesteuerten Relativbewegung vorzugsweise so angesteuert, dass mehrere Streifen parallel zueinander ausgerichtet sind und sich benachbarte Streifen um einen Betrag bis 2 mm, in Abhängigkeit des Abfalls der Laserfluenz an den Rändern der Streifen, vorzugsweise aber um einen Betrag von < 1 mm, überlappen.
In jedem Fall ist das Vorhandensein einer Fokusnachführung an der Optik zur Einhaltung optimaler Kristallisationsbedingungen erforderlich.
In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Laserstrahl in der jeweiligen Bearbeitungsebene zu einer Laserlinie mit einer Länge von beispielsweise 50 bis 100 mm und einer Breite von beispielsweise 5 μιτι geformt. Dabei weist die Laserfluenz der Laserlinie entlang ihrer Länge eine Top-Hat- Verteilung und über ihre Breite eine Gaußverteilung auf. Die Laserlinie ist streifenweise über die Bearbeitungsebene führbar. Die erforderliche Genauigkeit der Fokusnachführung beträgt dabei etwa ± 10 μιη.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist durch eine Anordnung einer optischen Faser und eines Galvanometerscanners gegeben. Dadurch ist eine Führung des Laserstrahls über die Faser in den Galvanometerscanner möglich. Je nach vorhandenem Faserquerschnitt können quadratische oder rechteckige Strahlquerschnitte und entsprechende Beleuchtungsfelder in der Bearbeitungsebene erzeugt sein. Vorzugsweise ist ein Rechteck als Beleuchtungsfeld erzeugt. Das Beleuchtungsfeld kann innerhalb eines Bereichs der Bearbeitungsebene gelenkt sein, wobei der Bereich nach in der Bearbeitungsebene verschiebbar ist. Die erforderliche Genauigkeit der Fokusnachführung beträgt in dieser Ausführung etwa ± 0,2 mm. Als Quelle für den zweiten Laserstrahl kann ein Pulslaser verwendet werden der einen Laserstrahl emittiert, der die folgenden Parameter aufweist: eine Wellenlänge von 500 bis 1 100 nm; eine Pulsdauer von 300 bis 1200 ns; eine Pulsfolgefrequenz 10 bis 100 kHz und eine Laserfluenz von 1 ,5 bis 8 J/cm2. Letztere Angabe gilt für Dicken der Absorberschicht von 0,5 bis 1 μιη.
Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich zur Herstellung hocheffizienter Silizium-Dünnschichtsolarzellen sowie zur Herstellung von Halbleiterbauelementen mit anderen Anwendungsbereichen als der Solarzellentechnik.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Es zeigen die Abbildungen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, die als wesentliche Elemente eine Werkzeugaufnahme 6 mit einem Antrieb 12, eine Laserquelle 4 mit einem nachgeordneten optischen System 5 und eine Steuerung 7 umfasst.
In der Werkstückaufnahme 6 ist ein Glas als ein Substrat 1 mit einer ersten Schicht eines auf einer Seite des Substrats 1 flächig in einer x-y-Ebene aufgebrachten ersten Halbleitermaterials 2.1 gehalten.
Durch die Laserquelle 4 wird ein erster Laserstrahl 4.1 bereitgestellt, der durch das optische System 5 homogenisiert, geformt und auf die Werkstückaufnahme 6 gelenkt wird. Die Werkstückaufnahme 6 ist als Vakuumtisch ausgebildet. Der Antrieb 12 ist seinerseits mit der Steuerung 7 zur Erzeugung einer Bewegung der Werkstückaufnahme 6 in der x-y-Ebene verbunden (nur angedeutet gezeigt), wodurch eine gesteuerte Relativbewegung zwischen dem ersten Laserstrahl 4.1 und der Werkstückaufnahme 6 möglich ist. Durch die dem optischen System 5 zugewandten Oberfläche des ersten Halbleitermaterials 2.1 ist eine Bearbeitungsebene 8 gegeben. Die Steuerung 7 ist zur Ansteuerung des optischen Systems 5, der Laserquelle 4 sowie des Antriebs 12 eingerichtet.
Die Laserquelle 4 ist ein Pulslaser (z. B. der diodengepumpte Dünnschichtlaser JenLas® ASAMA), durch den der erste Laserstrahl 4.1 mit einer Wellenlänge von 515 nm, einer Pulsdauer von 500 ns und einer Pulsfolgefrequenz von 100 kHz emittiert und dem optischen System 5 bereitgestellt ist. Durch das optische System 5 ist der erste Laserstrahl 4.1 in Richtung der z-Achse fokussierbar.
