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DE3809010C2 - Verfahren zum Herstellen mikrokristalliner, n- oder p-leitender Siliziumschichten nach der Glimmentladungsplasmatechnik, geeignet für Solarzellen - Google Patents

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

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DE3809010C2
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hydrogen
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Siemens AG
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen mikrokri­ stalliner (µc), n- oder p-leitender Siliziumschichten, wie sie insbesondere in Dünnschicht-Solarzellenanordnungen des Bautyps Glas/elektrisch-leitende lichtdurchlässige Elektrode/pin-Si : H-Halb­ leiterkörper/Metall-Elektrode verwendet werden, wobei die Schichten folge im Halbleiterkörper im Glimmentladungsplasma mit kapazitativ eingekoppelter Hochfrequenz-Energie und einem Pro­ zeßgas, bestehend aus einer mit dem Dotierstoff versetzten Sili­ zium und Wasserstoff enthaltenden gasförmigen Verbindung er­ zeugt wird.
Bei Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium (a-Si : H) des Bautyps Glas/Zinndioxid mit Fluor dotiert/pin-a-Si : H/Metall sol­ len die p- und n-leitenden a-Si : H-Schichten möglichst licht­ durchlässig sein, denn in diesen Schichten durch Lichtabsorp­ tion erzeugte Ladungsträger tragen nicht zum Zellenstrom bei. In p-leitenden, mit Bor dotierten Frontschichten kann durch Koh­ lenstoff-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 mi­ krokristallin (µc) abzuscheiden, um eine höhere Rotdurchlässig­ keit und damit eine geringere Lichtabsorption zu erreichen. Die­ se 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 (µc-Si : H)- Schichten bereitet beim Abscheiden im Glimmentladungsplasma­ verfahren jedoch Probleme.
Aus Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 20, No. 11, No­ vember 1981, L793-L796 ist es bekannt, Siliziumfilme in einem induktiv gekoppelten Glimmentladungsplasma unter Anwesenheit von Argon abzuscheiden, wobei eine sowohl mikrokristalline als auch amorphe Phasen enthaltende Siliziumschicht erhalten wird.
Aus Journal of Non-Crystalline Solids, 34 (1979) 1-11, ist es bekannt, mikrokristalline Wasserstoff enthaltende Silizium­ schichten in einem induktiv gekoppelten Hochfrequenzplasma bei einer Leistung von 100 bis 120 Watt aus einer Silan, Ar­ gon und Phosphin enthaltenden Atmosphäre abzuscheiden.
Mikrokristalline Siliziumschichten las sen sich mit der Glim­ mentladungsplasma-Technik mit kapazitiv eingekoppelter Hoch­ frequenz nur mit relativ hoher (ca. 100facher) Hochfre­ quenz-Leistung im Vergleich zur Abscheidung von homogenen amorphen a-Si : H aus der Gasphase abscheiden (siehe H. Simon, G. Winterling, G. Müller, Proceed. 4th EC Photovoltaic Conf. Stresa (1982)). Die hohe HF-Leistung bewirkt durch die dann auftretende hohe self-bias-Spannung einen schädlichen Ionen­ beschuß 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 Gleich­ mäßigkeit der Abscheidung mikrokristalliner Si : H-Schichten auf diese Weise ungenügend und es treten neben gut mikrokri­ stallinen Schichtbereichen (Kristallitgröße größer 12 nm, RF kleiner 100 KOhm) auch oft amorphe Schichtbereiche auf (Kristallgröße kleiner 2 nm, RF größer 100 KOhm).
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine mikrokristalline, hydrogenisierte Siliziumabschei­ dung ohne diese Nachteile, das heißt insbesondere mit mög­ lichst 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) be­ steht, wobei das Mischungsverhältnis Silan/Wasserstoff zu Ar­ gon 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 Glimmentla­ dungsreaktor mit kapazitiver Elektrodenanordnung.
Die für die Herstellung der dotierten, mikrokristallinen, hydro­ genisierten zum Beispiel n-dotierten Siliziumschicht vorgesehe­ nen gasförmigen Verbindungen, bestehend aus zum Beispiel 2 sccm Silan, 200 sccm Wasserstoff, 0,8 sccm Phosphin und 20 sccm Ar­ gon 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 angeord­ neten Elektroden 6 und 7 enthalten. Dabei dient die Elektrode 6 als Halter für die Substrate 8 und ist an der mit 9 bezeichne­ ten Stelle geerdet, während über die Elektrode 7 durch Einspei­ sen von HF-Energie die Glimmentladung in Gang gesetzt wird. Bei­ de 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 Schichten­ folge bestehend aus: mit Fluor dotiertem Zinnoxid, mit Bor do­ tiertem Silizium und intrinsischem Silizium versehen sind (der besseren Übersicht wegen ist die Schichten folge nicht im einzel­ nen dargestellt).
Bei der oben angegebenen Zusammensetzung des Prozeßgases erge­ ben sich mit einer HF-Anregung von ca. 1 Watt/cm² reproduzier­ bar 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 (4)

1. Verfahren zum Herstellen einer mikrokristallinen n- oder p-leitenden Siliziumschicht (8), wie sie insbesondere in Dünnschicht-Solarzellenanordnungen verwendet wird, wobei die Schicht im Glimmentladungsplasma (2, 4, 5, 6, 7, 9) mit kapa­ zitativ eingekoppelter Hochfrequenz-Energie und einem Prozeß­ gas (1), bestehend aus einer mit dem Dotierstoff versetzten Silizium und Wasserstoff enthaltenden gasförmigen Verbindung erzeugt, dem Prozeßgas (1) während der Schichtherstellung (8) Argon zugesetzt wird und wobei während der Glimmentladung (2, 4, 5, 6, 7, 9) eine Hochfrequenz-Leistung im Bereich von 1 Watt/cm² eingekoppelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Prozeßgas (1) verwendet wird, welches aus einer Mischung von Silan (SiH₄), Wasserstoff, Phosphon (PH₃) oder Diboran (B₂H₆) und Argon besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Mischungsverhältnis Silan/Wasserstoff zu Argon auf einen Wert von eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem 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.
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