DE3809010A1

DE3809010A1 - Verfahren zum herstellen mikrokristalliner, n- oder p-leitender siliziumschichten nach der glimmentladungsplasmatechnik, geeignet fuer solarzellen

Info

Publication number: DE3809010A1
Application number: DE3809010A
Authority: DE
Inventors: Helmold Dipl Phys Kausche; Eberhard Dipl Phys Dr Guenzel; Wilfried Dipl Phys Juergens
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1988-03-17
Filing date: 1988-03-17
Publication date: 1989-09-28
Anticipated expiration: 2008-03-18
Also published as: DE3809010C2

Description

Verfahren zum Herstellen mikrokristalliner, n- oder p-leitender Siliziumschichten nach der Glimmentladungsplasmatechnik, geeignet für Solarzellen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen mikrokristalliner (µc), n- oder p-leitender Siliziumschichten, wie sie insbesondere in Dünnschicht-Solarzellenanordnungen des Bautyps Glas/elektrisch-leitende lichtdurchlässige Elektrode/pin-Si : H- Halbleiterkörper/Metall-Elektrode verwendet werden, wobei die Schichtenfolge im Halbleiterkörper im Glimmentladungsplasma mit kapazitativ eingekoppelter Hochfrequenz-Energie und einem Prozeßgas, bestehend aus einer mit dem Dotierstoff versetzten Silizium und Wasserstoff enthaltenden gasförmigen Verbindung erzeugt wird.

Bei Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium (a-Si : H) des Bautyps Glas/Zinndioxid mit Fluor dotiert/pin-a-Si : H/Metall sollen die p- und n-leitenden a-Si : H-Schichten möglichst lichtdurchlässig sein, denn in diesen Schichten durch Lichtabsorption erzeugte Ladungsträger tragen nicht zum Zellenstrom bei. In p-leitenden, mit Bor dotierten Frontschichten kann durch Kohlenstoff- Dotierung der Bandabstand vergrößert werden, um die Lichtdurchlässigkeit zu erhöhen. In bestimmten Fällen ist auch bei p-Si : H-Schichten eine p-µc-Si : H-Schicht von Vorteil. Der Weg über die Kohlenstoffdotierung kann bei n-leitenden, mit Phosphor dotierten Rückseitenschichten wegen der dort geringen Photoleitung nicht beschritten werden. Man versucht vor allem hier, n-Schichten auf der lichtabgewandten Seite der Zelle mikrokristallin (µc) abzuscheiden, um eine höhere Rotdurchlässigkeit und damit eine geringere Lichtabsorption zu erreichen. Diese Rotdurchlässigkeit wird besonders für die n-Schicht einer Frontzelle und die p-Schicht der zweiten Zelle von Tandemzellen gefordert. Außerdem weisen µc-Siliziumschichten einen geringen elektrischen Widerstand auf. Die Abscheidung solcher (µs-Si : H)- Schichten bereitet beim Abscheiden im Glimmentladungsplasmaverfahren jedoch Probleme.

Mikrokristalline Siliziumschichten lassen sich mit der Glimm entladungsplasma-Technik mit kapazitiv eingekoppelter Hochfrequenz nur mit relativ hoher (ca. 100facher) Hochfrequenz-Leistung im Vergleich zur Abscheidung von homogenen amorphen a-Si : H aus der Gasphase abscheiden (siehe H. Simon, G. Winterling, G. Müller, Proceed. 4^th EC Photovoltaic Conf. Stresa (1982)). Die hohe HF-Leistung bewirkt durch die dann auftretende hohe self bias-Spannung schädlichen Ionenbeschuß der schon abgeschiedenen i-Schicht. Außerdem kommt es zu stärkerer Verunreinigung nachfolgender Beschichtungen durch Verschleppung von Phosphor im Vergleich zur Abscheidung homogen amorpher a-Si : H-Schichten mit relativ geringer HF-Leistung. Desweiteren ist die Reproduzierbarkeit und Gleichmäßigkeit der Abscheidung mirkokristalliner Si : H-Schichten auf diese Weise ungenügend und es treten neben gut mikrokristallinen Schichtbereichen (Kristallitgröße größer 12 nm, R_F kleiner 100 KOhm) auch oft amorphe Schichtbereiche auf (Kristalligröße kleiner 2 nm, R_F größer 100 KOhm).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine mikrokristalline, hydrogenisierte Siliziumabscheidung ohne diese Nachteile, das heißt insbesondere mit möglichst niedriger HF-Leistung, möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß dem Prozeßgas während der Schichtherstellung Argon zugesetzt wird. Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, daß ein Prozeßgas verwendet wird, welches aus einer Mischung von Silan (SiH₄), Wasserstoff (H₂), Phosphin (PH₃) oder Diboran (B₂H₆) und Argon (Ar) besteht, wobei das Mischungsverhältnis Silan/Wasserstoff zu Argon auf einen Wert von

