Substrate und Rückkontaktmaterialien

Natrium-Kalk-Gläser haben ihre Tauglichkeit als Substrat für Chalkopyrit-Solarzellen mit höchsten Wirkungsgraden in diversen Untersuchungen bewiesen [Nade97, Cont99]. Das liegt zum einen an dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der ähnlich hoch ist wie der von CuInSe2. Andererseits hat sich die Diffusion von Natrium aus dem Glas in die Absorberschichten als günstig für die Solarzelleneigenschaften des Materials erwiesen [Hesk95, Prob95]. Ein weiterer Vorteil ist, im Hinblick auf eine industrielle Solarzellenproduktion, daß dieser Glastyp recht billig ist. Nachteilig ist dagegen sein Erweichungspunkt bei ca. 560°C. Dies verhindert den Einsatz höherer Temperaturen bei der Chalcopyritsynthese. Die große Anzahl an Elementen, die in dem Glas vorhanden sind (vgl. Tab. 3.1), kann bei einer eventuellen Eindiffusion in den Halbleiter Störstellen versursachen, die sich negativ auswirken können und nur schwer zuzuordnen sind.

In dieser Arbeit wurden hauptsächlich 1 mm dicke Objektträger verwendet, deren Analyse in Tab.3.1 wiedergegeben ist.

Als leitender Rückkontakt für Chalcopyritsolarzellen hat sich vor allem Molybdän durchgesetzt. Dieses Metall hat den Vorteil, gut leitend und unter den Produktions-bedingungen für CuGaSe2 weitgehend stabil zu sein. Für diese Arbeit wurden als Rückkontakte jeweils 1 µm dicke Molybdänschichten auf das Natrium-Kalk-Glas gesputtert. Dabei wurde eine Sputteranlage mit einer RF-(Radio Frequency) Magnetronkathode verwendet. Als problematisch erwies sich die Haftung der Molybdänschicht auf dem Glassubstrat. Erst das Ausheizen des Glases im Vakuum der Sputteranlage vor dem Beschichten führte hier zu befriedigenden Ergebnissen.

Tab.3.1: Röntgenfluoreszenzanalyse des als Substrat verwendeten Soda-Kalk-Glases.

Prozent und ppm Angaben (parts per million) beziehen sich auf die Masse.

O [%] Si [%] Na [%] Ca [%] Mg [%] Sn [%] Al [%] K [%] Fe [ppm]

42,3 36,6 11,4 5,08 3,27 0,436 0,388 0,282 828

S [ppm] Ti [ppm] Cl [ppm] Zr [ppm] P [ppm] Mn[ppm] Cu [ppm] Cr [ppm] Sr [ppm]

724 512 188 142 87 54 41 40 28

Ein weiteres Problem, das mit dem Molybdän Rückkontankt verknüpft ist, ist die Bildung einer MoSe2-Phase während der Chalkopyritsynthese im RTP-Ofen. Da MoSe2

Filme in der Regel n-leitend sind [Jäge89], bildet sich teilweise eine sperrende Diode

zwischen Mo-Rückkontakt und der CuGaSe2-Dünnfilmsolarzelle aus, welche eine Störung des Stromflusses bewirkt und zu einem erhöhten Serienwiderstand führt.

Um die Bildung dieses ungünstigen Selenides am Rückkontakt zu vermeiden, wurde untersucht, wie Dünnschichten anderer Metalle bei dem verwendeten RTP-Rezept mit einer aufgedampften Selenschicht reagieren. Bei den aufgedampften, bzw. aufge-sputterten Metallfilmen handelte es sich um Gold, Silber, Platin, Wolfram und Tantal. Es stellte sich jedoch heraus, daß diese jeweils noch stärker als die Molybdänschicht zu dem entsprechenden Selenid umgewandelt wurden und daher als Rückkontakte unbrauchbar waren.

Metallfolien als Substrate für Dünnschichtsolarzellen bieten gegenüber Glassubstraten den Vorteil, flexibel zu sein und ohne weitere Beschichtung selbst als Rückkontakt dienen zu können. Ein prinzipielles Problem dabei ist jedoch, daß die Rückkontakte aller auf einer Metallfolie zusammen aufgebauten Solarzellen miteinander elektrisch verbunden sind. Damit ist eine integrierte Verschaltung der Zellen zum Modul ohne weiteres nicht möglich und ein großer Vorteil von Dünnschichtsolarzellen geht verloren.

Es wird eine gut isolierende Zwischenschicht, sowie eine weitere leitende Schicht benötigt, um die Verschaltung zum Modul auf einer Metallfolie realisieren zu können.

Eine Lösung dieses Problems wird von verschiedenen Arbeitsgruppen in der CISCuT (CuInSe2 absorber layers on Cu tape) Technologie gesucht. Dabei werden einzelne Zellen auf schmalen (1-3cm) Bändern hergestellt und diese anschließend zu Modulen verschaltet [Jaco98].

