Entwicklung von großflächigen PECVD-Prozessen zur kontrollierten, homogenen Abscheidung dünner Siliziumschichten für die Photovoltaik

Grootoonk, Björn Olaf; Rau, Uwe; Wiggers, Hartmut

doi:38198

Entwicklung von großflächigen PECVD-Prozessen zur kontrollierten, homogenen Abscheidung dünner Siliziumschichten für die Photovoltaik

Grootoonk, Björn Olaf^RWTH*

2019

VerantwortlichkeitsangabeBjörn Olaf Grootoonk

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2019

Umfang1 Online-Ressource (154 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-402-7

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt/Energy & environment ; 462

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Druckausgabe: 2019. - Onlineausgabe: 2019. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Wiggers, Hartmut (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-11-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-04974
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/761584/files/761584.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Photovoltaik (FZ Jülich) (615610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Dünnfilm Silizium (frei) ; PECVD (frei) ; Photovoltaik (frei) ; microcrystalline silicon (frei) ; mikrokristallines Silizium (frei) ; optical emission spectroscopy (frei) ; optische Emissionsspektroskopie (frei) ; photovoltaics (frei) ; thin film silicon (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Hydrogeniertes mikrokristallines Silizium (µc-Si:H) wird unter anderem als Absorberschicht in Solarzellen verwendet. Für die großflächige industrielle plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung von µc-Si:H sind reproduzierbare Prozesse notwendig, die zu Schichten mit homogenen Eigenschaften führen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Entwicklung von Prozessen zur großflächigen homogenen Abscheidung mikrokristalliner Solarzellen mit reduziertem Gasfluss beschrieben. Eine Reduktion des Gasverbrauchs bietet mehrere ökologische und wirtschaftliche Vorteile. Die Kosten für Einkauf und Lagerung der Prozessgase werden gesenkt. Außerdem kann durch die signifikant niedrigeren Gasflüsse die Drehzahl der Vakuumpumpen verringert werden. Dadurch nimmt die elektrische Leistungsaufnahme der Vakuumpumpen ab und ihre Lebensdauer sowie der Abstand der Service-Intervalle erhöhen sich. Für die Entwicklung dieser Prozesse wurde eine Vakuumanlage mit einer industriellen Standardelektrode verwendet. Die Geometrie der Gaszuführung und -absaugung in das Prozessvolumen spielt bei der großflächigen Abscheidung von µc-Si:H mit reduziertem Gasverbrauch eine entscheidende Rolle. Ein Gasgemisch aus Silan und Wasserstoff wird durch die sogenannte Duschkopfelektrode in das Prozessvolumen geleitet und bilateral abgesaugt. Durch eine Reduktion des Gasflusses nimmt die Verweildauer der Moleküle im Prozessvolumen zu. Gleichzeitig werden signifikant höhere Silankonzentrationen in der Gaszuführung verwendet. Der Dissoziationsgrad der Silanmoleküle steigt ebenfalls signifikant. Ein qualitatives Plasma-Wachstumsmodell für die großflächige Abscheidung von µc-Si:H beschreibt die beiden Haupteinflüsse eines reduzierten Gasverbrauchs auf die lokale Silankonzentration im Plasma:Silan-Rückdiffusion: Zu Beginn der Deposition diffundiert Silan aus dem Reaktor-Totvolumen in das Plasma. Dadurch erhöht sich lokal die Silankonzentration im Plasma. In der Folge wächst eine Inkubationsschicht mit niedrigem kristallinen Volumenanteil. Durch eine angepasste Prozessführung kann dieser Effekt vermieden werden. Reduktion der Silankonzentration im Plasma-Randbereich: Aufgrund der verstärkten Silandissoziation wird im Plasma netto Wasserstoff freigesetzt. Der in der Plasmamitte freigesetzte Wasserstoff verlässt das Plasma durch die Randbereiche. Dadurch wird die Silankonzentration in diesen Bereichen reduziert. So entstehen im Randbereich des Prozessvolumens Plasmabedingungen, die im Vergleich zur Plasmamitte