Der erste Laserstrahl 4.1 wird durch das optische System 5 über einen Strahlquerschnitt 4.3 zu einem linienförmigen Strahlquerschnitt 4.3 geformt. Der erste Laserstrahl 4.1 trifft in einem Beleuchtungsfeld 9, das als eine Laserlinie 9.1 ausgebildet ist, auf das erste Halbleitermaterial 2.1 auf. Die Laserlinie 9.1 weist entlang ihrer Länge von 50 mm in Richtung der x-Achse eine Top-Hat-Verteilung ihrer Laserfluenz auf, während die Laserfluenz über ihre Breite von 5 μιτι in Richtung der y-Achse (Darstellung nicht maßstabsgetreu) eine gaußförmige Verteilung aufweist.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Laserlinie 9.1 streifenweise in Richtung der y-Achse geführt, indem die Werkstückaufnahme 6 durch den Antrieb 12 in Richtung der y-Achse und in der x-y-Ebene mit einer Vorschubgeschwindigkeit zwischen 10 und 50 mm/s bewegt wird. Die Vorschubbewegung ist so auf die Pulsfolgefrequenz abgestimmt, dass ein Pitch 1 1 von 1 ,5 μιτι der einzelnen Beleuchtungsfelder 9 vorhanden ist.
Durch die Pulse des ersten Laserstrahls 4.1 wird das erste Halbleitermaterial 2.1 , das eine Dicke von 50 nm aufweist, in Richtung der z-Achse durch den ersten Laserstrahl 4.1 bis zum Substrat 1 aufgeschmolzen. Während der anschließenden Abkühlung kristallisiert die Schmelze des ersten Halbleitermaterials 2.1 aus, wodurch eine Keimschicht 2 (schraffiert gezeigt) gebildet wird.
Nachdem ein erster Streifen 10.1 des ersten Halbleitermaterials 2.1 durch die Laserlinie 9.1 überstrichen und kristallisiert wurde, wird die Laserlinie 9.1 um einen Betrag in Richtung der x-Achse versetzt, so dass die Laserlinie 9.1 nun entlang eines zweiten Streifens 10.2 (gestrichelt angedeutet) geführt wird. Der erste Streifen 10.1 und der zweite Streifen 10.2 überlappen sich dabei um 1 ,5 μιη (siehe Ausschnittsvergrößerung). Der Versatz der Laserlinie 9.1 erfolgt durch eine entsprechende Zustellung der Werkstückaufnahme 6.
Es ist in weiteren Ausgestaltungen auch möglich, dass das optische System 5 und/oder die Werkstückaufnahme 6 versetzt werden.
In dem optischen System 5 ist ein Abstandssensor (nicht gezeigt) angeordnet, der mit der Steuerung 7 verbunden ist und durch den kontinuierlich ein Abstand zwischen optischen System 5 und Beleuchtungsfeld 9 gemessen wird. Falls es erforderlich ist, kann durch die Steuerung 7 eine Fokusnachführung des optischen Systems 5 erzeugt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können mehrere Laserlinien 9.1 erzeugt und simultan über die Bearbeitungsebene 8 von jeweils zu kristallisierenden Schichten geführt sein. Die Fokusnachführung wird dann pro Laserlinie 9.1 realisiert.
In der Fig. 2 ist eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Die Vorrichtung entspricht der in Fig. 1 erläuterten Vorrichtung. Durch die Laserquelle 4 wird ein zweiter Laserstrahl 4.2 bereitgestellt, dessen Wellenlänge 515 nm beträgt und der eine Pulsdauer von 700 ns und eine Pulsfolgefrequenz von 50 kHz aufweist. Der Strahlquerschnitt 4.3 des zweiten Laserstrahls 4.2 ist durch das optische System 5 so geformt, dass das Beleuchtungsfeld 9 ein Quadrat 9.2 einer Kantenlänge von 0,5 mm ist.
Das Beleuchtungsfeld 9 ist in einer, durch eine zweite Schicht eines amorphen zweiten Halbleitermaterials 3.1 gegebenen, Bearbeitungsebene 8 gegeben. Das zweite Halbleitermaterial 3.1 ist über dem Substrat 1 und der Keimschicht 2 mittels Elektronenstrahlbedampfens in einer Lage aufgebracht.
Um das zweite Halbleitermaterial 3.1 zu kristallisieren und somit eine Absorberschicht 3 zu erzeugen, ist die Werkstückaufnahme 6 als ein Galvanometerscanner ausgebildet, durch den das Beleuchtungsfeld 9 in Richtung der x-Achse innerhalb eines Bereichs 8.1 (300 x 300 mm) der Bearbeitungsebene 8 in Richtung der x-Achse in Zeilen über die Breite des Bereichs 8.1 geführt wird und die Zeilen in Richtung der y-Achse mit einem Pitch 1 1 (nicht gezeigt) von 1 ,5 μιτι versetzt angeordnet sind. Der Pitch 1 1 (nicht gezeigt) zwischen den Beleuchtungsfeldern 9 einer Zeile beträgt ebenfalls 1 ,5 μιτι.
