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DE102007009924A1 - Durchlaufbeschichtungsanlage, Verfahren zur Herstellung kristalliner Dünnschichten und Solarzellen sowie Solarzelle - Google Patents

Durchlaufbeschichtungsanlage, Verfahren zur Herstellung kristalliner Dünnschichten und Solarzellen sowie Solarzelle Download PDF

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DE102007009924A1
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DE
Germany
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substrate
laser
laser beam
layer
continuous coating
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102007009924A
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English (en)
Inventor
Matthias Krantz
Holger MÜNZ
Arvind Shah
Horst Schade
Michael Schall
Martin VÖLCKER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss SMT GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss SMT GmbH
Carl Zeiss Laser Optics GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Durchlaufbeschichtungsanlage (100) mit einer eine Zuführöffnung (102) z) und eine Abführöffnung (101) zum Abführen des beschichteten Substrats (106) aufweisenden Vakuumkammer (110), einer physikalischen Gasphasenabscheidungseinrichtung (112) zum Beschichten einer Oberfläche (126) des Substrats (106), einem Laserkristallisationssystem (122) zum gleichzeitigen Beleuchten wenigstens einer Unterteilfläche (132) einer momentanen beschichteten Teilfläche (130) der Oberfläche (126) des Substrats (106) mit wenigstens einem Laserstrahl (124), und mit einer Transporteinrichtung (108) zum Transportieren des Substrats (106) in Durchlaufrichtung (136) von der Zuführöffnung (102) zu der Abführöffnung (104) und zum kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Bewegen des Substrats (106) während dessen Beschichtung in der Durchlaufrichtung (136). Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung nano-, mikro-, poly-, multi- oder einkristalliner Dünnschichten mit folgenden Verfahrensschritten: a) Zuführen eines zu beschichtenden Substrats (106) in eine Vakuumkammer (110) in einer Durchlaufrichtung (136), b) physikalische Gasphasenabscheidung einer Schicht auf eine Teilfläche (130) einer Oberfläche (126) des Substrats (106) und gleichzeitiges Laserkristallisieren wenigstens einer Unterteilfläche (132 der momentan beschichteten Teilfläche (130) der Oberfläche (126) des Substrats (106) mit ...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Durchlaufbeschichtungsanlage, insbesondere zur Herstellung nano-, mikro-, poly-, multi- oder einkristalliner, nachfolgend allgemein als kristallin bezeichneter Dünnschichten. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung kristalliner Dünnschichten und insbesondere zur Herstellung einer Siliziumtandemsolarzelle. Ferner betrifft die Erfindung eine unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbare Tandemsolarzelle.
  • In der Mikroelektronik und Photovoltaik verwendete Halbleiterbauelemente basieren überwiegend auf dem Halbleitermaterial Silizium. Die seit den sechziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts überwiegend eingesetzten Einkristallhalbleiterscheiben, die so genannten Wafer, in welche die entsprechenden Strukturen eingebracht werden, werden zunehmend durch Dünnschichten ersetzt, welche z. B. auf Glassubstrate aufgebracht werden.
  • Je nach verwendetem Abscheideverfahren derartiger Dünnschichten treten unterschiedliche Modifikationen des Siliziums auf, nämlich amorphes oder kristallines Silizium. Die elektronischen Eigenschaften von amorphem Silizium unterscheiden sich signifikant von denen von kristallinem Silizium. Aufgrund seiner optischen/elektronischen Eigenschaften sowie aufgrund der möglichen Abscheide-/Herstellungsverfahren ist amorphes Silizium insbesondere geeignet, um Dünnschichtsolarzellen herzustellen. Sowohl für die Mikroelektronik als auch für die Photovoltaik sind Dünnschichten aus kristallinem Silizium interessant. Flachbildschirme werden heute schon auf Basis von amorphen oder polykristallinen Siliziumschichten hergestellt.
  • Es ist eine Vielzahl an Verfahren bekannt, welche es erlauben, amorphe Siliziumschichten kostengünstig, großflächig und mit hinreichender Schichtdicke abzuscheiden. Hierzu gehören unterschiedliche chemische Gasphasenabscheidungsprozesse (chemical vapor deposition, CVD) als auch physikalische Gasphasenabscheideverfahren (physical vapor deposition, PVD) wie z. B. Elektronenstrahlverdampfung und Kathodenzerstäubung.
  • Es ist auch eine Vielzahl an Verfahren zur Abscheidung von kristallinen Dünnschichten bekannt. Im Allgemeinen sind jedoch die Abscheideraten zur Erzeugung der kristallinen Dünnschichten zu gering, um kostengünstig hochwertige Halbleiterstrukturen herstellen zu können. So ist es z. B. aus dem Stand der Technik bekannt, feinkristalline Siliziumschichten mit Hilfe von chemischen Gasphasenabscheidungsprozessen herzustellen. Die Aufwachsrate beträgt hier jedoch nur wenige zehn Nanometer pro Minute. Mit Hochratenverfahren wie z. B. Elektronenstrahlverdampfen oder Kathodenzerstäubung hergestellte Dünnschichten haben eine amorphe Mikrostruktur und sind ohne weiteres nicht für elektronische Bauteile geeignet.
  • Die zur Herstellung von Flachbildschirmen erforderlichen polykristallinen Siliziumfilme weisen Schichtdicken zwischen 50 und 100 nm auf. Derartige polykristalline Dünnschichten können durch thermische Einwirkung oder durch Bestrahlung mit Hilfe eines Hochleistungslasers aus amorphen Siliziumfilmen hergestellt werden. Übliche Laserkristallisationsverfahren sind die unter den jeweiligen englischen Bezeichnungen bekannten Verfahren, Laserzone Melting, Excimer Laser Annealing (ELA), Sequential Lateral Solidification (SLS) und Thin Beam Directional Crystallization (TDX). Unter den thermischen Verfahren sind Solid Phase Crystallization (SPC) und Metal Induced Crystallization (MIC) sowie Halogenlamp und Hot Wire Annealing (HW-CVD) bekannt.
  • Bezüglich der Herstellungskosten sind die Prozesstemperatur und die daher erforderlichen Glassubstrattypen wichtig. Eximerlaser basierte Kristallisationsverfahren wie auch Ion Beam Assisted Deposition (IAD) sind auf Niedertemperatursubstraten möglich, während SPC und MIC mittlere Temperaturen (~ 400–600°C) erfordern. Details sind zum Beispiel in A. Aberle, Thin Solid Films 511, 26 (2006) beschrieben.
  • Ein Absorber einer Solarzelle auf Basis von kristallinem Silizium erfordert eine Mindestschichtdicke von 1 bis 2 μm. Thermische Kristallisation eines amorphen Siliziumfilms ist nicht geeignet, um kristalline Siliziumschichten mit Kristalliten wesentlich größer als ~ 1 μm herzustellen. Mit Hilfe von Laserprozessen können zwar Dünnschichten mit Dicken von über 200 nm kristallisiert werden, die Schwierigkeit besteht jedoch in der Prozesskontrolle. Details beschreiben z. B. M. A. Crowder et al. in „Sequential Lateral Solidification of PECVD and Sputter Deposited a-Si Films" Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol 621 (2000), Q9.7.1
  • Aus der JP 09-293680 A ist ein Batch-Verfahren bekannt, bei dem im Wechsel eine dünne Schicht von 100 bis 200 nm Dicke aus amorphem Silizium mit Hilfe eines plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidungsprozesses (PECVD) auf ein Substrat aufgebracht und diese Schicht nachfolgend in derselben Vakuumkammer mit Hilfe eines Excimer-Laserstrahls kristallisiert wird. Der Laserstrahl wird dabei auf eine Stelle des Substrats fokussiert und das Substrat mit Hilfe eines über zwei Rollen geführten Bandes unter dem Laserstrahl hin- und herbewegt, so dass nach und nach die gesamte Oberfläche des Substrats von dem Laserstrahl kristallisiert wird.
  • Es wird angegeben, dass anstelle der Beleuchtung einer Stelle des Films auch zwei, drei oder mehr Stellen gleichzeitig beleuchtet werden können. Durch Hin- und Herbewegen des Substrats gelangen die Laserstrahlen an jeden Ort des Substrats.
  • Während die in den Figuren dargestellten Alternativen ausschließlich ein abwechselndes Abscheiden und Beleuchten betreffen, wird in der Beschreibung ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die beiden Prozessschritte Beschichten und Beleuchten auch gleichzeitig durchgeführt werden können. Weiter wird erwähnt, dass zur Schichtabscheidung alle Arten von CVD-Prozessen, wie z. B. lichtunterstützte CVD, thermisch unterstützte CVD und Plasma-CVD ebenso wie PVD und Kathodenzerstäubung verwendet werden können. Details zu den zu verwendenden Apparaturen werden nicht angegeben.
  • G. Andrä et al. beschreiben in dem Artikel „Diode Laser Crystallized Multicrystalline Silicon Thin Film Solar Cells an Glass", in Proc. of 21 st European Photovoltaic Solar Energy Conference, 4–8 September 2006, Dresden, Germany, Seiten 972 bis 975 die Herstellung von 2 bis 5 μm dicken Absorber mit Hilfe eines sogenannten Layered Laser Crystallization (LLC) Prozesses. Eine erste Variante geht von einer PECVD-Abscheidung von amorphem Silizium (a-Si) von 600 nm Dicke auf Glas aus. Diese Schicht wird mit einem Laser in der Vakuumkammer kristallisiert. Auf diese Saatschicht wird kontinuierlich mittels PECVD eine 2 bis 5 μm dicke a-Si Schicht abgeschieden. Jeweils nach Abscheidung eines mehrere 10 nm dicken Films erfolgt eine Kristallisation mit Hilfe eines über die Probe geführten homogenisierten Lichtstrahls eines Excimer Lasers ohne dabei das Vakuum zu brechen (ISC-CVD, in-chamber seed crystallization by low power laser). Eine zweite Variante geht von einer außerhalb der Vakuumkammer mit einem Hochleistungslaser kristallisierten Saatschicht aus (ESC, external seed crystallization). Als dritte Variante wird ein epitaktisches Schichtwachstum durch Elektronenstrahlverdampfung und Laserbestrahlung nach jeweiliger Abscheidung von 10 nm dünnen Schichten beschrieben. Einzelheiten zur verwendeten Anlage werden nicht angegeben.
  • Aus der WO 02/19437 A2 , welche auf die Autorin des vorstehend angegebenen Papiers zurückgeht, ist es bekannt, eine Saat- oder Keimschicht für die Herstellung eines polykristallinen Absorbers mittels Elektronenstrahlverdampfung und nachfolgende Laserkristallisation herzustellen.
  • Obwohl die o. a. PVD-Abscheideverfahren viel versprechende Ansätze zur Massenproduktion qualitativ hochwertiger kristalliner Siliziumschichten darstellen, existiert derzeit noch keine für die Massenproduktion geeignete Beschichtungsanlage. Darüber hinaus ist die Anzahl der notwendigen Prozessschritte zur Fertigung einer großflächigen Siliziumschicht mit hoher Kristallqualität und insbesondere zur Herstellung einer hocheffizienten Siliziumsolarzelle noch sehr hoch.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine zur Abscheidung hochwertiger kristalliner Dünnschichten geeignete Durchlaufbeschichtungsanlage, ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung kristalliner Dünnschichten und Solarzellen sowie eine z. B. mittels dieses Verfahrens herstellbare Solarzelle bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Durchlaufbeschichtungsanlage mit den Merkmalen des Hauptanspruchs, durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 23 sowie 45 und durch eine Tandemsolarzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 48 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Durchlaufbeschichtungsanlage eine Vakuumkammer mit einer Zuführöffnung zum Zuführen eines zu beschichtenden Substrats und einer üblicherweise gegenüberliegend angeordneten Abführöffnung zum Abführen des beschichteten Substrats. Die Zu- und/oder Abführöffnungen können Bestandteil eines Schleusensystems sein. Es ist auch möglich, dass sich an die Zu- und/oder Abführöffnungen weitere Beschichtungs- und/oder Prozessierungskammern anschließen.
  • Weiterer Bestandteil der Durchlaufbeschichtungsanlage ist eine in der Vakuumkammer angeordnete physikalische Gasphasenabscheidungseinrichtung (also eine Abscheidungseinrichtung zur Durchführung eines physikalischen Gasphasenabscheideverfahrens) zum Beschichten einer Oberfläche des Substrats. Eine derartige Abscheidungseinrichtung kann beispielsweise eine Elektronenstrahlverdampfungseinrichtung oder eine Kathodenzerstäubungseinrichtung umfassen. Denkbar sind auch thermische Verdampfungseinrichtungen, welche es erlauben Dünnschichten bis zu einigen Mikrometern mit (im Vergleich zu üblichen CVD-Verfahren) hoher Abscheiderate abzuscheiden.
  • Es ist ferner ein Laserkristallisationssystem vorgesehen, welches derart in Bezug zu der Abscheidungseinrichtung angeordnet ist, dass ein zur Laserkristallisation vorgesehener Laserstrahl auf eine Unterteilfläche einer momentan mittels der Abscheideeinrichtung beschichteten Teilfläche der Oberfläche des Substrats gerichtet werden kann. Es muss also möglich sein, dass eine Laserkristallisation der auf die Unterteilfläche abgeschiedenen Schicht gleichzeitig während der Beschichtung der Teilfläche der Substratoberfläche erfolgt.
  • Schließlich soll abweichend von den aus dem Stand der Technik bekannten Labor-Anlagen ein Durchlauf des Substrats durch die Beschichtungs- und Laserkristallisationszone innerhalb der Vakuumkammer erfolgen. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß eine Transporteinrichtung zum Transportieren des Substrats in Durchlaufrichtung von der Zuführöffnung zu der Abführöffnung und zum kontinuierlichen oder diskontinuierlichen, z. B. schrittweisen Bewegen des Substrats während dessen Beschichtung in der Durchlaufrichtung vorgesehen. Grundsätzlich kann auch für einen vorgegebenen Zeitraum oder ggf. auch periodisch eine Bewegungsrichtungsumkehr stattfinden, das unbeschichtete Substrat wird jedoch durch die Zuführöffnung zu und durch die Abführöffnung abgeführt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung sind eine Mehrzahl an Elektronenstrahlverdampfungseinrichtungen und/oder eine Mehrzahl an Kathodenzerstäubungseinrichtungen senkrecht zur Durchlaufrichtung nebeneinander angeordnet. Durch diese Maßnahme können auch vergleichsweise breite Substrate beschichtet werden. Selbstverständlich können auch mehrere PVD-Einrichtungen in Durchlaufrichtung hintereinander angeordnet sein.