eingestellt wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der in der Zeichnung befindlichen Figur noch näher beschrieben. Die Figur zeigt in schematischer Darstellung einen Glimmentladungsreaktor mit kapazitiver Elektrodenanordnung.

Die für die Herstellung der dotierten, mikrokristallinen, hydrogenisierten zum Beispiel n-dotierten Siliziumschicht vorgesehenen gasförmigen Verbindungen, bestehend aus zum Beispiel 2 sccm Silan, 200 sccm Wasserstoff, 0,8 sccm Phosphin und 20 sccm Argon werden an der mit dem Pfeil 1 bezeichneten Zuleitung in den, in diesem Beispiel überwiegend aus Quarz bestehenden Reaktor 2, der zuvor an dem mit dem Pfeil 3 bezeichneten Anschluß auf einen Druck von ca. 10^-6 mbar evakuiert worden ist, eingeleitet. Der Reaktor 2 ist nach oben und unten mit aus Edelstahl bestehenden Deck- und Grundplatten 4, 5 verschlossen, welche Durchführungen für die im Reaktor 2 horizontal und parallel zueinander angeordneten Elektroden 6 und 7 enthalten. Dabei dient die Elektrode 6 als Halter für die Substrate 8 und ist an der mit 9 bezeichneten Stelle geerdet, während über die Elektrode 7 durch Einspeisen von HF-Energie die Glimmentladung in Gang gesetzt wird. Beide Elektroden 6 und 7 werden mittels Elektrodenheizung (in der Zeichnung nicht dargestellt) auf 200 bis 300°C aufgeheizt. Die Substrate 8 bestehen aus Glasplatten, die mit einer Schichtenfolge bestehend aus: mit Fluor dotiertem Zinnoxid, mit Bor dotiertem Silizium und intrinsischem Silizium versehen sind (der besseren Übersicht wegen ist die Schichtenfolge nicht im einzelnen dargestellt).

Bei der oben angegebenen Zusammensetzung des Prozeßgases ergeben sich mit einer HF-Anregung von ca. 1 Watt/cm² reproduzierbar homogene, mikrokristalline Si : H-Schichten (ohne Argonzusatz müßten ca. 4 Watt/cm² HF-Leistung eingekoppelt werden). In den mikrokristallinen Siliziumschichten konnten 1 bis 5 Promille Argon nachgewiesen werden; eine Qualitätsverminderung der Schichten bzw. eine Wirkungsgradverschlechterung der Zellen konnte nicht festgestellt werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen mikrokristalliner n- oder p-leitender Siliziumschichten (8), wie sie insbesondere in Dünnschicht- Solarzellenanordnungen des Bautyps Glas/lichtdurchlässige, elektrisch leitende Elektrode/pin-Si : H-Halbleiterkörper/Metall-Elektrode verwendet werden, wobei die Schichtenfolge im Halbleiterkörper im Glimmentladungsplasma (2, 4, 5, 6, 7, 9) mit kapazitativ eingekoppelter Hochfrequenz-Energie und einem Prozeßgas (1), bestehend aus einer mit dem Dotierstoff versetzten Silizium und Wasserstoff enthaltenden gasförmigen Verbindung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Prozeßgas (1) während der Schichtherstellung (8) Argon zugesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prozeßgas (1) verwendet wird, welches aus einer Mischung von Silan (SiH₄), Wasserstoff, Phosphin (PH₃) oder Diboran (B₂H₆) und Argon besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis Silan/ Wasserstoff zu Argon auf einen Wert von eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas (1) bei der Herstellung einer n-leitenden Siliziumschicht folgende Zusammensetzung aufweist: 2 sccm Silan, 200 sccm Wasserstoff, 0,8 sccm Phosphin und 20 sccm Argon, und daß während der Glimmentladung (2, 4, 5, 6, 7, 9) eine Hochfrequenz-Leistung im Bereich von 1 Watt/cm² eingekoppelt wird.