Lösungsmittelgenerierte Phasenumwandlung zur Erzeugung kristalliner Siliciumschichten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes wurde das Wachstum von polykristallinem Silicium auf Glas bei niedrigen Temperaturen aus metallischen Lösungen in einem Zweistufenprozess untersucht. Das erfolgreiche Wachstum von geschlossenen Si-Schichten mit guten morphologischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften zeigt die Durchführbarkeit dieses Prozesses und macht die erzeugten Schichten interessant für eine mögliche Anwendung in Dünnschicht-Silicium-Solarzellen. Im ersten Prozessschritt wurden nanokristalline Siliziumschichten (nc-Si) bei Temperaturen im Bereich von 230 °C bis 450 °C hergestellt, entweder durch die direkte Abscheidung auf geheizten Substraten oder durch metall-induzierte Kristallisation. Im ersten Fall bilden sich kleine Nanokristallite und wachsen während der weiteren Abscheidung zu größeren Kristalliten aus. Im zweiten Fall bewegen sich die flüssigen Lösungsmitteltröpfchen entlang der Substratebene, wobei kristallines Si ausgeschieden wird, ein Prozess, den wir als 'Amorphous-Liquid-Crystalline'(ALC)-Umwandlung bezeichnen. Im zweiten Prozessschritt dienen die Saatschichten als Vorlage für das Wachstum von deutlich größeren Kristalliten durch stationäre Lösungszüchtung. Im Gegensatz zur gewöhnlichen Flüssigphasenepitaxie wird die Übersättigung vor der Saatschicht dabei durch einen stationären Temperaturunterschied zwischen Si-Quelle und Substrat hergestellt. Mikrometergroße Silicium- Kristallite mit geringen Verunreinigungen werden mit dieser Methode gewachsen. Bei den Spuren der Tröpfchen in den ALC-Saatschichten handelt es sich um mehrere hundert Nanometer breite und bis zu 200 nm hohe Kristallkörner. Die ALC-Prozessdauer von ursprünglich bis zu 60 min konnte durch umfassende Parameterstudien auf 6 min reduziert werden. Die Charakterisierung der durch die direkte Abscheidung auf geheizten Substraten entstehenden nc-Si Saatschichten offenbarte, dass es sich dabei nicht um homogene, nanokristalline Schichten handelt, sondern um individuelle Saatkörner, die in eine quasi-amorphe Matrix eingebettet sind. Während die Verunreinigung der ALC-Schichten vergleichsweise hoch ist, konnte gezeigt werden, dass sie in den nc- Si Saatschichten bedeutend niedrigere Werte annimmt. Die Oxidation der Saatschichten vor dem zweiten Prozessschritt wurde als ein wesentliches Hindernis für das Wachstum identifiziert. Als erfolgreichste Lösung zur Überwindung dieses Problems hat sich ein anfänglicher Rücklöseschritt erwiesen, in welchem der Temperaturgradient kurzzeitig umgedreht wird, wodurch die metallische Lösung die Oberfläche der Saatschicht anlöst und dabei das Oxid partiell entfernt. Da diese Methode jedoch schwierig zu kontrollieren ist, wurde die Oxidentfernung durch Laserstrahlung als bessere Variante ausgemacht und ein UV-Laser-System entwickelt und installiert. Erste Resultate zeigen epitaktisches Wachstum an den Stellen, an denen das Oxid entfernt wurde. Bei der Lösungszüchtung auf ALC-Schichten beginnt das Wachstum an einigen größeren Saatkristallen und die Kristallisation umliegender Gebiete erfolgt durch laterales Überwachsen. Während die Saatschicht eine hohe Defektdichte und Einschlüsse des Lösungsmittels aufweist, sind die großen Kristallite nahezu defektfrei. Obwohl Kristallitgrößen bis zu 50 µm erreicht wurden, war es noch nicht möglich, geschlossene Schichten zu erzielen. Durch Lösungszüchtung auf nc-Si Saatschichten hingegen konnte dieses Ziel erreicht werden. Geschlossene, polykristalline Si-Schichten wurden erzeugt, auf denen alle Si-Kristallite miteinander verbunden sind. Die Schichtdicke beträgt etwa 10 µm. Alle vormals amorphen Bereiche der Saatschicht sind kristallisiert und die Verunreinigungen liegen deutlich innerhalb der Spezifikationen für Solar-Silizium. Neben den Wachstumsexperimenten sind 3D-Simulationen durchgeführt worden. Dabei wurden unterschiedliche Heizerkonfigurationen betrachtet und die Variante mit den stabilsten Temperaturgradienten identifiziert. Außerdem wurde der Einfluss des Lösungsmittels Indium bzw. Zinn simuliert und es konnte gezeigt werden, dass Änderungen in der Füllhöhe des Lösungsmittels einen maßgeblichen Einfluss auf Temperatur und Konvektion im Tiegel haben. Basierend auf den Ergebnissen des DFG-Projektes werden die Arbeiten zur Erzeugung kristalliner Si-Schichten durch lösungsmittelgenerierte Phasenumwandlung im Rahmen der mittelfristigen Forschungsplanung des IKZ fortgeführt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2012). Solvent-induced growth of crystalline silicon on glass. In 2012 38th IEEE PVSC (pp. 000333–000337). Austin, IEEE
Heimburger, R., Bansen, R., Markurt, T., Schmidtbauer, J., Teubner, T., & Boeck, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/PVSC.2012.6317630) - Solvent-Induced Growth of Crystalline Silicon on Glass, 38th IEEE PVSC 2012, Austi
R. Heimburger
- UV laser supported oxide removal from Si seed layers for thin-film solar cells, DFG Frühjahrstagung 2013, Regensburg
R. Bansen
- (2014). Solution Growth of Crystalline Si on Glass. In 29th EU PVSEC (pp. 1908–1911). Amsterdam, WIP
Bansen, R., Heimburger, R., Schmidtbauer, J., Teubner, T., & Boeck, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4229/EUPVSEC20142014-3DV.4.16) - Solution Growth of Crystalline Si on Glass, EU-PVSEC 2014, Amsterdam
R. Bansen
- (2015). Crystalline silicon on glass by steady-state solution growth using indium as solvent. Applied Physics A, 119(4), 1577–1586
Bansen, R., Heimburger, R., Schmidtbauer, J., Teubner, T., Markurt, T., Ehlers, C., & Boeck, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00339-015-9141-0) - Crystalline Silicon on Glass by Steady-State Solution Growth, DPG Frühjahrstagung 2015, Berlin
R. Bansen
- Properties of Crystalline Silicon Layers for Photovoltaic Application grown on Glass by Steady-State Solution Growth, ECCG5 2015, Bologna
C. Ehlers