  • Eine weitere vorteilhafte Variante der Erfindung besteht darin, dass die Transporteinrichtung eine Bewegungseinrichtung zum Bewegen des Substrats in einer in einer Beschichtungsebene liegenden und zur Durchlaufrichtung im Winkel verlaufenden, vorzugsweise senkrechten Richtung aufweist. Damit ist es möglich, sowohl die momentan beschichtete Teilfläche als auch die momentan von dem Laserkristallisationssystem beleuchtete Unterteilfläche der Substratoberfläche unabhängig von der Durchlaufrichtung zu wählen.
  • Im einfachsten Fall ist das Laserkristallisationssystem starr ausgebildet. Anders ausgedrückt sind der oder ggf. die von dem Laserkristallisationssystem emittierten Laserstrahlen ortsfest auf das Substrat gerichtet. Lediglich die Bewegung des Substrats in Durchlaufrichtung oder ggf. in einer dazu winkligen, insbesondere senkrechten Richtung fuhrt zu einer Änderung der dem Laserstrahl oder den Laserstrahlen ausgesetzten Unterteilflächen. Günstig ist es z. B. die Bewegung des Substrats mäanderförmig durchzuführen.
  • Anstelle oder zusätzlich zu einer Bewegung des Substrats vermittels der Transporteinrichtung kann vorgesehen sein, dass auch der oder die zur Kristallisation erforderlichen Laserstrahlen eine Bewegung ausführen. Zu diesem Zweck kann das Laserkristallisationssystem selbst eine oder mehrere in wenigstens eine Richtung bewegbare Laserstrahlbewegungseinrichtungen aufweisen, um wenigstens einen der auf das Substrat gerichteten Laserstrahlen unabhängig von der Bewegung des Substrats über die momentan beschichtete Teilfläche zu führen.
  • Je nach Anordnung ist es ausreichend, lediglich eine Bewegung in einer linearen Richtung vorzusehen. Mit zunehmender Substratgröße wird es erforderlich sein, die wenigstens eine Laserstrahlbewegungseinrichtung in zwei winklig vorzugsweise zueinander senkrecht verlaufenden Richtungen, wobei vorzugsweise eine mit der Durchlaufbewegungsrichtung zusammenfällt, bewegbar auszuführen. Günstig ist es insbesondere, wenn der Laserstrahl eine mäanderförmige Bahn beschreibt. Denkbar sind auch Bewegungen auf gekrümmten Bewegungsbahnen. Letztgenannte Bewegungen werden jedoch im Allgemeinen aufgrund deren Komplexität nur dann in Betracht gezogen werden, wenn sie aus prozesstechnischen Gründen erforderlich sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Laserstrahlbewegungseinrichtung einen Linearmotor zum linearen Bewegen der wenigstens einen Laserstrahlbewegungseinrichtung aufweist.
  • Grundsätzlich ist es möglich, das gesamte Laserkristallisationssystem zu bewegen. Um die bewegten Massen gering zu halten, ist es jedoch günstiger, lediglich einzelne optische Komponenten zu bewegen. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, welche sich durch ihre Einfachheit und eine weitgehende Minimierung der zu bewegenden Massen auszeichnet, ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Laserstrahlbewegungseinrichtung einen beweglichen und den wenigstens einen Laserstrahl auf die wenigstens eine Unterteilfläche ablenkenden Spiegel aufweist. Durch geeignete Anordnung dieses oder ggf. der Mehrzahl derartiger Ablenkspiegel ist es möglich, den oder die Laserstrahlen an jede gewünschte Stelle auf dem Substrat zu richten.
  • Anstelle von Linearbewegungseinrichtungen für das Substrat und/oder für das Laserkristallisationssystem oder für optische Komponenten hiervon, kann das Laserkristallisationssystem wenigstens einen um wenigstens eine Achse drehbaren Laserwinkelscanner aufweisen, um den wenigstens einen Laserstrahl unter unterschiedlichen Richtungen auf das Substrat zu richten. Derartige Scanner zeichnen sich dadurch aus, dass sehr schnelle Änderungen des momentanen Auftreffortes bzw. der momentanen Auftreffstellen des Laserstrahls bzw. der Laserstrahlen auf dem Substrat möglich sind. Dies resultiert daher, dass mit kleinen Winkeländerungen große Änderungen des Auftreffortes auf dem Substrat realisiert werden können. Während oszillierende Bewegungen des Substrats und/oder des Laserkristallisationssystems oder optische Komponenten hiervon mit Amplituden von mehreren Zentimetern auf Frequenzen von wenigen Hertz beschränkt sein werden, sind Winkelscanbewegungen eines Laserstrahls mit einer Frequenz von mehreren tausend Hertz bei mechanischen Spiegeln oder holographischen Scannern und bei akusto-optischen Scanner in MHz Bereich möglich.
  • In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Laserwinkelscanner um wenigstens eine zweite Achse schwenkbar ist. Mit einem einzigen Laserstrahl lässt sich bei geeigneter Anordnung der Achsen zueinander (soweit keine sonstigen Hindernisse bestehen) jede Stelle auf dem Substrat beleuchten, ohne dass eine Bewegung des Substrats selbst erforderlich wäre.
  • Vorzugsweise weist das Laserkristallisationssystem wenigstens einen weiteren dem wenigstens einen Laserwinkelscanner zugeordneten und um wenigstens eine Achse schwenkbaren Laserwinkelscanner auf, um den wenigstens einen Laserstrahl auf den wenigstens einen Laserwinkelscanner zu richten.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist wenigstens ein abbildendes Objektiv vorgesehen, um den wenigstens einen Laserstrahl derart auf die Substratoberfläche abzubilden, dass die Kontur und Größe der von dem Laserstrahl beleuchteten Unterteilfläche im Wesentlichen unverändert bleibt, wenn der wenigstens eine Laserstrahl unter unterschiedlichen Richtungen auf das Substrat gerichtet wird. Die Erzeugung eines in Kontur und Größe von der Einstrahlrichtung unabhängigen Laserspots (im Allgemeinen in Form eines Fokus) ist sinnvoll, um auf jeder Stelle des Substrats eine zur Laserkristallisation erforderliche vorbestimmte Energie- der Leistungsdichteverteilung einzustellen. Würde sich die Spotgröße (Fokusgröße) in Abhängigkeit vom Einstrahlwinkel ändern, bestünde die Gefahr einer inhomogenen Kristallisation über der Substratfläche. Darüber hinaus würde möglicherweise ein Teil der Laserenergie nicht zur Kristallisation des Substrats beitragen.
  • Eine Variante eines Laserwinkelscanners und/oder eines weiteren Laserwinkelscanners kann einen oder eine Vielzahl an Galvospiegeln oder -scannern aufweisen, um den wenigstens einen Laserstrahl in unterschiedlicher Weise abzulenken. Anstelle von ein- oder zweidimensionalen Galvoscannern können auch rotierende Polygonscanner eingesetzt sein. Polygonscanner können mit sehr hoher Umlaufgeschwindigkeit betrieben werden, so dass mit ihnen Scanraten von über 1000 Hz möglich sind. Weitere Varianten von Scanner sind akusto-optische Scanner und holographische Scanner. Erstere erlauben zum Beispiel hohe Scannraten und Letztere unterschiedliche Foki des Laserstrahls.
  • Eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung besteht im Einsatz einer Multiplexeinrichtung zum Erzeugen einer Mehrzahl an Laserstrahlen zum gleichzeitigen Beleuchten einer Mehrzahl an Unterteilflächen. Die gleichzeitige Beleuchtung einer Vielzahl an Unterteilflächen hat den Vorteil, dass bei gleicher Spotscangeschwindigkeit entweder die Durchlaufgeschwindigkeit des Substrats oder die Abscheiderate oder beides erhöht werden kann. Sämtliche Maßnahmen führen zu einer Erhöhung des Durchsatzes oder zur Reduzierung der Kosten durch geringere Anforderungen an die optischen Systemkomponenten.
  • Eine derartige Multiplexeinrichtung kann im einfachsten Fall eine Strahlunterteileinrichtung zum Unterteilen eines Laserstrahls in die Mehrzahl an Laserstrahlen umfassen. Dachprismen oder Mehrfachprismen wie auch diffraktive Elemente sind Beispiele für derartige Strahlunterteileinrichtungen. Unter beispielhafter Annahme, dass die Substratoberfläche eine Feldebene bildet, auf welche der oder die Laserstrahlen abgebildet werden, sind diese Prismen vorzugsweise in einer Pupillenebene angeordnet.
  • Eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Durchlaufbeschichtungsanlage umfasst eine Abscheidungsmesseinrichtung zum Messen einer Abscheiderate und/oder einer Abscheidemenge eines von der Gasphasenabscheidungseinrichtung abgeschiedenen Materials sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Steuern- und/oder Regeln der Bewegung der Transporteinrichtung und/oder der Laserstrahlbewegungseinrichtung und damit zur Festlegung der Stelle auf dem Substrat auf die der (jeweilige) Laserstrahl momentan in Abhängigkeit von der gemessenen Abscheiderate und/oder der gemessenen Abscheidemenge gerichtet wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung auch zum Steuern- und/oder Regeln der momentanen Intensität des wenigstens einen Laserstrahls auf dem Substrat in Abhängigkeit von der gemessenen Abscheiderate und/oder der gemessenen Abscheidemenge vorgesehen sein.
  • Eine vorteilhafte Ausführung einer erfindungsgemäßen Durchlaufbeschichtungsanlage umfasst als Alternative zu der vorstehend beschriebenen Abscheidungsmesseinrichtung oder als zusätzliches Funktionsmodul eine Schichtdickenmesseinrichtung zum Messen einer Schichtdickenänderung und/oder einer Schichtdicke der auf dem Substrat abgeschiedenen Schicht z. B. mittels Reflexion oder Transmission bei einer oder mehreren Wellenlängen, Ellipsometrie oder Profilometrie. Die o. a. Steuer- und/oder Regeleinrichtung oder eine entsprechende Steuer- und/oder Regeleinrichtung ist gemäß dieser Variante der Erfindung dazu vorgesehen, die Bewegung der Transporteinrichtung und/oder der Laserstrahlbewegungseinrichtung und/oder die momentane Intensität des wenigstens einen Laserstrahls auf dem Substrat in Abhängigkeit von der gemessenen Schichtdickenänderung und/oder der gemessenen Schichtdicke zu steuern oder zu regeln. Durch die Steuerung und/oder Regelung der Bewegung de Transporteinrichtung und/oder der Laserstrahlbewegungseinrichtung wird der momentane Ort der jeweiligen Unterteilfläche auf dem Substrat, d. h. die Stelle auf dem Substrat, auf die der jeweilige Laserstrahl momentan gerichtet wird festgelegt.
  • Selbstverständlich bezieht sich die Erfindung nicht nur auf eine Durchlaufbeschichtungsanlage als Gesamtsystem sondern es dürfte dem Fachmann unmittelbar einleuchten, dass die oben beschriebenen Varianten von Laserkristallisationssystemen auch allein, d. h. unabhängig von einer Beschichtungsanlage, oder als Bestandteil einer Batch-Anlage betrieben werden können.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung nano-, mikro-, poly-, multi- oder einkristalliner Dünnschichten, welches die oben angegebene Aufgabe vollumfänglich löst, umfasst folgende Verfahrensschritte:
    • a) Zuführen eines zu beschichtenden Substrats in eine Vakuumkammer in einer Durchlaufrichtung,
    • b) physikalische Gasphasenabscheidung einer Schicht auf eine Teilfläche einer Oberfläche des Substrats und gleichzeitig ein zumindest partielles Aufschmelzen und nachfolgendes Kristallisieren induzierendes Beleuchten wenigstens einer Unterteilfläche der momentan beschichteten Teilfläche der Oberfläche des Substrats mit wenigstens einem Laserstrahl unter kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Bewegung des Substrats in der Durchlaufrichtung,
    • c) Abführen des beschichteten Substrats aus der Vakuumkammer in der Durchlaufrichtung.
  • Der Verfahrensteilschritt physikalische Gasphasenabscheidung umfasst dabei vorzugsweise Elektronenstrahlverdampfung oder Kathodenzerstäubung. Dabei ist es günstig, wenn die physikalische Gasphasenabscheidung bei einer Schichtwachstumsrate von über 100 nm/min, vorzugsweise von über 1000 nm/min, höchst vorzugsweise von über 2000 nm/min durchgeführt wird. Damit unterscheidet sich die Abscheiderate erheblich von üblichen CVD-Prozessen. Selbst die Wachstumsraten von mit plasmaunterstützten chemischen Gasphasenprozessen (PECVD) abgeschiedenen Schichten liegen allenfalls an der unteren Grenze des vorstehend angegebenen Wertebereichs.
  • Aufgrund der hohen möglichen Abscheideraten von PVD-Prozessen im Allgemeinen und von Elektronenstrahlverdampfen und Sputtern im Besonderen, ist es möglich, das Substrat während Verfahrensschritt b) in der Durchlaufrichtung mit einer mittleren Geschwindigkeit von über 0,5 m/min, vorzugsweise von über 2 m/min je nach Verfügbarkeit kommerzieller Hochleistungslaser zu bewegen. Die Durchlaufzeit lässt sich dadurch signifikant steigern, was eine erhebliche Produktionskostenreduktion zur Folge hat.