Der Bereich 8.1 wird vollständig gescannt und anschließend in Richtung der y-Achse verschoben.
In weiteren Ausführungen der Erfindung kann der Bereich 8.1 auch in einer anderen Richtung der x-y-Ebene verschoben werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung sind zur zeit- und kosteneffizienten Herstellung von Halbleiterbauelementen, insbesondere von Dünnschichtsolarzellen, geeignet.
Bezugszeichenliste
1 Substrat
2 Keimschicht
2.1 erstes Halbleitermaterial
3 Absorberschicht
3.1 zweites Halbleitermaterial
4 Laserquelle
4.1 erster Laserstrahl
4.2 zweiter Laserstrahl
4.3 Strahlquerschnitt
5 optisches System
6 Werkstückaufnahme
7 Steuerung
8 Bearbeitungsebene
8.1 Bereich
9 Beleuchtungsfeld
9.1 Laserlinie
9.2 Quadrat
10.1 erster Streifen
10.2 zweiter Streifen
1 1 Pitch
12 Antrieb

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle mit einem mehrschichtigen Aufbau beinhaltend ein Substrat (1 ), eine Keimschicht (2) sowie eine Absorberschicht (3), mit den Schritten:
- Erzeugung der Keimschicht (2) durch Aufbringen einer amorphen ersten Schicht eines ersten Halbleitermaterials (2.1 ) auf dem Substrat (1 ) und Beaufschlagung der ersten Schicht mit einem ersten Laserstrahl (4.1 ), um diese Schicht zu kristallisieren,
- Erzeugung der Absorberschicht (3) auf der Keimschicht (2) durch lagenweises Aufbringen einer zweiten Schicht eines zweiten Halbleitermaterials (3.1 ) und lagenweises Beaufschlagen der zweiten Schicht mit einem gepulsten, zweiten Laserstrahl (4.2), wobei ein lagenweises, epitaktisches Aufwachsen der zweiten Schicht bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- das lagenweise Aufbringen maximal zweilagig erfolgt und
- der zweite Laserstrahl (4.2) eine Wellenlänge in einem Bereich von 500 bis
1 100 nm und eine Pulsdauer im Bereich von 300 bis 1200 ns aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das lagenweise Aufbringen einlagig erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Laserstrahl (4.2) mit einer Pulsfolgefrequenz in einem Bereich von 10 bis 100 kHz und einer Laserfluenz in einem Bereich von 1 ,5 bis 8 J/cm2 verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dassder erste Laserstrahl (4.1 ) und der zweite Laserstrahl (4.2) durch eine selbe Laserquelle (4) zur Verfügung gestellt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Halbleitermaterial (3.1 ) ein Halbleitermaterial aus einer Gruppe, umfassend Silizium, Galliumarsenid und Siliziumgermanium-Legierungen, ausgewählt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
als Substrat (1 ) ein Glas verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
das Glas mit einer Barriereschicht versehen ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
als Substrat (1 ) eine Folie verwendet wird, wobei dann die erste Schicht ausschließlich mit einem gepulsten Laserstrahl beaufschlagt wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit mindestens einer Laserstrahlenquelle (4)- eines strahlengangseitig der Laserstrahlenquelle (4) nachgeordneten optischen Systems (5) zur Formung, Homogenisierung und Lenkung des von der Laserstrahlenquelle (4) emittierten Laserstrahls auf eine Werkstückaufnahme (6)- mit Mitteln zur Erzeugung einer gesteuerten Relativbewegung zwischen der Werkstückaufnahme (6) und dem Laserstrahl in einer x-y-Ebene sowie mit Mitteln zur Steuerung von Parametern des Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Laserstrahlenquelle (4) dazu ausgelegt ist, einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 500 bis 1 100 nm und einer Pulsdauer im Bereich von 300 bis 1200 ns bereitzustellen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
die Laserstrahlenquelle (4) eine zweite Laserstrahlenquelle ist, die der Kristallisation der Absorberschicht (3) dient und eine erste Laserstrahlenquelle vorhanden ist, die dazu ausgelegt ist, einen Laserstrahl bereitzustellen, mit dem die Keimschicht (2) auf dem Substrat (1 ) kristallisiert werden kann.
1 1 . Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (5) so gestaltet ist, dass der Laserstrahl mit einem Strahlquerschnitt (4.3) ausgebildet als eine Laserlinie (9.1 ) mit homogener Energieverteilung in der Länge und gaußförmiger Energieverteilung in der Breite auf die Werkstückaufnahme (6) gelenkt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die das optische System (5) so gestaltet ist, dass der Laserstrahl mit einem Strahlquerschnitt (4.3) ausgebildet als ein Rechteck mit homogener Energieverteilung auf die Werkstückaufnahme (6) gelenkt ist.
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