6. Schichtuntersuchungen und Ergebnisse 95
6.2. Siliziumabscheidung
Der Qualität des abgeschieden Siliziums kommt eine große Bedeutung auf dem Weg zur rekristallisierten Solarzelle zu. Sie stellt gewissermaßen die Grundvoraussetzung dar, da selbst bei einer idealen Kristallisationspro-zessführung ein ungeeignetes Absorbermaterial zu nicht funktionalen Zellen führt. Die Anforderungen liegen in erster Linie in der Reinheit, aber auch die Haftung, Konformität und mechanische Spannungsfreiheit spielen eine wichtige Rolle. Die drei in dieser Arbeit verwendeten Siliziumherstellungs-verfahren werden in Kapitel 4.3.1 beschrieben.
6.2.1. Schichtmorphologie
Da es sich bei den verwendeten Prozessen PECVD, LPCVD und PVD um Dünnschichtverfahren handelt, kann das in Kapitel 2.4.2 beschriebene Strukturzonenmodell nach Thorntonzur Beschreibung des Kristallwachs-tums herangezogen werden. Die Korngröße von Dünnschichten ist demnach abhängig von der Substrattemperatur und dem Umgebugsdruck während der Beschichtung. Da eine Druckvariation aufgrund des Einflusses auf die Glimmenladung bei den genannten Verfahren nur in sehr begrenztem Maße möglich ist, wird die Kristallinität der abgeschiedenen Schichten im We-sentlichen durch die Temperatur bestimmt. Die in Abbildung 6.17 darge-stellten Schichtquerschnitte zeigen die Absorber nach der Deposition. Die im
(a) PECVD (b) LPCVD
Abbildung 6.17.: REM-Aufnahmen von Querschnitten durch Siliziumabsor-ber der verwendeten Verfahren.
PECVD-Verfahren hergestellte 16µm dicke Schicht (a) wurde bei einer
Tem-peratur von 500◦C, einem Druck von 400 Pa und einer HF-Plasmaleistung von 500 W aus SiHCl3 abgeschieden. Die in (b) dargestellte 8µm dicke Schicht aus dem LPCVD-Verfahren wurde bei einer Temperatur von 650◦C und einem Prozessdruck von 600 Pa hergestellt. Die Schichten sind weitest-gehend geschlossen und mit einer Toleranz von etwa 1 µm gleichmäßig be-schichtet. Bedingt durch den radialen Aufbau derSi-PECVD II-Elektroden ist der Randbereich der 10x10 cm2 Substrate zu den Ecken hin dünner be-schichtet. Die REM-Aufnahme der PECVD-Schicht zeigt keine erkennbare Kristallinität, wohingegen bei der LPCVD-Schicht eine sichtbare Körnigkeit auf eine mikroskopische Kristallinität hindeutet. Letztere zeigt eine ver-gleichsweise körnige und raue Oberflächenbeschaffenheit im Vergleich zur PECVD prozessierten Schicht. Dies ist auch im Makroskopischen erkenn-bar, da das LPCVD-Silizium von mattgrauer Farbe ist, wohingegen das PECVD-Silizium eine spiegelnde Oberfläche besitzt. Beide Beschichtungen zeichnen sich durch eine hohe Haftung aus, die durch einen Adhäsionstest mit Klebefilm getestet wurde und sind makroskopisch loch-und partikelfrei.
Weitere Untersuchungen der Kristallgröße vor der Elektronenstrahlrekristal-lisation wurden mit Hilfe der Röntgendiffraktometrie (XRD) unternommen.
Abbildung 6.18 zeigt die Beugungsspektren von Siliziumdünnschichten, die mit dem PECVD Verfahren bei unterschiedlichen Temperatuen prozessiert wurden. Mit zunehmender Temperatur nimmt die Anzahl und Intensität der Beugungsreflexe zu, was sowohl auf einen höheren Kristallisationsgrad als auch auf eine zunehmende Korngröße hindeutet. Die Temperatur von 600◦C stellt die technische Obergrenze für die Si-PECVD II dar, da an-sonsten eine Verformung des verwendeten Heiztellers aus Edelstahl nicht mehr ausgeschlossen werden kann. Die Korngröße lässt sich mit Hilfe der Scherrer-Gleichung bestimmen und liegt im maximalen Fall bei 15 nm.
Für das im LPCVD-Verfahren hergestellte Silizium beträgt die Korngrö-ße 25 nm bei einer Prozesstemperatur von 650◦C. Die Kristallitgröße von Silizium aus dem Hochratenaufdampfprozess wurde nicht bestimmt. Es ist allerdings zu erwarten, dass die Schichten einen stark amorphen Charak-ter besitzen, da die Substrate während der Beschichtung bei einer deutlich geringeren Temperatur von 400◦C geheizt werden. Die Untersuchungen zei-gen, dass im Rahmen der maximalen Prozesstemperatur von 650◦C, die durch den Transformationspunkt der eingesetzten Gläser bestimmt wird, sich mit den verwendeten Verfahren Siliziumschichten herstellen lassen, die als amorph bis nanokristallin bezeichnet werden können. Hierbei liegt die maximale Korngröße bei 25 nm und ist damit deutlich zu gering, um ohne weitere Behandlung als polykristalline Zelle eingesetzt zu werden.