  • In einer vorteilhaften Verfahrensvariante wird das Substrat während Verfahrensschritt b) in einer in einer Beschichtungsebene liegenden und zur Durchlaufrichtung senkrechten Richtung bewegt. Sowohl der momentane Ort der Beschichtung als auch der momentane Ort der laserinduzierten Kristallisation des Substrats lässt sich auf diese Weise kontinuierlich festlegen.
  • Vorzugsweise wird das Substrat während Verfahrensschritt b) in der in der Beschichtungsebene liegenden und zur Durchlaufrichtung senkrechten Richtung oder in Durchlaufrichtung oszillierend bewegt. Jeder gewünschte Teil des Substrats wird (bei entsprechend angepasster Durchlaufgeschwindigkeit) mehrfach einem Beschichtungs- und laserinduzierten Kristallisationsprozess unterworfen. Die Energiedichte des Laserstrahls bzw. der Laserstrahlen kann dabei wahlweise so eingestellt werden, dass das neu aufgebrachte Material lediglich oberflächlich aufschmilzt, dass die während eines Zyklus aufgebrachte Schicht über deren gesamten Schichtdicke aufschmilzt oder dass sogar ein Aufschmelzen einer oder mehrerer unterer in vorhergehenden Zyklen aufgebrachter Schichten vollständig oder über einen Bruchteil ihrer Schichtdicke erfolgt.
  • Die oszillierende Bewegung erfolgt vorzugsweise periodisch mit einer Frequenz von 200 bis 500 mHz. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die Hinbewegung sehr langsam und die Rückbewegung (z. B. längs desselben Weges) sehr schnell, also z. B. in unter 1/100 oder 1/1000 der Zeit der Hinbewegung erfolgt. Wenn bei Hin- und Rückbewegungen unterschiedliche Flächen auf dem Substrat beleuchtet werden, z. B. wenn der Laserstrahl auf einer mäanderförmigen Bahn auf dem Substrat fortschreitet, ist es im allgemeinen günstiger, die Geschwindigkeit der Bewegung nicht zu ändern.
  • In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung ist vorgesehen, wenn der wenigstens eine der Laserstrahlen während Verfahrensschritt b) abhängig oder unabhängig von der Bewegung des Substrats über die momentan beschichtete Teilfläche geführt wird. Der jeweilige Laserstrahl wird folglich nicht nur infolge der Eigenbewegung des Substrats über die Oberfläche des Substrats gescannt, sondern aufgrund einer Bewegung des Laserstrahls.
  • Besonders günstig ist es, wenn der wenigstens eine der Laserstrahlen in Durchlaufrichtung des Substrats oder in einem Winkel, vorzugsweise einem rechten Winkel zu der Durchlaufrichtung über die momentan beschichtete Teilfläche geführt wird.
  • Wiederum ist es günstig, wenn die Bewegung periodisch erfolgt. Abhängig von den jeweiligen Abscheideraten sind Scanraten von 200 bis 500 mHz oder auch höher günstig. Auch hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn die Hinbewegung sehr langsam und die Rückbewegung sehr schnell, also z. B. in unter 1/1000 oder in weniger als 1/100000 der Zeit der Hinbewegung erfolgt. Es kann sinnvoll sein, wenn die Beleuchtung des Substrats nur während der Hinbewegung der den Laserstrahl auf das Substrat richtenden Vorrichtung, nicht jedoch bei deren Rückbewegung erfolgt. Wird der Laser gepulst betrieben, so muss nur darauf geachtet werden, dass die Rückbewegung gerade innerhalb der Totzeit, innerhalb der kein Laserpuls emittiert wird, erfolgt.
  • Anders ist dies selbstverständlich, wenn der Laserstrahl auf einer mäanderförmigen Bahn über das Substrat geführt wird. In diesem Fall ist eine konstante Geschwindigkeit des fortschreitenden Laserspots auf dem Substrat zu bevorzugen.
  • Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn der wenigstens eine der Laserstrahlen an die Stelle des Substrats gerichtet wird, auf welche gerade eine vorbestimmte Schichtdicke, z. B. zwischen 50 nm und 1000 nm, vorzugsweise zwischen 100 nm und 500 nm, höchst vorzugsweise zwischen 100 nm und 300 nm abgeschieden worden ist. Dieser Vorgang kann sich entsprechend den obigen Ausführungen mehrfach wiederholen, bis die Endschichtdicke erreicht ist. Der Wechsel von Abscheidung und Laserkristallisation muss dabei nicht zwingend in konstanten Perioden erfolgen. Eine besonders vorteilhafte Variante der Erfindung besteht darin, die untersten Lagen auf dem Substrat schon nach Aufwachsen geringer Schichtdicken zu laserkristallisieren und nachdem eine gewisse kristallisierte Schichtdicke aufgewachsen ist eine dickere Schicht mittels des PVD-Verfahrens abzuscheiden bevor eine weitere Laserkristallisation eingeleitet wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Laserkristallisation der oberen Lagen bei geringer Laserfluenz durchgeführt wird, um ein Aufschmelzen der darunter liegenden Schichten und Vermischung von Dotierungen zu vermeiden. So ist es z. B. günstig, die letzte n-Schicht einer μc-Si Zelle, i. e. die Kollektorschicht, mit geringer Laserfluenz zu kristallisieren, um ein Vermischen mit den Dotierungen der darunterliegenden i- oder p-Schicht(en) zu vermeiden.
  • Die Temperatur des Substrats wird vorzugsweise während Verfahrensschritt b) konstant z. B. zwischen 200°C und 400°C (abhängig vom verwendeten Glassubstrat) gehalten. Dies kann einerseits über eine zusätzliche thermische Beheizung und/oder Kühlung des Substrats und/oder durch eine entsprechende Anpassung der Laserfluenz errreicht werden.
  • Das oben beschriebene Verfahren eignet sich grundsätzlich zum Beschichten des Substrats mit nahezu jedem beliebigen Material. Aufgrund des großen Anwendungsbereiches in der Elektronik und der Photovoltaik wird das Verfahren wohl vorzugsweise für Silizium angewendet.
  • Der Laserstrahl bzw. die Laserstrahlen weisen vorzugsweise eine Wellenlänge zwischen 150 und 800 nm auf. Im Allgemeinen ist es ausreichend, das Substrat mit einem oder mehreren Lasern einer einzigen Wellenlänge zu beleuchten. Es ist jedoch auch vorgesehen, Laser unterschiedlicher Wellenlänge zu verwenden. Die entsprechenden Laserstrahlen können gleichzeitig oder nacheinander auf die gleiche Stelle bzw. die gleichen Stellen des Substrats gerichtet werden.
  • Die Laserwellenlänge richtet sich erfindungsgemäß nach den verschiedenen Prozessfenstern der einzelnen Verfahrensschritte und den verschiedenen jeweiligen Strukturen der herzustellenden elektronischen Bauelemente. Geht man von einer Herstellung einer a-Si/μc-Si-Tandensolarzelle aus, so hängt die zu verwendende Laserwellenlänge konkret von den Silizium Mikrostrukturen der unterschiedlichen Tandemzelltypen ab. Die Mikrostruktur und Morphologie des abgeschiedenen Si, i. e. a-Si oder schon kristallisiertes μc-Si, bestimmt zusammen mit der Wellenlänge die Absorptionslange und damit zusammen mit der Laserleistung, der Pulsdauer (ggf. auch unendlich bei Verwendung eines CW-Lasers), dem zeitlichen Pulsverlauf, dem Laserstrahlprofil auf der Si-Schicht und deren zeitlich veranderten Reflektivität R (Ra-Si ≠ Rμc-Si ≠ Rflussiges Si) das 3-dimensionale Temperaturprofil in der Si-Schicht. Die Absorptionslänge von einem Excimer-Laser emittiertem Licht bei z. B. 193 nm, 248 nm, 351 nm mit typischen Pulsdauern von ~20 nsec beträgt wenige Nanometer, während Licht von diodengepumpten Festkörperlasern (Diode Pumped Solid State Laser, DPSSL), wie z. B. frequenzverdoppelte Nd:YLF-, Nd:YAG-, oder Nd:YVO4-Laser, bei 532 nm innerhalb wesentlich größerer Absorptionslängen absorbiert wird und somit die Schicht gleichmäßiger in der Tiefe aufheizt. Zur Herstellung dünner (Saat-) Schichten zum Beispiel nach den SLS2 Verfahren sind geringere Laserleistungen pro cm2 (i. e. Laserfluenzen) notwendig. Es ist daher erfindungsgemäß besonders energieeffizient zunächst mit einem Excimer-Laser eine dünne Keimschicht zu kristallisieren, um dann mit einem Laser größerer Wellenlänge (z. B. DPSSL) eine dickere auf die Saatschicht abgeschiedene a-Si-Schichten in einem weiteren Schritt zu kristallisieren. Im Falle der o. a.
  • Tandenzzelle kann für die abschließende dünne n-dotierte Kollektorschicht wieder z. B. ein Excimer-Laser verwendet werden, welcher Licht mit geringer Absorptionslänge emittiert.
  • Für das nachfolgend beschriebene Verfahren der Laserkristallisation mittels „self propagating liquid layer" ist ein gepulster langwelliger Laser vorteilhaft um ein Temperaturprofil in der Tiefe der Schicht zu erzeugen, das eine möglichst lange Propagation des „liquid layer" und somit eine möglichst große Schichtdicke pro Kristallistationsschritt ermöglicht, bevor der Prozess aus energetischen Gründen endet. Erfindungsgemäß ist hier auch eine Vorheizung der Si-Schicht (z. B. mit Halogenlampen) in Kombination mit einem UV-Excimer-Laser möglich, allerdings dann nur mit Glassubstraten, die diese Temperaturen aushalten. Ggf. können zusätzliche Diffusionsbarrieren vorgesehen sein, um die Diffusion von Verunreinigungen und Dotierungen vom Substrat in die Solarzelle oder innerhalb der Zelle zu verhindern.
  • Die Laserfluenzen liegen je nach Schichtdicke und Wellenlänge bei ungefähr 150–500 mJ/cm2 für dünne Keimschichten und das Verfahren mit „self propagating liquid layer" sowie bei ~ 500–1500 mJ/cm2 für die Kristallation dickerer Schichten (100–500 nm) im „complete melting" oder „near complete melting" Bereich wobei sich „complete melting" auf die a-Si-Schicht und nicht auf eine vorher kristallisierte darunterliegende μc-Si oder PECVD a-Si-Schicht bezieht.
  • Besonders vorteilhaft für hohen Durchsatz und geringe Produktionskosten der Durchlaufbeschichtungsanlage ist es auch die Laserstrahlung nach Reflektion an der a-Si oder geschmolzenen Si Schicht mittels Spiegeln wieder auf dieselbe Stelle zurückzureflektieren, um die Leistung zu erhöhen bzw. die erforderliche Laserleistung bei gleichen Prozessbedingen zu verringern. Aufgrund der hohen Reflektivität des geschmolzenen Siliziums ~ 50% je nach Einfallswinkel und Wellenlänge ist durch dieses „Beam Recycling" eine Steigerung der Effizienz der Anlage möglich.
  • Die Erfindung betrifft weiter nach dem Patentanspruch 40 ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziumtandemsolarzelle mit wenigstens einer auf amorphem Silizium basierenden Solarzelle und wenigstens einer auf kristallinem Silizium basierenden Solarzelle, welche übereinander angeordnet sind, mit folgenden zwei Verfahrensschritten:
    • A) Bereitstellung einer auf amorphem Silizium basierenden Solarzelle auf einem transparenten Substrat und
    • B) Herstellung einer auf kristallinem Silizium basierenden Solarzelle.
  • Der Verfahrensschritt B) umfasst dabei erfindungsgemäß folgende Verfahrensteilschritte:
    • aa) Bereitstellen oder Aufbringen einer p-dotierten oder in einer alternativen Ausführung n-dotierten wahlweise amorphen oder kristallinen Siliziumschicht,
    • bb) optional Bereitstellen oder Aufbringen einer Keim- und/oder Pufferschicht aus intrinsischem kristallinem Silizium,
    • cc) Abscheidung einer amorphen Siliziumschicht mit Hilfe eines physikalischen, Gasphasenprozesses,
    • dd) Kristallisation der mit Hilfe des physikalischen Gasphasenprozesses hergestellten amorphen Siliziumschicht mit Hilfe eines Laserkristallisationsprozesses,
    • ee) optional mehrfache Wiederholung der Verfahrensteilschritte cc) und dd) ff) optional Aufbringen oder Bereitstellen einer n-dotierten Siliziumschicht oder in der alternativen Ausführung p-dotierten wahlweise amorphen oder kristallinen Siliziumschicht
    • gg) wahlweise Kristallisation der amorphen n-dotierten oder in der alternativen Ausführung p-dotierten Siliziumschicht mit einem Laserkristallisationsprozess.
    • hh) Abscheidung eines leitenden Kontaktes.
  • Optional kann nach der letzten Laserkristallation und/oder nach Fertigstellung der auf kristallinem Silizium basierenden Solarzelle eine Wasserstoffpassivierung durchgeführt werden.
  • Die Verfahrensteilschritte cc) bis ee) werden erfindungsgemäß vorzugsweise nach dem in den vorausgegangenen Abschnitten beschriebenen Verfahren durchgeführt.
  • Der Verfahrensschritt A) umfasst in einer vorteilhaften Ausführungsvariante folgende Verfahrensteilschritte:
    • i) Abscheidung einer transparenten leitfähigen Schicht auf dem transparenten Substrat,
    • ii) Abscheidung einer p-dotierten oder in einer alternativen Ausführung n-dotierten amorphen Siliziumschicht,
    • iii) wahlweise Abscheidung einer intrinsischen amorphen Siliziumschicht,
    • iv) Abscheidung einer n-dotierten amorphen Siliziumschicht oder in der alternativen Ausführung p-dotierten Siliziumschicht.
  • Eine erfindungsgemäße Tandem- oder Multisolarzelle bevorzugter Ausführung mit wenigstens einer auf amorphem Silizium basierenden Solarzelle und wenigstens einer auf nano-, mikro-, poly- oder mikrokristallinem Silizium basierenden Solarzelle, welche monolithisch übereinander angeordnet sind, wobei die auf kristallinem Silizium basierende Solarzelle eine intrinsische Siliziumschicht aufweist ist dadurch gekennzeichnet, dass die intrinsische Siliziumschicht Kristallite mit Korndurchmessern zwischen 20 nm und 5 μm aufweist.
