Elektronenstrahl-rekristallisierte Siliziumschichten für Solarzellen auf Glas

Es wird die Herstellung von polykristallinen, photoaktiven Siliziumschichten auf Glas beschrieben. Durch den Einsatz von Fremdsubstraten wird die photoaktive Schicht im Gegensatz zu multi- und monokristallinen Silizium-Solarzellen von der Funktion des mechanischen Trägers entkoppelt. Dadurch lässt sich der Materialeinsatz des hochreinen, kristallinen und damit hochwertigen Silizium-Basismaterials um ein bis zwei Größenordnungen reduzieren. Die einsetzbaren Verfahren der Halbleitertechnologie und die möglichen Prozesstemperaturen werden durch das verwendete Silikatglas begrenzt. Das verfolgte Zellkonzept beruht auf der plasmagestützten Abscheidung von mikrokristallinem Silizium aus Trichlorsilan unter anschließender Rekristallisation mit einem Linienelektronenstrahl. Das Substrat wird mit einer leitfähigen und thermisch stabilen Zwischenschicht versehen. Diese wird im späteren Solarzellenaufbau auch als elektrischer Rückseitenkontakt und optischer Rückseitenreflektor verwendet. Die Silizium-Schichtdicke beträgt 15-20μm, um in Kombination mit dem Rückseitenreflektor eine ausreichende Lichtabsorption zu gewährleisten. Die Siliziumschicht wird durch die Zugabe von Bortrichlorid während der Abscheidung (in situ) p-dotiert. Im Anschluss an die Abscheidung erfolgt die zonenförmige Erhitzung des Siliziums mit dem Elektronenstrahl. Dabei wird das Silizium kurzzeitig in die Flüssigphase überführt und erstarrt polykristallin. Die Benetzungsfähigkeit der Siliziumschmelze während der Flüssigphasen-Rekristallisation wird anhand unterschiedlicher Zwischen- und Deckschichtkonzepte untersucht. Ein Schwerpunkt stellt dabei die plasmagestützt abgeschiedene isolierende Deckschicht aus Siliziumdioxid im Kontext mit der Elektronenstrahl-Rekristallisation dar. Durch das Flussverhältnis von dem Dotiergas Bortrichlorid zum Silizium-Trägergas Trichlorsilan kann der spezifische elektrische Widerstand der abgeschiedenen Siliziumschichten definiert eingestellt werden. Detailliert wird der Aufbau der Linienelektronenstrahlquelle im Zusammenhang mit der Entwicklung einer computergestützten Proportional-Integral- Differential-Regelung von Emissionsstrom und Ziehgeschwindigkeit behandelt. Anhand der Schmelzzonen-Videokontrolle werden detaillierte Untersuchungen des Aufschmelz- und Erstarrungsvorgangs, der lateralen Temperaturverteilung und der Dynamik von potentiellen Überhitzungen vorgestellt. Durch die direkte Berechnung von Zustandsgrößen der Schmelzzone und der Auslegung der Gesamtregelung als Grenzwertregler findet eine pulsweiten-modulierte Anpassung des Emissionsstromes auf die Schmelzzonen- Charakteristik statt. Risse im Glas oder auch komplette Brüche des Glassubstrates werden nur im undefinierten Prozesszustand wie bei dem ungeregelten Wiedereinsetzen des Elektronenstrahls nach einem Überschlag beobachtet. Die Messung der photoelektrischen Aktivität der erhaltenen polykristallinen Schicht wird über den Aufbau einer Heteroemitter- Solarzelle realisiert.