20 30 40 50 60 70 80
Abbildung 6.18.: Beugungsspektren von Siliziumproben, die bei einer Temperatur von 500◦C,550◦C und 600◦C im PECVD-Verfahren prozessiert wurden.
6.2.2. Zusammensetzung
Verunreinigungen des Absorbermaterials mit Fremdatomen haben einen entscheidenden Einfluss auf den maximal erzielbaren Wirkungsgrad der spä-teren Solarzelle. Je nach Element können schon geringe Mengen im ppm-Bereich die Ladungsträgerlebensdauer stark reduzieren (siehe Abschnitt 2.2.2). Zwar konnte in früheren Arbeiten [51] bereits gezeigt werden, dass die Elektronenstrahlkristallisation eine reinigende Wirkung auf das Ausgangs-material besitzt, die sich jedoch in erster Linie auf Elemente mit geringem Sublimationspunkt wie Chlor, Wasserstoff oder Stickstoff beziehen. Tabelle 6.4 zeigt die sich im PECVD abgeschieden Silizium befindlichen Verunrei-nigungen unterschiedlicher Prozessbedingungen in Atomprozent. Die Ele-mentbestimmungen wurden mit dem ERDA-Verfahren durchgeführt und geben die Elementkonzentration in einer Tiefe von etwa 4µm wieder. Die Verunreinigungen liegen größtenteils unter 1% und sind weitestgehend unab-hängig von den variierten Parametern. Bemerkenswert ist der geringe Was-serstoffgehalt auch bei tiefen Abscheidetemperaturen, was möglicherweise an dem hohen Chlorgehalt von Trichlorsilan liegt, da dieser den Wasserstoff in Form von HCl bindet. Eine höhere TCS-Konzentration hat einen
redu-Tabelle 6.4.: Verunreinigungen der Siliziumschichten aus dem PECVD-Verfahren.
Probe Temp. H2: H O N C Cl Fe B
# ◦C TCS At.% At.% At.% At.% At.% At.% At.%
979 400 1:1 0,50 0,27 0,75 0,02 1,3 - 0,005 1023 400 1:4 0,12 0,70 0,34 0,02 0,8 - 0,005
1075 600 1:1 0,6 1,1 1,50 - 1,2 0,1
-zierten Wasserstoffgehalt zur Folge, wobei der Chlorgehalt nicht ansteigt was eigentlich zu vermuten wäre. Durch die erhöhte Temperatur von 600◦C steigen der Stickstoff- und Sauerstoffgehalt der Schicht an. Man kann eben-so eine beginnende Kontamination mit Eisen beobachten, welches von den aus Edelstahl gefertigten Anlagenteilen durch Korrosion abgetragen wird.
Die Borkonzentration der Proben #979 und #1023 wurde gezielt durch die Zugabe von Bortrichlorid im Prozess verursacht. Das in Abbildung 6.19 dargestellte XPS-Tiefenprofil gibt Aufschluss über die Lage der Verunreini-gungen im Querschnitt eines PECVD abgeschiedenen Absorbers.
0 5 10 15 20 25 30 35
0 2 4 6 8
Fe
Cl
O
C
Atomkonzentration[At.%]
Sputterzeit [min.]
~60nm
Abbildung 6.19.: XPS-Profil eines PECVD abgeschieden Siliziumabsorbers mit einer Prozesstemperatur von 600◦C.
Die Chlorverunreinigungen sind mit einem nahezu gleichbleibendem Ni-veau von etwa 2 At.% gleichmäßig über den Absorber verteilt, wohingegen Sauerstoff und Eisen mit zunehmender Prozessdauer abnehmen. Die ho-he Eisenverunreinigung zu Beginn des Prozesses ist auf die korrodierenden Kammerbestandteile zurückzuführen, die im Laufe des Prozesses durch die Siliziumabscheidung passiviert werden. Der an den Grenzflächen zunehmen-de Kohlenstoffgehalt zunehmen-der Schicht ist durch das Ein- und Ausschleusen be-dingt, da bei diesen Vorgängen ein Kontakt mit Kohlenwasserstoffen nicht ausgeschlossen werden kann.
Obwohl die Verunreinigungen der Proben mit etwa 1 At.% auf einem sehr geringem Niveau liegen, ist letztlich fraglich, ob dies für einen aktiven Si-liziumabsorber ausreichend ist, da insbesondere Sauerstoff und Eisen eine tiefe und aktive Störstelle im Siliziumkristall darstellen. Bedingt durch den grundsätzlichen Aufbau der PECVD-Anlage aus Edelstahl in Verbindung mit dem chlorhaltigen Precursor TCS und einer hohen Prozesstemperatur lässt sich die Verureinigung durch Eisen und Chlor praktisch nicht komplett vermeiden.