  • Die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung näher beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile der in den unterschiedlichen Figuren dargestellten Vorrichtungen sind mit identischen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
  • 1: eine Prinzipdarstellung einer Durchlaufbeschichtungsanlage nach der Erfindung zum Beschichten eines Substrats und nachfolgenden Laserkristallisieren der abgeschiedenen Schicht,
  • 2: das Substrat in der Durchlaufbeschichtungsanlage nach der 1 von unten,
  • 3: eine erfindungsgemäße Durchlaufbeschichtungsanlage mit einer ersten Ausführungsvariante einer Laserkristallisationseinrichtung,
  • 4: eine erfindungsgemäße Durchlaufbeschichtungsanlage mit einer zweiten Ausführungsvariante einer Laserkristallisationseinrichtung,
  • 5: eine erfindungsgemäße Durchlaufbeschichtungsanlage mit einer dritten Ausführungsvariante einer Laserkristallisationseinrichtung,
  • 6: eine erfindungsgemäße Durchlaufbeschichtungsanlage mit einer vierten Ausführungsvariante einer Laserkristallisationseinrichtung,
  • 7: eine erfindungsgemäße Durchlaufbeschichtungsanlage mit einer fünften Ausführungsvariante einer Laserkristallisationseinrichtung,
  • 8: eine a:Si/μc-Si-Tandemsolarzelle nach der Erfindung,
  • 9: ein erstes Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der kristallinen Siliziumzelle der Tandemsolarzelle nach der 8,
  • 10: ein zweites Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der kristallinen Siliziumzelle der Tandemsolarzelle nach der 8,
  • 11: ein drittes Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der kristallinen Siliziumzelle der Tandemsolarzelle nach der 8,
  • 12: ein viertes Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der kristallinen Siliziumzelle der Tandemsolarzelle nach der 8,
  • 13: ein fünftes Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der kristallinen Siliziumzelle der Tandemsolarzelle nach der 8,
  • 14: ein sechstes Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der kristallinen Siliziumzelle der Tandemsolarzelle nach der 8,
  • 15: ein siebtes Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der kristallinen Siliziumzelle der Tandemsolarzelle nach der 8.
  • Die 1 und 2 zeigen den grundsätzlichen Aufbau einer Durchlaufbeschichtungsanlage 100 nach der Erfindung aus unterschiedlichen Blickwinkeln. Die 1 zeigt eine Seitenansicht (yz-Ebene), die 2 eine Ansicht von unten (xy-Ebene). Die Durchlaufbeschichtungsanlage 100 ist als Vakuumanlage ausgeführt und umfasst demzufolge eine Vakuumkammer 110. Die Vakuumkammer 110 hat eine Zuführöffnung 102 und eine gegenüberliegend angeordnete Abführöffnung 104. An Zuführ- und/oder Abführöffnung 102, 104 kann sich jeweils ein Schleusensystem und/oder eine weitere Prozesskammer, insbesondere eine weitere Vakuumkammer anschließen (nicht dargestellt).
  • Weiterer Bestandteil der in den 1 und 2 dargestellten Durchlaufbeschichtungsanlage 100 ist ein Substrathalter 108 mit Transportrollen. Der Substrathalter 108 dient einerseits zur Ablage eines Substrates 106 und andererseits auch als Transportvorrichtung, um das Substrat 106 mit einer Kantenlänge l und einer Breite b von der Zuführöffnung 102 in Durchlaufrichtung 136 zur Abführöffnung 104 zu transportieren.
  • Unterhalb des Substrathalters 108 ist ein Verdampfertiegel 116 einer Elektronenstrahlverdampfungseinrichtung 112 angeordnet. Es wird angenommen, dass sich in dem Verdampfertiegel 116 Silizium 118 befindet, welches sich mittels des Elektronenstrahls 114 verdampfen lässt und sich in einem weitgehend gerichteten Dampfstrahl 120 auf der dem Tiegel 116 zugewandten Oberfläche 126 des Substrats 106 niederschlägt. Anstelle der Elektronenstrahlverdampfungseinrichtung 112 könnte auch eine Kathodenzerstäubungseinrichtung vorgesehen sein, wobei sich diese wohl eher oberhalb des Substrats 106 befinden würde.
  • Aus den Zeichnungsfiguren 1 und 2 ergibt sich, dass der Dampfstrahl 120 nur auf eine Teilfläche 130 der Oberfläche 126 des Substrats 106 gerichtet ist. Da das Substrat 106 in Durchlaufrichtung 136 bewegt wird, nimmt die von der Einrichtung 112 auf das Substrat 106 abgeschiedene Schichtdicke innerhalb der Teilfläche 130 von der der Zuführöffnung 102 zugewandten Seite des Substrats 106 zu der der Abführöffnung 104 zugewandten Seite der Teilfläche 130 (bei konstanter Durchlaufgeschwindigkeit linear) zu. Auf dem bereits aus dem Dampfstrahl 120 ausgetretenen Teil des Substrats 106 befindet sich eine Schicht, die bereits die Endschichtdicke erreicht hat. Die entsprechende bereits vollständig beschichtete Teilfläche ist in der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 134 gekennzeichnet.
  • Weiterhin sind in der Zeichnung zwei Effusionszellen 138, 144 zur Dotierung mit Phosphor (n-Leitung) oder Bor (p-Leitung) dargestellt. Die Effusionszellen 138, 144 sind nicht notwendiger Bestandteil der Anlage. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel können sie optional zugeschaltet werden. Sie sind entweder elektrisch oder mit Hilfe eines Elektronenstrahls beheizt. Die Effusionszellen 138, 144 sind so ausgelegt, dass die dotierenden Fremdatome mittels geometrischer Abschattung und Spaltbegrenzung 140, 146 in räumlich eng begrenzten Dampfstrahlen 142, 148 auf schmale (wenige Zentimeter breite) Teilabschnitte des Substrats treffen. Quer zur Durchlaufrichtung 136 haben die Effusionszellen 138, 144 etwa die Breite b des Substrats 106.
  • Erfindungsgemäß ist ein Laserkristallisationssystem 122 vorgesehen. Die optischen Komponenten dieses Laserkristallisationssystems 122 befinden sich außerhalb der Vakuumkammer 110. Dieses Laserkristallisationssystem 122 emittiert einen Laserstrahl 124. Dieser Laserstrahl 124 ist durch ein Kammerfenster 128 in der Vakuumkammer 110 auf eine nachfolgend als Unterteilfläche 132 bezeichnete Stelle der Oberfläche 126 des Substrats 106 gerichtet. Diese Unterteilfläche 132 ist Teil der sich in dem gerichteten Dampfstrahl 120 und ggf. der sich in den gerichteten Dampfstrahlen 142, 148 befindenden momentan beschichteten Teilfäche 130 der Oberfläche 126 des Substrats 106.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Laserstrahl 124 durch eine geeignete Bewegung des Substrates 106 und/oder eine geeignete Bewegung des Laserstrahls 124 während der Schichtabscheidung mehrmals über die gleichzeitig beschichtete Teilfläche 130 geführt wird und/oder das Material zumindest aber einen Teil seiner Schichtdicke aufschmilzt. Beim Abkühlen des aufgeschmolzenen Materials erfolgt eine Kristallisation zu einer Schicht mit einer fein- oder grobkörnigen Struktur, i. e. Si-Kristallite getrennt durch Korngrenzen.
  • Die 3 zeigt eine erfindungsgemäße Beschichtungsanlage 200 mit einer ersten Ausführungsvariante eines Laserkristallisationssystems 122. Der Prinzipdarstellung entnimmt man eine Vakuumkammer 110 mit Zu- und Abführöffnung 102, 104 sowie Kammerfenster 128.
  • Bestandteile der Anlage 200 sind neben dem Laserkristallisationssystem 122 eine hier nicht dargestellte Transportvorrichtung sowie eine ebenfalls nicht dargestellte PVD-Beschichtungseinrichtung (ggf. mit Effusionszelle(n)) der in den 1 und 2 gezeigten Art.
  • Das Laserkristallisationssystem 122 umfasst in dieser Ausführungsvariante nach der 3 drei Laser 202, 204, 206. Diese emittieren Laserstrahlen 254, 256, 258 mit einer Leistung von 300 Watt, einer Pulsfrequenz von 300 Hertz und einer Laserenergie von einem Joule pro Puls.
  • Die Laserstrahlen 254, 256, 258 werden jeweils auf zweidimensionale einstufige Homogenisierer 208, 210, 212 gerichtet. Die von den Homogenisierern 208, 210, 212 ausgangsseitig austretenden homogenisierten Laserstrahlen 260, 262, 264 treffen jeweils auf so genannte Quadprismen 214, 216, 218 wo sie jeweils in vier Teilstrahlen mit entsprechend verringerter Leistung unterteilt werden. Vier dieser unterteilten Laserstrahlen, sind exemplarisch mit den Bezugszeichen 264, 266, 268 und 270 versehen. Diese zwölf unterteilten Laserstrahlen 264, 266, 268, 270 werden jeweils über jeweils zwei Galvospiegel 230, 232 aufweisende zweidimensionale Galvoscanner 228 und ein in der Kammerfensterebene angeordnetes Objektiv 238 auf die Oberfläche 226 des Substrats 106 gerichtet. Die Drehachsen 234, 236 der Galvospiegel 230, 232 sind derart zueinander orientiert, dass der jeweilige von dem Galvoscanner 228 abgelenkte Laserstrahl 240, 242, 272, 274, 276, 278 in Substratlängsrichtung 244 und in Substratquerrichtung 246 über die Oberfläche 226 des Substrats 106 bewegt werden kann.
  • Jeder der zwölf Laserstrahlen 240, 242, 272, 274, 276, 278 erzeugt bei einem Arbeitsabstand von 50 cm auf der Oberfläche 226 des Substrats 106 jeweils eine Spotgröße von im Beispiel 7 cm × 7 cm. Jeder Laserspot kann über ein Teilfeld 248, 250, 252 von 20 cm × 20 cm der Oberfläche 126 des Substrats 226 geführt werden.
  • Für das später beschriebene SLS2- oder TDX2-Verfahren zur Erzeugung größerer Kristallite mit weniger Korngrenzen pro cm2 zu Beginn der Laserkristallisation auf einer PECVD-a-Si Schicht ist eine Linienfokussierung des Laserstrahls in orthogonalen Richtungen nacheinander, z. B. in x- und y-Richtungen, notwendig. Dies ist mit dem optischen System nach 3 möglich durch Aufteilung des Laserstrahls und Herstellung unterschiedlicher Strahlprofile mit mehreren Homogenisierern, i. e. ein Homogenisierer für den Linienfokus in x-Richtung (Scanrichtung x u. y) ein weiterer Homogenisierer für den Linienfokus in y-Richtung (Scanrichtung x u. y) sowie einen Homogenisierer für das beschriebene quadratische Laserprofil. Allerdings sind Drehung um die Strahlrichtung eines Homogenisierers, insbesondere bei Kombination von SLS und ELA oder Drehung des Strahlprofils mittels Prismen oder Planspiegel möglich. In jedem Fall muss die Laserleistungsaufteilung der Laser den Prozessanforderungen der Einzelprozesse angeglichen werden. Alternativ kann das SLS2-Verfahren mit SLS-Schlitzmasken durchgeführt werden, allerdings bei geringerer Effizienz. Alternativ und abweichend vom Durchlaufkonzept ist eine Drehung des Substrats zur Implementierung des SLS2- oder TDX2-Verfahrens möglich.
  • Die 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Durchlaufbeschichtungsanlage 300 nach der Erfindung. Schematisch ist wiederum die Vakuumkammer 110 mit Zuführöffnung 102 und Abführöffnung 104 eingezeichnet. Im Innern der Vakuumkammer 110 befindet sich wiederum ein Substrat 106, welches in Durchlaufrichtung 136 mit Hilfe einer nicht dargestellten Transportvorrichtung von der Zuführöffnung 102 zur Abführöffnung 104 bewegt werden kann. Innerhalb der Vakuumkammer 110 ist wiederum eine PVD-Beschichtungseinrichtung (nicht dargestellt) angeordnet. Im vorliegenden Fall wird von einer oberhalb des Substrats 106 angeordneten jedoch nicht eingezeichneten Sputtereinrichtung ausgegangen.
  • Durch ein nicht dargestelltes Kammerfenster 128 im Deckel der Vakuumkammer 110 ist eine Beleuchtung der Substratoberfläche 320 durch von einer Laserkristallisationseinrichtung 122 erzeugte Laserspots 132 möglich.
  • Die Laserkristallisationseinrichtung 122 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Laser 302, 304, 306 mit einer Leistung von jeweils 300 Watt, einer Repetitionsrate von 300 Hertz und einer Pulsenergie von 1 Joule. Die Laser 302, 304, 306 sind synchronisiert und derart intermittierend gepulst, dass die Anordnung mit einer effektiven Gesamtpulsrate von 900 Hertz die Oberfläche des Substrats 106 beleuchtet.
  • Die von den drei Laser 302, 304, 306 emittierten Laserstrahlen 308, 310, 312 werden eingangsseitig einem zweidimensionalen einstufigen Homogenisierer 314 zugeführt. Der von dem Homogenisierer 314 homogenisierte Laserstrahl 322 wird mit Hilfe eines in einer Pupillenebene 318 (die Feldebene befindet sich auf der Substratoberfläche) angeordneten Dachprismas 316 in zwei Teilstrahlen 324, 326 mit entsprechend reduzierter Laserleistung unterteilt und in unterschiedliche Richtungen abgelenkt.