zu einem Wachstum mit höherem kristallinen Volumenanteil führen. Dieser Effekt wird durch unterschiedliche Pumpgeschwindigkeiten von Silan und Wasserstoff in der Nähe der Gasabsaugung verstärkt. Mit der verwendeten Elektrode kann der Gasverbrauch gegenüber einem Standard-Depositionsregime bei der Abscheidung von µc-Si:H Solarzellen um den Faktor 10 reduziert werden, ohne den Wirkungsgrad der Solarzellen zu beeinflussen. Bei einer weiteren Reduktion des Gasverbrauchs führt die lokale Variation der Silankonzentrationim Plasma zu lateral inhomogenen Solarzelleneigenschaften. Die Messung der optischen Plasmaemission der SiH*-Radikale kann als Prozesskontrolle verwendet werden. Ist die SiH*-Emissionsintensität zu Beginn der Deposition zeitlich nicht konstant, zeigt dies transiente Plasmaeffekte an. In diesem Fall ändert sich die Mikrostruktur der wachsenden Siliziumschicht mit der Depositionsdauer. Eine Absorberschicht mit variierender Mikrostruktur führt in Solarzellen im Allgemeinen zu niedrigen Wirkungsgraden. Durch eine Reduktion des Gasverbrauchs steigt die Pulverbildung im Plasma. In dem verwendeten Reaktor hat dies keine Auswirkungen auf die Solarzelleneigenschaften. Bezüglich der Systemwartung ist eine Pulverbildung unerwünscht. Weiterhin kann eine erhöhte atmosphärische Kontamination der Absorberschicht mit Sauerstoff als Ursache für die inhomogenen Solarzelleneigenschaften ausgeschlossen werden. Es wird eine einfache Methode entwickelt, um in-situ pulverfreie Depositionsregime zu identifizieren. Dies ist hilfreich, da eine unkontrollierte Pulverbildung in Bezug auf die Systemwartung und die Bauteilqualität unerwünscht ist. Dazu können die selbstinduzierte Vorspannung an den Elektroden oder das Verhältnis der optischen Emissionsintensitäten von SiH* und H_beta im Plasma verwendet werden. Beide Parameterzeigen ein charakteristisches Verhalten, wenn die Depositionsbedingungen aus einem pulverfreien in einen pulverbildendenden Bereich verändert werden. In dem verwendeten Reaktor beginnt eine deutliche Pulverbelegung unabhängig vom Depositionsdruck bei einer charakteristischen Gasverweildauer der Prozessgase. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung einer neuartigen Experimentierelektrode beschrieben. Mit dieser Experimentierelektrode werden neue Prozesse zur Abscheidung von dünnem Silizium auf großen Flächen entwickelt. Die Prozesse beinhalten eine Prozessüberwachung, um eine homogene Abscheidung zu erreichen. In der Experimentierelektrode sind fünf optische Zugriffe, durch die die optischen Plasmaemissionen während der Deposition ortsaufgelöst detektiert werden. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf den Zusammenhang der lokalen Plasmazusammensetzung mit den Schichteigenschaften ziehen. Der an der Standardelektrode beobachtete Effekt der Silan-Rückdiffusion in das Plasma wurde durch die Messung der Plasmaemissionen an den Zugriffen örtlich aufgelöst untersucht. Zudem lässt sich die Depositionsrate der wachsenden Siliziumschicht an den Zugriffen in-situ bestimmen. Die optischen Zugriffe sind somit ein wertvolles Werkzeug der ortsaufgelösten Prozesskontrolle. Weiterhin ist eine ortsaufgelöste Gaseinspeisung in der Experimentierelektrode implementiert. Der Prozessgasfluss durch den zentralen Bereich der Duschkopfelektrode kann damit unabhängig vom Prozessgasfluss durch den Randbereich der Elektrode eingestellt werden. Somit kann die Silankonzentration im Plasma-Randbereich aktiv nachgeführt werden, um die mit der Standardelektrode beobachteten Plasmaeffekte zu kompensieren. Unter Ausnutzung der ortsaufgelösten Gaseinspeisung wurden Siliziumschichten hergestellt. Dabei war der Gasfluss um den Faktor 10 gegenüber dem Standard-Gasfluss reduziert. Es zeigt sich, dass durch die Erhöhung der Zufuhr-Silankonzentration im Randbereich der Elektrode die laterale Homogenität der Schichteigenschaften (kristalliner Volumenanteil, Schichtdicke) signifikant gesteigert werden kann.