In dieser Arbeit wurden Aluminium-, Molybdän-, Edelstahl- und Tantalfolien als Substrate getestet. Bei Molybdän, Edelstahl und Tantal würde prinzipiell die Möglichkeit bestehen, auch höhere Temperaturen als die üblichen 550°C bei der Chalkopyritsynthese im RTP-Ofen einzusetzen. Doch die Morphologie und Haftung der darauf hergestellten Schichten erwies sich als ungeeignet. Auf Aluminiumfolie konnten zwar geschlossene kristalline CuGaSe2-Schichten mit unserem Standard-RTP-Prozeß synthetisiert werden, die Kristallinität war jedoch schlechter als auf Mo-beschichteten Glassubstraten.

Quarzgläser sind wegen ihres hohen Preises und dem Energieaufwand, der für ihre Herstellung nötig ist, nicht für großflächige Anwendungen, sondern nur für Labor-untersuchungen als Substrat geeignet. Wegen des schlecht angepaßten Ausdehnungs-koeffizienten treten zudem Haftungsprobleme der Schichten auf.

a) b) Abb.3.26: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen der Oberfläche von CuGaSe2-Filmen, die

gleichzeitig auf demselben Glasplättchen hergestellt wurden, wobei die eine Hälfte (a) unbeschichtet, die andere (b) mit 1 µm Molybdän beschichtet war.

Um den Einfluß des Substratmaterials besonders augenfällig zu machen, wurde ein Glasplättchen zur Hälfte mit Molybdän besputtert und anschließend eine CuGaSe2 -Schicht darauf hergestellt. Mit bloßem Auge konnte man erkennen, daß der auf Molybdän hergestellte Teil der Schicht deutlich dunkler als jener auf Glas war. Im Lichtmikroskop war darüber hinaus zu erkennen, daß der Teil auf Glas wesentlich rauher war als der auf Molybdän. Der Vergleich im Rasterelektronenmikroskop (REM) zeigte die Unterschiede im Mikrometermaßstab: Die Schicht auf Glas (Abb.3.26.a)) besteht aus Körnern mit bis zu 2 µm Durchmesser mit abgerundeten Rändern. Ein Teil der Schicht scheint von einem dünnen amorphen Film überzogen zu sein. Die Schicht auf Molybdän (Abb.3.26.b), hat dagegen etwa 1 µm große Körner mit verzahnten Rändern. Die Lücken zwischen den Kristalliten sind kleiner.

Um sich ein Bild über den Einfluß der Substrate auf die Kristallstruktur der darauf hergestellten CuGaSe2-Schichten machen zu können, sind in Abb.3.27 Röntgendiffrektogramme von CuGaSe2-Schichten auf verschiedenen Substraten gezeigt.

Es ist zu erkennen, daß die auf Glas bzw. molybdänbeschichtetem Glas hergestellten Schichten höhere und schärfere CuGaSe2-Peaks liefern als die Filme auf anderen Substraten. Bei Silizium scheint die Orientierung der Oberfläche, auf der man den CuGaSe2-Film aufwachsen läßt, eine Rolle zu spielen. Auf Aluminiumfolie sind die CuGaSe2-Peaks am schwächsten ausgeprägt, wenn auch keine Fremdphasen wie z.B.

Kupfer- oder Galliumselenide zutage treten. Bei dem Molybdänsubstrat ist bereits in diesem Maßstab die MoSe2 Bildung ersichtlich. Ansonsten sind die Diffraktogramme der Filme auf Molybdän bzw. Glas in Abb.3.27 praktisch identisch. Erst in einem vergrößerten Ausschnitt (Abb.3.28) ist für die auf dem Glassubstrat abgeschiedene Schicht auch ein Cu2-xSe-Peak sichtbar. Ein entsprechendes Beugungsmaximum ist für die auf molybdänbeschichtetem Glas hergestellte Schicht nicht erkennbar.

20 30 40 50 60 70 80 90

Abb.3.27: Diffraktogramme von CuGaSe2-Schichten auf verschiedenen Substraten. Die nichtindizierten Peaks gehören zu den jeweiligen Substraten.

Nicht gezeigt sind hier die Röntgenspektren von Filmen auf SnO2-beschichtetem Glas bzw.

GaN-beschichtetem Saphir. Die ersteren haben große Ähnlichkeit mit den CuGaSe2-Spektren auf blankem Glas, die letzteren ähneln denen auf Silizium.

Man kann aus den in diesem Zusammenhang gemachten Beobachtungen schlußfolgern, daß die Substrate, bei ansonsten gleichem Vorgehen, wesentlichen Einfluß auf die CuGaSe2 -Schichtbildung nehmen. Für jedes Substrat müßten

Parameter wie Stapelordnung im Precursor oder der Temperprozeß getrennt optimiert werden, um gute CuGaSe2-Schichten zu erhalten. Die besten Ergebnisse unter Berücksichtigung der Kristallinität, der Morphologie so wie der Haftung der Schichten sind mit molybdänbeschichtet Natrium-Kalk-Glas-Substraten erzielt worden.

44 45 46 47