  • Jeder Teillaserstrahl 324, 326 wird über einen eindimensionalen Galvoscanner 328, 330 auf Abbildungsobjektiv 332, 334 gerichtet, welches auf dem Substrat 106 ein Laserstrahlprofil 132 erzeugt. Die Laserstrahlprofilgröße auf dem Substrat 106 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel 10 cm × 10 cm. Die Galvoscanner 328, 330 ermöglichen jeweils eine Bewegung der Laserstrahlprofile 132 in und entgegen der Durchlaufrichtung 136. Die entsprechenden Bewegungsrichtungen sind in der Zeichnung durch mit den Bezugszeichen 336, 338 versehene Pfeile angedeutet. Jedes der beiden Laserstrahlprofile 132 kann dabei die halbe Substratlänge l abscannen. Um die Laserstrahlprofile 132 auf jede Stelle der Substratsoberfläche richten zu können, ist es nach der Erfindung vorgesehen, das Substrat 106 selbst senkrecht zur Durchlaufrichtung 136 hin- und herbewegen zu können. Die Möglichkeit der Hin- und Herbewegung ist in der Zeichnung wiederum mit Hilfe eines Doppelpfeils 346 verdeutlicht.
  • Auch mit der Anlage nach 4 ist es möglich verschiedene Prozesse wie SLS, SLS2 und ELA durch Drehung des Strahlprofils (Homogenisierer), die Erzeugung unterschiedlicher Strahlprofile (z. B. linienförmig und rechteckig) und/oder das Bereitstellen unterschiedlicher Verteilungen der Laserleistung auf die beiden Scanner 328, 330 z. B. durch Verschiebung des Dachprismas 316 simultan durchzuführen.
  • Die 5 zeigt eine weitere Durchlaufbeschichtungsanlage 400 mit einer dritten Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Laserkristallisationseinrichtung 122.
  • Die Durchlaufbeschichtungsanlage 400 umfasst wieder eine Vakuumkammer 110 mit einer Zufuhröffnung 102 über welches ein Substrat 106 in Durchlaufrichtung 136 zugeführt werden kann und mit einer Abführöffnung 104 über welche das Substrat 106 in Durchlaufrichtung 136 entnommen werden kann. Bestandteil der Durchlaufbeschichtungsanlage 400 ist wiederum eine nicht dargestellte PVD-Beschichtungseinrichtung, welche ober- oder unterhalb des Substrats 106 angeordnet sein kann. Soweit ist die Durchlaufbeschichtungseinrichtung 400 identisch mit der gemäß der 4.
  • Als weiterer Bestandteil der Durchlaufbeschichtungsanlage 400 ist in der Zeichnungsfigur 5 eine dritte Ausführungsvariante einer Laserkristallisationseinrichtung 122 eingezeichnet. Diese Laserkristallisationseinrichtung 122 umfasst wie im vorherigen Ausführungsbeispiel drei Laser 402, 404, 406 mit einer Leistung von 300 Watt, einer Repetitionsrate von 300 Hertz und einer Pulsenergie von 1 J/Puls. Die Laser 402, 404, 406 sind synchronisiert und emittieren Laserpulse jeweils in zeitlichem Abstand von 1/3 der Gesamtperiodendauer eines Lasers 402, 404, 406. Die von diesen Laser 402, 404, 406 emittierten Laserstrahlen 408, 410, 412 sind wiederum auf einen zweidimensionalen ein- oder zweistufigen Homogenisierer 414 gerichtet. Der von diesem Homogenisierer 414 homogenisierte Laserstrahl 416 trifft nachfolgend auf ein in einer zu der auf der Substratfläche angenommenen Feldebene korrespondierenden Pupillenebene 420 angeordnetes Dachprisma 418. Dieses Dachprisma 418 unterteilt den homogenisierten Laserstrahl 416 in zwei Teillaserstrahlen 428, 430 und lenkt diese jeweils in unterschiedliche Richtungen ab. Beide Teillaserstrahlen 428, 430 treffen jeweils auf eine Strahlaufweitungseinrichtung 424, 426. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind exemplarisch anamorphotische Linsen mit einer Länge von 20 cm vorgesehen. Die aufgeweiteten Laserstrahlen 432, 434 treffen wiederum auf jeweils ein im oberen oder unteren Teil der Vakuumkammer 110 eingelassenen Kammerfenster 128 angeordnetes Zylinderlinsenobjektiv (oder alternativ auf ein Zylinderspiegelobjektiv) mit jeweils zwei hintereinander angeordneten Zylinderlinsen 436, 438 sowie 440, 442. Diese Zylinderlinsenobjektive bilden den jeweiligen homogenisierten Laserstrahl 432, 434 verkleinert, jeweils eine lang gestreckte Beleuchtungslinie mit definiertem homogenisierten Strahlprofil 444, 446 bildend auf die Oberfläche 126 des Substrats 106 ab.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht die Länge einer Beleuchtungslinie 444, 446 gerade der halben Substratslänge l in Durchlaufrichtung 136. In der Praxis werden die Längen der Beleuchtungslinien 444, 446 gerade so gewählt werden, dass sie zusammen der Länge der Teilfläche 130 der Oberfläche des Substrats 106 entsprechen, welche dem Dampfstrahl 120 der PVD-Einrichtung 112 ausgesetzt ist. Die Breite der auf die Substratoberfläche fokussierten Beleuchtungslinien 444, 446 beträgt 50 μm bei einem Arbeitsabstand von 50 cm. Um die gesamte Oberfläche 126 des Substrats 106 der Laserstrahlung der beiden Beleuchtungslinien 444, 446 auszusetzen, ist das Substrat 106 wiederum senkrecht zu seiner Durchlaufbewegungsrichtung 136 über seine ganze Breite b hin- und herbewegbar. Die Bewegbarkeit ist wiederum mit Hilfe eines durch das Bezugszeichen 448 gekennzeichneten Doppelpfeils angedeutet.
  • Die 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Durchlaufbeschichtungsanlage 500. Wie in den vorher beschriebenen Beispielen ist wiederum deren Vakuumkammer 110 mit Zufuhr- 102 und Abfuhröffnung 104 sowie die Laserkristallisationseinrichtung 122 schematisch skizziert. Die Bewegungsrichtung des Substrats 106 ist erneut mit Hilfe eines mit dem Bezugszeichen 136 gekennzeichneten Pfeils angedeutet. Nicht gezeichnet ist eine ebenfalls vorhandene PVD- Beschichtungseinrichtung und ein Kammerfenster, durch welches die Oberfläche 126 des Substrats 106 mittels eines Laserstrahls kristallisiert wird.
  • Die Laserkristallisationseinrichtung 122 umfasst wiederum drei Laser 502, 504, 506 mit je 300 Watt Leistung, 300 Hertz Pulsfrequenz und 1 J/Puls Laserenergie. Die von diesen Laser 502, 504, 506 emittierten Laserstrahlen 508, 510, 512 werden unabhängig voneinander mit Hilfe entsprechender zweidimensionaler ein- oder zweistufiger Homogenisierer 514, 516, 518 homogenisiert und nach deren Homogenisierung jeweils einem Ablenkspiegel 520, 522, 524 zugeführt. Diese Ablenkspiegel 520, 522, 524 weiten die Laserstrahlen 532, 534, 536 auf die Größe einer in dem Kammerfenster 128 befindlichen Zylinderlinsenanordnung 526 auf. Diese Zylinderlinsenanordnung 526 fokussiert die Laserstrahlen 532, 534, 536 zu äquidistant angeordneten Linien in der Feldebene 530 auf dem Substrat. Zu diesem Zweck umfasst die Zylinderlinsenanordnung 526 14 x 6 = 84 Zylinderlinsen. Die 84 Zylinderlinsen sind derart unterschiedlich gekrümmt, dass sämtliche Foki in der Substratebene dieselbe geometrische Gestalt und dasselbe Intensitätsprofil, nämlich ein 20 cm × 36 μm homogenes Linienprofil aufweisen. Diese Ausführungsvariante zeichnet sich dadurch aus, dass keine beweglichen Teile vorhanden sind und dass die Anlage leicht skalierbar ist. Es ist lediglich ein großes Kammerfenster erforderlich und die Abmessungen der Anlage im Gesamten sind relativ groß.
  • Die 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Durchlaufbeschichtungsanlage 700. Der Zeichnungsfigur entnimmt man wiederum die Vakuumkammer 110 mit Zufuhröffnung 102 und Abfuhröffnung 104 für das Substrat 106, sowie mit einem Kammerfenster 128, durch welches Laserlicht zur Kristallisation einer auf dem Substrat 106 abgeschiedenen Schicht eingekoppelt werden kann. Das Substrat 106 wird von einer hier nicht dargestellten Transporteinrichtung in y-Richtung von der Zufuhröffnung 102 zur Abfuhröffnung 104 transportiert. Die Bewegungsrichtung ist der 7 mit einem mit dem Bezugszeichen 136 gekennzeichneten Pfeil kenntlich gemacht.
  • Nicht dargestellt ist hier das PVD-Beschichtungssystem, welches ähnlich der in der 1 dargestellten Ausführungsvariante eine Mehrzahl in x-Richtung angeordneter Elektronenstrahlverdampfungseinrichtungen 112 umfassen kann.
  • Eingezeichnet ist in dem vorliegenden Fall die Laserkristallisationseinrichtung 122. Diese umfasst zwei Laser 702, 704, die auch unterschiedliche Lasertypen sein können, i. e.
  • Excimerlaser und DPSSL (Diode Pumped Solid State Laser), CW oder gepulste Laser mit verschiedenen Wellenlängen. Die von den Lasern 702, 704 emittierten Laserstrahlen 706, 708 werden mit Hilfe von Homogenisierern 710, 712 homogenisiert und mit Hilfe einer hier nicht dargestellten Optik in x-Richtung aufgeweitet. Die aufgeweiteten Laserstrahlen 718, 720 werden mit Hilfe von Ablenkspiegeln 714, 716 auf das Substrat 106 gerichtet.
  • Eine hier ebenfalls nicht dargestellte Fokussieroptik vor dem Kammerfenster 128 fokussiert die abgelenkten Laserstrahlen 726, 728 auf die Oberfläche des Substrats 106.
  • Die beiden Ablenkspiegel 714, 716 sind in y-Richtung linear bewegbar. Die lineare Bewegbarkeit ist in der Zeichnungsfigur jeweils durch einen mit den Bezugszeichen 722, 724 gekennzeichneten Doppelpfeil angedeutet. Die durch das Kammerfenster 128 auf das Substrat gerichteten Laserstrahlen 726, 728 können mit Hilfe dieser linear bewegbaren Ablenkspiegel 714, 716 während der Beschichtung auf unterschiedliche Stellen der Oberfläche des Substrats 106 gerichtet werden.
  • Die nachfolgend dargestellte Tabelle 1 fasst die unterschiedlichen Möglichkeiten zusammen, einen Laserstrahl über die gesamte Substratoberfläche zu führen.
  • Tabelle 1: Mechanische Anordnungen zur Beleuchtung unterschiedlicher Stellen auf einem eine erfindungsgemäße Durchlaufbeschichtungsanlage durchlaufenden Substrat
    Figure 00260001
  • Die erste Zeile und die erste Spalte der Tabelle 1 geben jeweils die Einrichtung zur Bewegung des Laserstrahls in der entsprechenden Richtung an. Es wird davon ausgegangen, dass die Durchlaufrichtung des Substrats die y-Richtung ist.
  • Zusammenfassend kann der Laserstrahl in jeder Raumrichtung x oder y unbeweglich sein (Spalte 2, Zeile 2), mit Hilfe eines mechanischen Linearscanners (Spalte 3, Zeile 3) Vorzugweise linear bewegt werden oder mit Hilfe eines Winkelscanners (Spalte 4, Zeile 4) unter unterschiedlichen Winkeln auf das Substrat gerichtet werden. Lässt man die Bewegung des Substrats außer Acht, so ergeben sich durch Permutation neun Varianten zur Beleuchtung des Substrats.
  • Berücksichtigt man zusätzlich die Möglichkeit zur Bewegung des Substrats in x- und/oder y-Richtung (Bewegung nur in x-Richtung, Bewegung in x- und y-Richtung) verdoppelt sich die Anzahl der Varianten. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Substratoberfläche mit lediglich einem homogenisierten Laserprofil oder mit einer Vielzahl davon auszuleuchten.
  • Mit einer Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art lässt sich die kristalline Siliziumsolarzelle einer a-Si:H/μc-Si Tandemsolarzelle mit zum Beispiel der in der 8 nicht maßstabsgetreu dargestellten Struktur herstellen. Die in der 8 dargestellte Tandemzelle 800 umfasst eine sonnenlichtseitige (hν) obere a-Si:H-Solarzelle 812 und eine rückwärtige untere kristalline Siliziumsolarzelle 822. Die a-Si:H-Zelle 812 schließt unmittelbar an ein transparentes Substrat aus zum Beispiel Borosilikatglas 802 an. Als Frontelektrode dient eine 800 nm dicke SnO2-Schicht. An diese schließt sich eine pin-Struktur 806, 808, 810 mit Schichtdicken von ca. 10 nm, 250 nm und 30 nm an. Anstelle einer pin-Schichtfolge kann die a-Si-H-Zelle auch eine pn-Struktur aufweisen. Die rückwärtige Solarzelle 822 aus kristallinem Silizium ebenfalls in pin-Struktur schließt sich unmittelbar an die 30 nm dicke n-leitende Schicht 810 der a-Si:H-Solarzelle 812 an. Typische Dicken des p-, i- und n-Schichten sind 10 nm, 1,5 μm und 30 nm Die Rückelektrode wird durch eine Schichtfolge ZnO:Al, Ag/Al mit Schichtdicken von 800 nm bzw. 2 μm gebildet. Bei hoher Kristallinität und geringerer Korngrenzendichte ist auch eine pn- statt pin-Struktur der μc-Si Zelle möglich.