Hydrogenated microcrystalline silicon (µc-Si:H) is used, among other things, as an absorber layer in solar cells. To produce µc-Si:H with homogeneous properties on a large-area, industrial scale, using plasma enhanced chemical vapor deposition, reproducible processes need to be established. In the first part of this thesis, the development of a reduced gas flow process to produce homogeneous, large-area microcrystalline solar cells is described. There are several ecological and economical advantages when the gas consumption is decreased. The costs for purchasing and storage of the feed gas are reduced. Due to the significantly lower feed gas flows, the rotational speed of the vacuum pumps can also be reduced. This results in lower electrical power consumption of the vacuum pumps, an extension to their maintenance intervals, and an overall increase in their service life. A vacuum system with a standard industrial electrode was used during these investigations. The geometry of the gas feed and the exhaust is of great importance when depositing µc-Si:H with a reduced gas flow. A mixture of silane and hydrogen gases is fed into the process volume through a so called showerhead electrode and is bilaterally exhausted. As the gas flow is reduced, the residence time of the gas molecules in the plasma increases. Simultaneously, a higher concentration of silane is used in the feed gases, resulting in a higher degree of silane molecule dissociation. A qualitative plasma-growth model for the large-area deposition of µc-Si:H describes the two main influences of reduced gas usage on the local silane concentration in the plasma:Silane back diffusion: At the beginning of the deposition, silane diffuses from the reactor dead volume into the plasma. Consequently, an incubation layer grows with a lower crystalline volume fraction. This effect can be overcome by using an optimized deposition process. Reduced silane concentration in the Plasma edge region: A net release of hydrogen in the plasma occurs due to the enhanced silane dissociation. Hydrogen that is released at the center of the plasma has to leave via the plasma edge region. This results in a reduced plasma silane concentration in these regions, leading to plasma conditions at the edge region which cause a silicon growth with a higher crystalline volume fraction compared to the center region. Different pumping speeds of silane and hydrogen intensify this effect where the gases are extracted. With the appropriate electrode, the gas usage during the deposition of µc-Si:H solar cells can be reduced by a factor of 10 compared to a standard deposition regime without affecting the solar cell conversion efficiency. A further reduction of the gas flow causes variations in the local plasma silane concentration leading to lateral inhomogeneous solar cell properties. Measurement of the optical plasma emission of the SiH* radicals can be used as a process control. A non-constant SiH* emission intensity in the initial deposition period indicates transient plasma effects. In this case the microstructure of the growing silicon layer changes with deposition time. In a solar cell, absorber layers with varying microstructures commonly result in lower efficiencies. As a result of reduced gas usage, powder production in the plasma increases. However, this has no influence on the solar cell properties produced with this deposition system. Nevertheless, for system maintenance, powder production is undesirable. An increased atmospheric contamination of the absorber layer with oxygen has been ruled out as a reason for the inhomogeneous solar cell properties. A simple method has been developed to identify in-situ powder-free deposition regimes. This is helpful since an uncontrolled powder production is undesirable in terms of maintenance and device quality. Two measures have been identified: the self-induced bias voltage at the electrodes or the ratio of the optical emission intensities from SiH* to H_beta in plasma. Both parameters show a characteristic behavior when the deposition conditions drift from powder-free to powder producing. In the deposition system used, a severe powder formation starts at a distinct residence time of the process gas in the plasma, independent of the deposition pressure. The second part of this thesis addresses the development of a novel experimental electrode. Utilizing this experimental electrode, new processes have been developed to deposit thin silicon layers over large areas. These processes include a process control to ensure a homogeneous deposition. There are five optical access points inside the experimental electrode. It is possible to detect and spatially resolve the optical plasma emission with these access points. Conclusions may then be drawn between the local plasma compositions and the layer properties. By measuring the plasma emissions at the optical access points the effect of silane back diffusion, which was seen with a standard electrode, was evaluated. The deposition rate of the growing layer can be determined in-situ with the help of the access points. Hence, the optical access points are a valuable tool for spatially resolved process control. In addition, a spatially resolved feed gas supply has been implemented into the experimental electrode. This allows the feed gas flow through the central region of the showerhead electrode to be adjusted independently to the feed gas flow through the edge regions. The silane concentration in the plasma edge region can then be readjusted in order to compensate the plasma effects, which were seen with the standard electrode. Silicon layers were deposited using the spatially resolved feed gas supply. As a result, the total feed gas flow was reduced by a factor of 10 compared to standard gas flows. It was demonstrated that the lateral homogeneity of the layer (in terms of crystalline volume fraction and thickness) can be improved significantly through an increased input silane concentration at the edge region.

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