  • Die a-Si:H-Solarzelle 812 kann zum Beispiel wie folgt hergestellt werden: Auf das Glassubstrat 802 mit einer üblichen Schichtdicke von 1,4 mm wird zunächst die transparente Elektrode 804 z. B. mit Hilfe eines Kathodenzerstäubungsverfahrens aufgebracht. Vorzugsweise mit einem PECVD-Verfahren wird dann die 10 nm dicke und hoch p-dotierte Emitterschicht aufgetragen. Mit demselben Verfahren kann auch die etwa 250 nm dicke intrinsische a-Si:H-Schicht 808 und nachfolgend die n-dotierte Kollektor-Schicht 810 mit einer Dicke von 30 nm abgeschieden werden. Entsprechende Beschichtungsanlagen sind aus dem Stand der Technik in einer Vielzahl an Abwandlungen bekannt und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Eine derartige Anlage kann den vorstehend beschriebenen und skizzierten Durchlaufbeschichtungsanlagen 100, 200, 300, 400, 500, 700 unmittelbar über ein Schleusensystem eingangsseitig vorgeschaltet sein.
  • Es gibt verschiedenen Möglichkeiten, die auf kristallinem Material basierende zweite Solarzelle 822 der Tandemstruktur 800 in erfindungsgemäßer Weise durch PVD-Abscheidung einer amorphen Siliziumschicht und nachfolgende Laserkristallisation dieser Schicht herzustellen.
  • Ein erstes Verfahrensbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnungsfigur 9 erläutert. Die 9 zeigt den Schichtaufbau nach Fertigstellung der wasserstoffpassivierten amorphen Siliziumsolarzelle 812 (Schichtfolge: TCO 804, p-Si 806, i-Si 808, n-Si 810 auf Glas 802) mit Hilfe einer PECVD-Verfahrens und nach Abscheidung einer weiteren amorphen Siliziumschicht 827 auf die fertige a-Si:H Solarzelle mit Hilfe eines Hochraten-PVD-Verfahrens, wie z. B. Elektronenstrahlverdampfen oder Sputtern.
  • In einer ersten Variante wird davon ausgegangen, dass die amorphe Siliziumschicht 827 eine Schichtdicke aufweist, die der Gesamtschichtdicke der PIN-Struktur der kristallinen Siliziumsolarzelle, also etwa 1,5 μm entspricht. Die amorphe Siliziumschicht 827 kann im Bereich der n-dotierten a-Si-Schicht 810 bereits p-dotierende Fremdatome wie z. B. Bor aufweisen, welche während der Abscheidung der a-Si-Schicht mittels Hochraten PVD Verfahren aus zusätzlichen Effusionszellen (vgl. Erläuterungen zu den 1 und 2) mit abgeschieden wurden. In entsprechender Weise können während der Abscheidung der oberen Schichtlagen n-dotierende Atome, wie z. B. Phosphor, zugesetzt worden sein. Es ist auch möglich allerdings nicht kosteneffizient, die entsprechenden Dotierung der letzen n- Schicht nachträglich mit Hilfe eines Ionenimplantationsverfahrens durchzuführen. Die entsprechenden Bereiche der amorphen Siliziumschicht 827 sollen nach deren Kristallisation die p- bzw. n-leitenden Zonen der kristallinen Solarzelle 822 bilden.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Oberfläche dieser mittels PVD hergestellten a-Si-Schicht 827 mit einem Laserstrahl 834 vergleichsweise geringer Fluenz flächig zu beleuchten. Die Fluenz des Lasers wird dabei so gewählt, dass nur die oberen Schichtlagen der a-Si-Schicht 827 aufschmelzen. Beim Abkühlen dieser oberen Schichtlagen erfolgt je nach Abkühlungsrate und Unterkühlung der Schmelze eine Kristallisation zu feinkörnigem nano-kristallinem Silizium 828 (nc-Si). Die beim Kristallisationsprozess an der Grenzfläche nano-kristallines Silizium 828/Schmelze 830 frei werdende Kristallisationswärme der Phasenumwandlung wird über die Phasengrenze Schmelze 830/a-Si 832 abgeführt. Da die Schmelztemperatur Tm,c-Si von kristallinem Silizium etwa 1460°C beträgt und damit höher liegt als die Schmelztemperatur Tm,a-Si von amorphem Silizium, welche nur etwa 1200°C beträgt, wird das an der Phasengrenze Schmelze 830/a-Si 832 befindliche amorphe Silizium je nach Temparatur weiter aufgeschmolzen. Die Folge ist ein Fortschreiten der Schmelzzone 830 von der beleuchteten Oberfläche 829 in Richtung der a-Si-Zelle 812. Die Fluenz und Einwirkdauer des Laserstrahls 834 und dessen Wellenlänge, die die Absorptionslänge und damit das Temparaturprofil bestimmt, werden Vorteilhafterweise so gewählt, dass die Schmelzzone 830 gerade bis zur Grenzfläche zur amorphen Siliziumzelle 812 fortschreitet. Typische Laserfluenzen sind bei Verwendung eines langwelligen 532 nm-Lasers 100–1500 mJ/cm2 bei a-Si Schichtdicken von ~ 100–1500 nm. In der Regel ist es günstig, die aufzuschmelzende amorphe Siliziumschicht thermisch oder laserinduziert auf Temperaturen nahe des Schmelzpunktes zu erhitzen. Weiterhin kann der Wechsel von PECVD- zu PVD-Beschichtung auch nach der dünnen p-Schicht 814 erfolgen.
  • In einer zweiten Variante wird davon ausgegangen, dass die amorphe Siliziumschicht 827 eine Schichtdicke aufweist, die nur einen Bruchteil, z. B. 20 nm bis 100 nm der Gesamtschichtdicke der pin-Struktur der Siliziumsolarzelle entspricht. Unter entsprechender Anwendung des im vorigen Absatz beschriebenen Verfahrens kann eine Saatschicht zur Verhinderung von spontaner Nukleation mit vielen konkurrierenden Kristalliten und Korngrenzen oder eine Pufferschicht zur Begrenzung des Fortschreitens der Schmelzfront in die PECVD a-Si Zelle erzeugt werden. Auf diese kann mit demselben Abscheide- und Laserkristallisationsverfahren oder einem anderen, insbesondere einem der nachfolgend beschriebenen Verfahren, die übrige zur Bildung einer c-Si-Solarzelle erforderliche Schichtdicke abgeschieden werden. Es versteht sich für den Fachmann von selbst, dass das vorstehend beschriebene Verfahren auch wiederholt jeweils nach Abscheidung einer Schicht mit geeigneter Schichtdicke angewandt werden kann.
  • Ein zweites Verfahrensbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnungsfigur 10 beschrieben. Die 10 zeigt den Schichtaufbau nach Herstellung der wasserstoffpassivierten amorphen Siliziumsolarzelle 812 (Schichtfolge: TCO 804, p-Si 806, i-Si 808, n-Si 810 auf Glas 802) mittels PECVD-Verfahren (oder einem geeigneten anderen Verfahren) und nach Abscheidung einer Pufferschicht 814 aus nano-kristallinem Silizium. Die nc-Si-Schicht 814 wird bevorzugt in derselben Beschichtungsanlage und mit einem ähnlichen Prozess hergestellt, wie die einzelnen Schichten 806, 808, 810 der a-Si:H-Solarzelle 812. Geht man von einer mit Hilfe von PECVD hergestellten Einzelschichten aus, so ist es vorteilhaft, auch die Pufferschicht mit Hilfe eines PECVD-Prozesses herzustellen. Die möglichen Prozessparameter zur Herstellung einer nc-Si-Schicht mittels PEVD sind aus der Literatur hinreichend bekannt.
  • Die Dicke der Pufferschicht ist so gewählt, dass zum einen bei nachfolgenden Prozessschritten keine Zerstörung der darunter liegenden a-Si-Zelle 812 eintritt und dass zum anderen die Gesamtprozessdauer minimiert wird. Im Ausführungsbeispiel nach der 10 ist die Pufferschicht 814 in Dotierung und Dicke gerade so gewählt, dass sie bei fertig gestellter Tandemstruktur 800 gerade der p-Schicht 814 der pin-c-Si-Solarzelle 822 entspricht.
  • Auf diese Pufferschicht 814 wird dann wie bei dem Ausführungsbeispiel nach der 9 eine a-Si-Schicht 827 bei hoher Abscheiderate mittels eines PVD-Prozesses wie z. B. Kathodenzerstäubung aufgebracht. Die PVD-a-Si-Schicht 827 wird anschließend ganzflächig mit einem Laserstrahl 834 mit niedriger Fluenz beleuchtet, so wie dies in den obigen Abschnitten zur Zeichnungsfigur 9 beschrieben wurde. Es bildet sich eine von der Oberfläche 829 zur Pufferschicht 814 ausbreitende Schmelzzone 830 unter Bildung eines feinkörnigen nanokristallinen Films. Der Vorteil dieser Variante besteht darin, dass die Pufferschicht 814 als Barriere für die je nach Temparaturprofil mögliche weitere Ausbreitung der Schmelzzone 830 dient, da die Schmelztemperatur dieser kristallinen Schicht wieder um mehr als 200 K über der der amorphen Siliziumschicht liegt. Eine Vermischung der Schichten an der Grenzfläche Pufferschicht 814 und a-Si 832 findet praktisch nicht statt, sofern die unten liegende PECVD-nc-Si-Schicht 814 einen hinreichenden Kristallisationsgrad aufweist.
  • Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass der PECVD-Prozess zur Herstellung der p-dotierte nc-Si-Schicht 814 eine sehr präzise Prozesskontrolle erfordert, um den Anteil amorphen Materials in der Matrix der nc-Si-Schicht 814 hinreichend klein zu halten und um zu verhindern, dass eine Phasenmischung im Grenzflächenbereich auftritt, wenn die Schmelzzone 830 auf die Pufferschicht 814 trifft. Dies gilt umso mehr als Fluenz und Einwirkdauer des Laserstrahls 834 hinreichend groß gewählt werden müssen, um eine vollständige Durchkristallisation der a-Si-Schicht 832 zu gewährleisten auch wenn die Abscheiderate von Silizium während des PVD-Prozess gewissen Schwankungen unterliegt. In einem dritten Verfahrensbeispiel ist daher zur Erhöhung der Prozesstoleranz vorgesehen, nicht nur die p-Si-Schicht 814 mittels PECVD abzuscheiden, sondern darüber hinaus mehrere Nanometer, ggf. mehrere zehn Nanometer undotiertes nc-Silizium. Ein Durchmischen von i- und p-Zonen in nachfolgenden Prozessschritten wird dann effizient verhindert. Die 11 zeigt diesen Fall in Gegenüberstellung zu dem Verfahren nach der 10. Die dickere PECVD-nc-Si-Schicht ist in der Zeichnungsfigur mit dem Bezugszeichen 816 gekennzeichnet.
  • Ein viertes Verfahrensbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnungsfigur 12 erläutert. Die 12 zeigt ebenfalls den Schichtaufbau nach Fertigstellung der wasserstoffpassivierten amorphen Siliziumsolarzelle 812 (Schichtfolge: TCO 804, p-Si 806, i-Si 808, n-Si 810 auf Glas 802) und nach Abscheidung einer Pufferschicht 816 der im voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendeten Art, nämlich einer kristallinen p-Si-Schicht 814 und einer dünnen kristallinen i-Si-Schicht 834.
  • Abweichend von obigem Ausführungsbeispiel ist die i-Si-Schicht nicht so feinkörnig. Durch entsprechende Variation des SiH4:H-Verhältnisses während des PECVD-Prozesses zur Abscheidung der i-Si-Schicht können Kristallite mit Durchmessern von wenigen zehn Nanometern mit einer bevorzugten (110)-Oberflächennormalentextur erzeugt werden. Danach erfolgt die Abscheidung eines amorphen Siliziumfilms von z. B. etwa 50–100 nm Dicke mit Hilfe eines Hochraten-PVD-Verfahrens, wie z. B. Elektronenstrahlverdampfen oder Sputtern und nachfolgende Laserkristallisation mit hoher, die gesamte a-Si-Schichtdicke aufschmelzender Laserenergie so dass sich beim anschließenden Abkühlen eine epitaktische Kristallschicht bildet. Dieser Vorgang Abscheiden einer z. B. 100 nm dicken a-Si-Schicht und nachfolgendes vollständiges Aufschmelzen (engl.: „complete melting regime") durch Laserbeleuchtung 834 wird so lange wiederholt, bis die gewünschte Enddicke der Schicht 836 erreicht ist. Mit höherer Laserfluenz, längerer Pulsdauer und/oder langwelligeren Laser sind längere Abkühlzeiten der Schmelze und damit höhere Schichtdicken pro Kirstallisationsschritt möglich.
  • Anstelle eines epitaktischen Schichtwachstums kann auch ein nicht epitaktisches Schichtwachstum eine kristalline Schicht mit hinreichender Schichtqualität erzeugen. So kann z. B. das im Zusammenhang mit den 9 bis 11 beschriebene Verfahren mit der sich selbständig ausbreitenden Schmelzzone (engl.: „self-propagating liquid layer", geringe, Laserfluenz, langwelliger Laser, Vortemperierung) hinreichend gute Ergebnisse liefern. Als weiteres nicht epitaktisches Verfahren kann das sogenannte „partial melting"-Verfahren eingesetzt werden, bei dem die PVD-abgeschiedene Schicht nur teilweise über deren Dicke aufgeschmolzen wird und eine spontane Kristallisation zu sehr kleinen Nanokristalliten einsetzt. Ein hierzu verwandtes Verfahren ist das ebenfalls mögliche „nucleation regime", bei dem eine Kristallisation an eigens zugesetzten Nukleationszentren erfolgt. Bei den beiden zuletzt genannten Verfahren ist es nicht erforderlich, dass die Saatschicht 834 besonders große Kristallite aufweist. Eine besondere Anpassung der H-Konzentration an die SiH4-Konzentration zur Erhöhung der Kristallitgröße ist also nicht erforderlich. Die 13 zeigt zusammenfassend die Schichtstruktur entsprechend der 12 jedoch mit nicht epitaktischem Wachstum der oberen Schicht 836.
  • Ein sechstes Verfahrensbeispiel wird nunmehr anhand der 14 erläutert. Diese zeigt den Schichtaufbau der herzustellenden Tandemsolarzelle 800 nach Fertigstellung der wasserstoffpassivierten amorphen Siliziumsolarzelle 812 (Schichtfolge: TCO 804, p-Si 806, i-Si 808, n-Si 810 auf Glas 802) und nach Abscheidung einer dünnen amorphen Siliziumschicht 836 von etwa 50 nm bis 100 nm mittels eines PVD-Verfahrens wie Kathodenzerstäubung oder Elektronenstrahlverdampfen. Diese Siliziumschicht 836 wird mittels des in der Beschreibungseinleitung erwähnten SLS-Verfahrens kristallisiert. Bei diesem Verfahren wird pulsierend eine lineare Beleuchtungslinie 838', 838 von bis zu wenigen zehn Mikrometern Breite und mehreren Dezimetern Länge über die Oberfläche der zu kristallisierenden Schicht 854 geführt. Konkret erzeugt jeder zeitlich unmittelbar nachfolgende Laserpuls 838 eine Beleuchtungslinie auf der Oberfläche der Schicht 854, welche von der Beleuchtungslinie des zeitlich unmittelbar vorangehenden Laserpulses 838' um die Breite der Beleuchtungslinie 838', 838 verschoben ist. Die 14 zeigt den Strahlengang zweier unmittelbar zeitlich aufeinanderfolgender Laserpulse 840', 840 durch eine fokussierende Linse 842', 842. Die Bewegungsrichtung der Linse 842, 842' ist in der 14 mit einem mit dem Bezugszeichen 844 versehenen Pfeil angedeutet.
  • Jeder Laserpuls 838', 838 schmilzt die amorphe Siliziumschicht am jeweiligen Auftreffort über der gesamten Dicke des Films auf („complete melting regime"). Beim Abkühlen erstarrt und kristallisiert das aufgeschmolzene Material von den jeweiligen Rändern her. Die Kristallisationsrichtung ist in der Zeichnung mit Pfeilen 846 gekennzeichnet. Die in der Mitte der Linienbreite aufeinandertreffenden Kristallite 848', 848 bilden in Richtung der Schichtoberflächennormalen erhabene Korngrenzen 850', 850. Die bei diesem Verfahren entstehenden länglichen z. B. 3 μm langen Kristallite haben Abmessungen von etwa der halben Beleuchtungslinienbreite bei einer Breite von mehreren 100 Nanometern.
  • Führt man das Verfahren im Anschluss noch einmal quer zur Richtung 844 durch, so ergeben sich Kristallite von ca. 3 μm × 3 μm. Dieses Verfahren wird in der Literatur als SLS2-Verfahren bezeichnet. Nach Herstellung einer ersten Schicht mit großen Kristalliten ist weiteres epitaktische Schichtwachtum auch mit dem ELA-Verfahren im „complete melting regime" möglich.
  • Schichtabscheidung und nachfolgende Laserkristallisation mit dem ELA, SLS- bzw. dem SLS2-Verfahren erfolgen mehrmals bis die gewünschte Enddicke von etwa 1,5 μm erreicht ist.
  • Ein siebtes Verfahrensbeispiel wird nachfolgend anhand der 15 erläutert. Die 15 zeigt den Schichtaufbau der herzustellenden Tandemsolarzelle 800 nach Fertigstellung der wasserstoffpassivierten amorphen Siliziumsolarzelle 812 (Schichtfolge: TCO 804, p-Si 806, i-Si 808, n-Si 810 auf Glas 802) und nach Abscheidung einer dünnen amorphen Siliziumschicht 836 von etwa 50 nm bis 100 nm mittels eines PVD-Verfahrens wie Kathodenzerstäubung oder Elektronenstrahlverdampfen.
  • Anstelle des in der 14 skizzierten SLS-Verfahrens zeigt die 15 das sogenannte TDXTM-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird ähnlich dem SLS-Verfahren pulsierend eine lineare Beleuchtungslinie 838', 838 von wenigen Mikrometern Breite und mehreren Dezimetern Länge über die Oberfläche der zu kristallisierenden Schicht 854 geführt. Abweichend von dem SLS-Verfahren erzeugt jeder zeitlich unmittelbar nachfolgende Laserpuls 838 eine Beleuchtungslinie auf der Oberfläche der Schicht 854, welche von der Beleuchtungslinie des zeitlich unmittelbar vorangehenden Laserpulses 838' um weniger als die halbe Breite der Beleuchtungslinie 838', 838 verschoben ist. Die 15 zeigt den Strahlengang zweier unmittelbar zeitlich aufeinanderfolgender Laserpulse 840', 840 durch eine fokussierende Linse 842', 842. Die Bewegungsrichtung der Linse 842, 842' ist in der 15 mit einem mit dem Bezugszeichen 844 versehenen Pfeil angedeutet.
  • Jeder Laserpuls 838', 838 schmilzt die amorphe Siliziumschicht und die entsprechende bereits mittels des zeitlich vorausgehenden Laserpulses bereits kristallisierte Schicht am jeweiligen Auftreffort über der gesamten Dicke des Films auf („complete melting regime"). Beim Abkühlen erstarrt und kristallisiert das aufgeschmolzene Material wieder von den jeweiligen Rändern her. Da die kristallisierte Endschicht aus Teilschichten gebildet wird, welche in Richtung 846 der Bewegungsrichtung 844 des Laserstrahls 838', 838 kristallisiert sind, bilden sich in lateraler Richtung sehr lange Kristallite. Die bei diesem. Verfahren entstehenden Kristallite haben Abmessungen von mehreren 10 bis 100 Mikrometern bei einer Breite von mehreren 100 Nanometern.
  • Führt man das Verfahren im Anschluss noch einmal quer zur Richtung 844 durch, so ergeben sich Kristallite von erfindungsgemäß Ca. 10 × 10 μm bis 100 × 100 μm. Dieses Verfahren wird TDX2-Verfahren genannt. Wie beim SLS2 Verfahren kann das weitere Schichtwachstum durch Laserkristallisation mittels ELA, i. e. vertikale Kristallisation, oder mittels SLS oder TDX, i. e. laterale Krisallisation erfolgen bis die gewünschte Enddicke von etwa 1,5 μm erreicht ist.
  • Sämtliche mit den vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellten Schichten werden nach der Laserkristallisation vorzugsweise einer Wasserstoffpassivierung unterzogen.
  • Die n-Schicht 820 wird durch Verdampfung von Phosphor mittels Effusionszelle und geometrischer Abschottung zur Begrenzung des Beschichtungsbereichs auf wenige cm Breite in Durchlaufrichtung und anschließender Laserkristallisation hergestellt (vgl. 1).
  • Auf diese n-leitenden Schicht wird wiederum eine transparente Elektrode abgeschieden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird Aluminium dotiertes Zinkoxyd 824 aufgesputtert. Der metallische Rückflächenkontakt aus Ag/Al wird beispielsweise durch Elektronenstrahlverdampfung aufgebracht.
    • 100
    Durchlaufbeschichtungsanlage
    102
    Zuführöffnung
    104
    Abführöffnung
    106
    Substrat
    108
    Substrathalter mit Transportrollen
    110
    Vakuumkammer
    112
    Elektronenstrahlverdampfungseinrichtung
    114
    Elektronenstrahl
    116
    Verdampfertiegel
    118
    Silizium
    120
    gerichteter Dampfstrahl
    122
    Laserkristallisations(beleuchtungs)system
    124
    Laserstrahl
    126
    Oberfläche des Substrats
    128
    Kammerfenster
    130
    momentan beschichtete Teilfläche
    132
    momentan beleuchtete Unterteilfläche, Laserstrahlprofil
    134
    bereits beschichtete Teilfläche
    136
    Durchlaufrichtung
    138
    Effusionszelle
    140
    Spalt
    142
    Dampfstrahl
    144
    Effusionszelle
    146
    Spalt
    148
    Dampfstrahl
    200
    Durchlaufbeschichtungsanlage
    202
    Laser
    204
    Laser
    206
    Laser
    208
    zweidimensionaler Einstufenhomogenisierer
    210
    zweidimensionaler Einstufenhomogenisierer
    212
    zweidimensionaler Einstufenhomogenisierer
    214
    Quadprisma
    216
    Quadprisma
    218
    Quadprisma
    220
    Pupillenebene
    222
    Pupillenebene
    224
    Pupillenebene
    226
    Feldebene
    228
    zweidimensionaler Galvoscanner
    230
    Galvospiegel
    232
    Galvospiegel
    234
    Drehachse
    236
    Drehachse
    238
    Scanobjektiv
    240
    Laserstrahl
    242
    Laserstrahl
    244
    erste Scanrichtung
    246
    zweite Scanrichtung
    248
    Feld
    250
    Feld
    252
    Feld
    254
    Laserstrahl
    256
    Laserstrahl
    258
    Laserstrahl
    260
    homogenisierter Laserstrahl
    262
    homogenisierter Laserstrahl
    262
    homogenisierter Laserstrahl
    264
    unterteilter Laserstrahl
    266
    unterteilter Laserstrahl
    268
    unterteilter Laserstrahl
    270
    unterteilter Laserstrahl
    272
    in Feldebene abgebildeter Laserstrahl
    274
    in Feldebene abgebildeter Laserstrahl
    276
    in Feldebene abgebildeter Laserstrahl
    278
    in Feldebene abgebildeter Laserstrahl
    300
    Durchlaufbeschichtungsanlage
    302
    Laser
    304
    Laser
    306
    Laser
    308
    Laserstrahl
    310
    Laserstrahl
    312
    Laserstrahl
    314
    zweidimensionaler Einstufenhomogenisierer
    316
    Dachprisma
    318
    Pupillenebene
    320
    Feldebene
    322
    homogenisierter Laserstrahl
    324
    unterteilter und abgelenkter Laserstrahl
    326
    unterteilter und abgelenkter Laserstrahl
    328
    eindimensionaler Galvoscanner
    330
    eindimensionaler Galvoscanner
    332
    Scanobjektiv
    334
    Scanobjektiv
    336
    Scanrichtung des Galvoscanners
    338
    Scanrichtung des Galvoscanners
    340
    Feld
    342
    Feld
    344
    Feld
    346
    Scanrichtung des Substrathalters
    400
    Durchlaufbeschichtungsanlage
    402
    Laser
    404
    Laser
    406
    Laser
    408
    Laserstrahl
    410
    Laserstrahl
    412
    Laserstrahl
    414
    zweidimensionaler Zweistufenhomogenisierer
    416
    homogenisierter Laserstrahl
    418
    Dachprisma
    420
    Pupillenebene
    422
    Feldebene
    424
    anamorphotisches Objektiv
    426
    anamorphotisches Objektiv
    428
    unterteilter und abgelenkter Laserstrahl
    430
    unterteilter und abgelenkter Laserstrahl
    432
    in einer Richtung aufgeweiteter und in einer Richtung fokussierter Laserstrahl
    434
    in einer Richtung aufgeweiteter und in einer Richtung fokussierter Laserstrahl
    436
    Zylinderlinse
    438
    Zylinderlinse
    440
    Zylinderlinse
    442
    Zylinderlinse
    444
    Beleuchtungslinie mit kurzer und langer Achse
    446
    Beleuchtungslinie mit kurzer und langer Achse
    448
    Scanrichtung des Substrathalters
    500
    Durchlaufbeschichtungsanlage
    502
    Laser
    504
    Laser
    506
    Laser
    508
    Laserstrahl
    510
    Laserstrahl
    512
    Laserstrahl
    514
    zweidimensionaler Zweistufenhomogenisierer
    516
    zweidimensionaler Zweistufenhomogenisierer
    518
    zweidimensionaler Zweistufenhomogenisierer
    520
    Reflektor
    522
    Reflektor
    524
    Reflektor
    526
    Zylinderlinsenanordnung
    528
    Linienfoki
    530
    Feldebene
    532
    Laserstrahl
    534
    Laserstrahl
    536
    Laserstrahl
    700
    Durchlaufbeschichtungsanlage
    702
    Laser
    704
    Laser
    706
    Laserstrahl
    708
    Laserstrahl
    710
    Homogenisierer
    712
    Homogenisierer
    714
    Scanspiegel
    716
    Scanspiegel
    718
    homogenisierter Laserstrahl
    720
    homogenisierter Laserstrahl
    722
    Scanrichtung
    724
    Scanrichtung
    726
    Laserstrahl
    728
    Laserstrahl
    800
    Tandemsolarzelle
    802
    Glassubstrat
    804
    transparente Elektrode (SnO2)
    806
    a-Si(p-dotiert)
    808
    a-Si(undotiert)
    810
    a-Si(n-dotiert)
    812
    a-Si Solarzelle (Top Cell)
    814
    μc-Si(p-dotiert)
    816
    Saatschicht
    818
    μc-Si(undotiert)
    820
    μc-Si(n-dotiert)
    822
    μc-Si Solarzelle (Bottom Cell)
    824
    transparente Elektrode (ZnO2:Al)
    826
    Metallrückelektrode (Ag/Al)
    828
    nano-kristallines Silizium
    830
    Schmelzzone
    832
    a-Si
    834
    Laserstrahl
    836
    dünne amorphe Siliziumschichten
    838
    lineare Beleuchtungslinie
    840
    Laserpuls
    842
    Linse
    844
    Bewegungsrichtung
    846
    Bewegungsrichtung
    848
    aufeinandertreffende Kristallite
    b
    Substratbreite
    l
    Substratlänge
    hν
    Lichtenergie
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 09-293680 A [0009]
    • - WO 02/19437 A2 [0013]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - A. Aberle, Thin Solid Films 511, 26 (2006) [0007]
    • - B. M. A. Crowder et al. in „Sequential Lateral Solidification of PECVD and Sputter Deposited a-Si Films" Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol 621 (2000), Q9.7.1 [0008]
    • - G. Andrä et al. beschreiben in dem Artikel „Diode Laser Crystallized Multicrystalline Silicon Thin Film Solar Cells an Glass", in Proc. of 21 st European Photovoltaic Solar Energy Conference, 4–8 September 2006, Dresden, Germany, Seiten 972 bis 975 [0012]

Claims (49)

  1. Durchlaufbeschichtungsanlage (100, 200, 300, 400, 500, 700) mit – einer eine Zuführöffnung (102) zum Zuführen eines zu beschichtenden Substrats (106) und eine Abführöffnung (101) zum Abführen des beschichteten Substrats (106) aufweisenden Vakuumkammer (110), – einer physikalischen Gasphasenabscheidungseinrichtung (112) zum Beschichten einer Oberfläche (126) des Substrats (106), – einem Laserkristallisationssystem (122) zum gleichzeitigen Beleuchten wenigstens einer Unterteilfläche (132) einer momentan beschichteten Teilfläche (130) der Oberfläche (126) des Substrats (106) mit wenigstens einem Laserstrahl (124), – mit einer Transporteinrichtung (108) zum Transportieren des Substrats (106) in Durchlaufrichtung (136) von der Zuführöffnung (102) zu der Abführöffnung (104) und zum kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Bewegen des Substrats (106) während dessen Beschichtung in der Durchlaufrichtung (136).
  2. Durchlaufbeschichtungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Gasphasenabscheidungseinrichtung (112) wenigstens eine Elektronenstrahlverdampfungseinrichtung (112) oder wenigstens eine Kathodenzerstäubungseinrichtung umfasst.
  3. Durchlaufbeschichtungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an Elektronenstrahlverdampfungseinrichtungen (112) und/oder eine Mehrzahl an Kathodenzerstäubungseinrichtungen senkrecht zur Durchlaufrichtung (136) nebeneinander angeordnet sind.
  4. Durchlaufbeschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung (108) eine Bewegungseinrichtung zum Bewegen des Substrats (106) in einer in einer Beschichtungsebene liegenden und zur Durchlaufrichtung (136) senkrechten Richtung (546) aufweist.
  5. Durchlaufbeschichtungsanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserkristallisationssystem (122) zum Beleuchten der wenigstens einen Unterteilfläche (132) starr ausgebildet ist.
  6. Durchlaufbeschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserkristallisationssystem (122) wenigstens eine in wenigstens eine Richtung (244, 246) bewegbare Laserstrahlbewegungseinrichtung aufweist, um wenigstens einen der Laserstrahlen (240, 242) unabhängig von der Bewegung des Substrats (106) über die momentan beschichtete Teilfläche (130) zu führen.
  7. Durchlaufbeschichtungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Laserstrahlbewegungseinrichtung in zwei zueinander senkrechten Richtungen (244, 246) bewegbar ist.
  8. Durchlaufbeschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Laserstrahlbewegungseinrichtung einen Linearmotor zum linearen Bewegen der wenigstens einen Laserstrahlbewegungseinrichtung aufweist.
  9. Durchlaufbeschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Laserstrahlbewegungseinrichtung einen Spiegel (714, 716) zum Ablenken des wenigstens einen Laserstrahls (726, 728) auf die wenigstens eine Unterteilfläche (132) aufweist.
  10. Durchlaufbeschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserkristallisationssystem (122) wenigstens eine um wenigstens eine Achse (234, 236) schwenkbare Laserwinkelscanner (228) aufweist, um den wenigstens einen Laserstrahl (240, 242, 272, 274, 276, 278) unter unterschiedlichen Richtungen auf das Substrat (106) zu richten.
  11. Durchlaufbeschichtungsanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Laserwinkelscanner (228) um wenigstens eine zweite Achse (236) schwenkbar ist.
  12. Durchlaufbeschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserkristallisationssystem (122) wenigstens eine weitere der wenigstens einen Laserwinkelscanner (230) zugeordnete und um wenigstens eine Achse (236) schwenkbare Laserwinkelscanner (232) aufweist, um den wenigstens einen Laserstrahl (240, 242) auf die wenigstens eine Laserwinkelscanner (230) zu richten.
  13. Durchlaufbeschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein abbildendes Objektiv (332, 334) vorgesehen ist, um den wenigstens einen Laserstrahl (324, 326) derart auf die wenigstens eine Unterteilfläche (132) abzubilden, dass deren Kontur und Größe im Wesentlichen unverändert bleibt, wenn der wenigstens eine Laserstrahl (324, 326) unter unterschiedlichen Richtungen auf das Substrat (106) gerichtet wird.
  14. Durchlaufbeschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Laserwinkelscanner (230) und/oder die wenigstens eine weitere Laserwinkelscanner (232) einen Galvospiegel (232) aufweist, um den wenigstens einen Laserstrahl (240, 242) in unterschiedlicher Weise abzulenken.
  15. Durchlaufbeschichtungsanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Multiplexeinrichtung (214, 216, 316, 418, 526) zum Erzeugen einer Mehrzahl an Laserstrahlen (264, 266, 268, 270) zum gleichzeitigen Beleuchten einer Mehrzahl an Unterteilflächen (132, 444, 446, 528) vorgesehen ist.
  16. Durchlaufbeschichtungsanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Multiplexeinrichtung (214, 216, 316, 418, 526) eine Strahlunterteileinrichtung (214, 216, 316, 418, 526) zum Unterteilen eines Laserstrahls (260, 262, 264, 322, 416, 532, 534, 536) in die Mehrzahl an Laserstrahlen (264, 266, 268, 270, 324, 326, 428, 430) vorgesehen ist.
  17. Durchlaufbeschichtungsanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlunterteileinrichtung ein Dachprisma (214, 216, 218, 316, 418) umfasst.
  18. Durchlaufbeschichtungsanlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Dachprisma (214, 216, 218, 316, 418) in einer Pupillenebene (220, 222, 224, 318, 420) angeordnet ist.
  19. Durchlaufbeschichtungsanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abscheidungsmesseinrichtung zum Messen einer Abscheiderate und/oder einer Abscheidemenge eines von der Gasphasenabscheidungseinrichtung (112) abgeschiedenen Materials (118) sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Steuern- und/oder Regeln des momentanen Orts der Unterteilfläche (132) auf dem Substrat (106) und/oder der momentanen Intensität des wenigstens einen Laserstrahls (124) auf dem Substrat (106) in Abhängigkeit von der gemessenen Abscheiderate und/oder der gemessenen Abscheidemenge vorgesehen ist.
  20. Durchlaufbeschichtungsanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schichtdickenmesseinrichtung zum Messen einer Schichtdickenänderung und/oder einer Schichtdicke der auf dem Substrat (106) abgeschiedenen Schicht sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Steuern- und/oder Regeln des momentanen Orts der Unterteilfläche (132) auf dem Substrat (106) und/oder der momentanen Intensität des wenigstens einen Laserstrahls (124) auf dem Substrat (106) in Abhängigkeit von der gemessenen Schichtdickenänderung und/oder der gemessenen Schichtdicke vorgesehen ist.
  21. Durchlaufbeschichtungsanlage nach einem der vorgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spiegel vorgesehen ist, welcher den Laserstrahl (124) nach Reflektion von der Unterteilfläche (132) zurück auf die Unterteilfläche (132) oder eine die Unterteilfläche (132) enthaltende Fläche auf dem Substrat (106) reflektiert.
  22. Laserkristallisationssystem (122) für eine Durchlaufbeschichtungsanlage (100, 200, 300, 400, 500, 700) nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
  23. Verfahren zur Herstellung nano-, mikro-, poly-, multi- oder einkristalliner Dünnschichten mit folgenden Verfahrensschritten: a) Zuführen eines zu beschichtenden Substrats (106) in eine Vakuumkammer (110) in einer Durchlaufrichtung (136), b) physikalische Gasphasenabscheidung einer Schicht auf eine Teilfläche (130) einer Oberfläche (126) des Substrats (106) und gleichzeitiges Laserkristallisieren wenigstens einer Unterteilfläche (132) der momentan beschichteten Teilfläche (130) der Oberfläche (126) des Substrats (106) mit wenigstens einem Laserstrahl (124) unter kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Bewegung des Substrats (106) in der Durchlaufrichtung (136), c) Abführen des beschichteten Substrats (106) aus der Vakuumkammer (110) in der Durchlaufrichtung (136).
  24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Gasphasenabscheidung Elektronenstrahlverdampfung oder Kathodenzerstäubung umfasst.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Gasphasenabscheidung bei einer Schichtwachstumsrate von über 100 nm/min, vorzugsweise von über 1000 nm/min, höchst vorzugsweise von über 2000 nm/min durchgeführt wird.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (106) während Verfahrensschritt b) in der Durchlaufrichtung (136) mit einer mittleren Geschwindigkeit von über 0,5 m/min, vorzugsweise von über 2 m/min bewegt wird.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (106) während Verfahrensschritt b) in einer in einer Beschichtungsebene liegenden und zur Durchlaufrichtung (136) senkrechten Richtung (346, 448) bewegt wird.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat während Verfahrensschritt b) in der in der Beschichtungsebene liegenden und zur Durchlaufrichtung (136) senkrechten Richtung (346, 448) oszillierend bewegt wird.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierende Bewegung periodisch mit einer Frequenz von 200 bis 500 mHz erfolgt.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine der Laserstrahlen (132) während Verfahrensschritt b) abhängig oder unabhängig von der Bewegung des Substrats (106) über die momentan beschichtete Teilfläche (130) geführt wird.
  31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine der Laserstrahlen (132) in Durchlaufrichtung (136) des Substrats (106) über die momentan beschichtete Teilfläche (130) geführt wird.
  32. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine der Laserstrahlen (132) in einem Winkel zur Durchlaufrichtung (136) des Substrats (106) über die momentan beschichtete Teilfläche (130) geführt wird.
  33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel ein rechter Winkel ist.
  34. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine der Laserstrahlen (132) nacheinander in zwei unterschiedlichen Winkeln zur Durchlaufrichtung (136) des Substrats (106) über die momentan beschichtete Teilfläche (130) geführt wird.
  35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Winkel sich um 90° unterscheiden.
  36. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine der Laserstrahlen (124) an die Stelle des Substrats (106) gerichtet wird, auf welche gerade eine vorbestimmte Schichtdicke abgeschieden worden ist.
  37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Schichtdicke zwischen 50 nm und 1000 nm, vorzugsweise zwischen 100 nm und 500 nm, höchst vorzugsweise zwischen 100 nm und 300 nm ist.
  38. Verfahren nach einem der Ansprüche 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine der Laserstrahlen (124) an die Stelle (132, 444, 446) des Substrats (106) gerichtet wird, auf welche im Anschluss an eine Beleuchtung mit dem wenigstens einen Laserstrahl (124) gerade eine weitere vorbestimmte Schichtdicke abgeschieden worden ist.
  39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Schichtdicke zwischen 50 nm und 1000 nm, vorzugsweise zwischen 100 nm und 500 nm, höchst vorzugsweise zwischen 100 nm und 300 nm ist.
  40. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Substrats (106) während Verfahrensschritt b) konstant gehalten wird.
  41. Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Substrats zwischen 100°C und 500°C, vorzugsweise zwischen 200°C und 400°C beträgt.
  42. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (106) in Verfahrensschritt b) mit Silizium (118) beschichtet wird.
  43. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl eine Wellenlänge zwischen 100 nm und 700 nm, vorzugsweise zwischen 150 nm und 600 nm aufweist.
  44. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (124) auf dem Substrat (106) im Falle eines gepulsten Lasers eine Laserfluenz von 100 mJ/cm2 bis 1500 mJ/cm2 aufweist oder im Falle eines CW Lasers die je nach Scangeschwindigkeit des Laserstrahlprofils (124) auf dem Substrat (1069 die äquivalente Intensität.
  45. Verfahren zur Herstellung einer Siliziumtandemsolarzelle (800) mit wenigstens einer auf amorphem Silizium basierenden Solarzelle (812) und wenigstens einer auf kristallinem Silizium basierenden Solarzelle (822), welche monolithisch übereinander angeordnet sind, mit folgenden Verfahrensschritten: A) Bereitstellung oder Herstellung der auf amorphem Silizium basierenden Solarzelle (812) auf einem transparenten Substrat (802), B) Herstellung der auf kristallinem Silizium basierenden Solarzelle (822) mit folgenden Verfahrensteilschritten: aa) Bereitstellung oder Abscheidung einer p-dotierten oder in einer alternativen Ausführung n-dotierten wahlweise amorphen oder kristallinen Siliziumschicht, bb) optional Abscheidung einer Keimschicht aus intrinsischem kristallinen Silizium, cc) Abscheidung einer amorphen Siliziumschicht mit Hilfe eines physikalischen, Gasphasenprozesses, dd) Kristallisation der mit Hilfe des physikalischen Gasphasenprozesses hergestellten amorphen Siliziumschicht mit Hilfe eines Laserkristallisationsprozesses, ee) optional mehrfache Wiederholung der Verfahrensteilschritte cc) und dd) ff) optional Abscheidung oder Bereitstellen einer n-dotierten Siliziumschicht oder in der alternativen Ausführung p-dotierten wahlweise amorphen oder kristallinen Siliziumschicht gg) optional Kristallisation der amorphen p-dotierten oder in der alternativen Ausführung n-dotierten Siliziumschicht mit einem Laserkristallisationsprozess hh) Abscheidung eines leitenden Kontaktes.
  46. Verfahren nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensteilschritte cc) bis ee) nach dem Verfahren nach den Ansprüchen 23 bis 44 durchgeführt werden.
  47. Verfahren nach einem der Ansprüche 45 oder 46, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt A) folgende Verfahrensteilschritte umfasst: i) Abscheidung einer transparenten leitfähigen Schicht auf dem transparenten Substrat, ii) Abscheidung einer p-dotierten oder in einer alternativen Ausführung n-dotierten amorphen Siliziumschicht, iii) optional Abscheidung einer intrinsischen amorphen Siliziumschicht, iv) Abscheidung einer amorphen n-dotierten Siliziumschicht oder in der alternativen Ausführung p-dotierten Siliziumschicht.
  48. Tandemsolarzelle mit wenigstens einer auf amorphem Silizium basierenden Solarzelle und wenigstens einer auf kristallinem Silizium basierenden Solarzelle, welche monolithisch übereinander angeordnet sind, wobei die auf kristallinem Silizium basierende Solarzelle eine Siliziumschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumschicht Kristallite mit Korndurchmessern zwischen 20 nm und 5 μm aufweist.
  49. Tandemsolarzelle nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumschicht eine intrisische Siliziumschicht ist.
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