Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kontakten mit Kadmiumtellurid (CdTe) - Oberflächen für elektrische Bauelemente

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kontakten mit Kadmiumtellurid (CdTe)- Oberflächen für elektrische Bauelemente.

CdTe ist ein Halbleitermaterial, das kommerziell z.B. bei Dünnschichtsolarzellen und Infrarotdetektoren verwendet wird.

CdTe ist ein Material mit direkter Bandlücke und aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften besonders für den Einsatz in Dünnschichtsolarzellen geeignet.

Für die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen wird eine CdTe - Schicht auf einem Trägermaterial abgeschieden. Die beiden Oberflächen der CdTe - Schicht werden mit zwei unterschiedlichen elektrischen Kontakten versehen. Die Herstellung eines dieser Kontakte wird für die Herstellung der Dünnschichtsolarzelle beschrieben.

Dünnschichtsolarzellen werden kommerziell in Dünnschichtsolarmodulen verwendet. Dünnschichtsolarzellen werden insbesondere verwendet, um aus Sonnenlicht elektrischen Strom zu erzeugen.

Ein wesentliches Qualitätsmerkmal von Dünnschichtsolarzellen ist die Höhe des Anteils der Energie des Sonnenlichtes, der in elektrischen Strom umgewandelt wird.

Dieser Wirkungsgrad liegt für kommerziell erhältliche Dünnschichtsolarmodule mit einer CdTe - Schicht bei ca. 12% - 13%. Der maximale gemessene Wirkungsgrad für Dünnschichtsolarmodule mit einer CdTe- Schicht liegt bisher bei ca. 16%.

Der maximale gemessene Wirkungsgrad für Dünnschichtsolarzellen mit einer CdTe- Schicht liegt bei ca. 19%.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kontakten mit zumindest einer CdTe -Oberfläche bereit zu stellen, welches die Herstellung von elektrischen Bauelementen, insbesondere Dünnschichtsolarzellen, mit einem

verbesserten Wirkungsgrad oder bei gleichem Wirkungsgrad ein vereinfachtes

Verfahren aufzuzeigen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des

Anspruchs 1 gelöst.

Die abhängigen Ansprüche 2 bis 9 enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der

Erfindung, ohne diese damit zu begrenzen.

Seit vielen Jahren wird in Forschungseinrichtungen und Firmen versucht, einen direkten ohmschen Kontakt mit CdTe - Oberflächen herzustellen. Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht einen solchen Kontakt erstmals.

Erfindungswesentlich ist, dass die Dotiertschicht nicht direkt auf auf die CdTe

Oberfläche abgeschieden wird. Erfindungswesentlich ist weiterhin, dass mit einer Wärmebehandlung die Grenzfläche der Kontaktschicht mit der CdTe-Schicht erwärmt wird, im nachfolgenden zweiten Schritt eine Dotierschicht abgeschieden wird und im nachfolgenden dritten Schritt eine Wärmebehandlung auf Dotierschicht, Kontaktschicht, Grenzfläche der Kontaktschicht mit der CdTe-Schicht und CdTe-Schicht einwirkt.

Bei der letzten Wärmebehandlung erfolgt eine Diffusion der Atome der Dotierschicht durch die Kontaktschicht in die CdTe-Schicht. Die diffundierten Atome dotieren die CdTe-Schicht.

Bei dem neuen erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Wärmehandlungen des Schichtstapels in zwei voneinander getrennten Schritten, wobei der Schichtstapel zumindest aus einem Substrat mit mehreren Beschichtungen besteht. Der erste Schritt der Wärmebehandlung wirkt nur auf Grenzfläche der Kontaktschicht mit der CdTe-Schicht und der zweite Schritt der Wärmebehandlung auf Dotierschicht, Kontaktschicht, Grenzfläche der Kontaktschicht mit der CdTe- Schciht und CdTe- Schicht.

Als Kontaktschicht kann jedes leitfähige Material verwendet werden, wie z.B. Metalle oder leitfähige Oxyde, die insbesondere eine Diffusion der Atome der Dotierschicht zulassen. Als Kontaktschicht kann jedes Material verwendet werden, dass den Wirkungsgrad der Dünnschichtsolarzelle nicht reduziert und eine Diffusion der Atome der Dotierschicht zulässt.

Als Dotierschicht kann jedes Material verwendet werden welches durch die

Kontaktschicht diffundieren kann und eine elektronische Dotierung in der CdTe-Schicht verursacht.

Als Leitschicht kann jedes Material verwendet werden, dass entweder deutlich langsamer durch die Kontaktschicht diffundiert als die Atome der Dotierschicht oder keine für die Eigenschaften der Solarzelle relevante Dotierung verursacht.

Die Wärmebehandlungen können als separate Schritte nach der Schichtabscheidung erfolgen oder durch eine erhöhte Temperatur bei der Schichtabscheidung ersetzt werden.

Der hier beschriebene elektrische Kontakt wird aus historischen Gründen in der Literatur Rückkontakt genannt.

Die Erfindung vereinfacht den Herstellungsprozess für CdTe-Dünnschichtsolarzellen, verbessert den Rückkontakt bezüglich der elektrischen Eigenschaften wie

Bandverbiegung und Durchlässigkeit für Elektronen und führt so zu einem besseren Wirkungsgrad und geringeren Produktionskosten. Bei dem neuen Verfahren können die elektrischen Eigenschaften der Grenzfläche CdTe/Kontaktschicht und der Diffusion der Cu Atome in die CdTe Schicht unabhängig voneinander optimiert werden, so dass verglichen mit dem bieher bekannten Verfahren bessere Wirkungsgrade der Solarzellen erreicht werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf die nasschemische Behandlung der Oberfläche (101) im Gesamtprozess verzichtet werden. Anstelle von (101) steht nun die Wärmebehandlung (202) nach der Abscheidung der Leitschicht.

Das neue Verfahren ist technisch weniger aufwendig und erzeugt bessere Ergebnisse.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es erstmals möglich, auch Kupfer als Leitschicht (204) für einen Kontakt zu verwenden. Aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer ist es somit möglich, einen Kontakt mit dünneren Schichten und somit geringerer Materialverbrauch und kürzerer Prozesszeit herzustellen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es erstmals möglich, einen Kontakt mit einem beliebigen Material im Sinne der Erfindung als Kontaktschicht herzustellen, welches eine Wärmebehandlung benötigt, die bei einer höheren Temperatur oder für eine längere Zeit erfolgt als die Wärmebehandlung für die Diffusion des Cu in das CdTe.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren entfällt ein Parameter bei der Diffusion des Kupfers. Dieses Verfahren ist nicht empfindlich gegen die Cu -Schichtdicke. Bei bisher bekannten Verfahren ist die Schichtdicke des Kupfers (Cu) ein wesentlicher

Optimierungsparameter. Die Prozessoptimierung bei dem neuen Verfahren ist somit einfacher und der Herstellungsprozess ist weniger empfindlich gegen

Prozessschwankungen. Bei bekannten Verfahren wird bei der nasschemische Behandlung (101) ein Teil der CdTe-Schicht umgewandelt. Es entsteht z.B. durch Herauslösung von Cd eine tellurreiche Schicht. Diese ist Teil des Rückkontaktes und steht nicht mehr für die eigentliche Funktion der CdTe-Schicht zur Verfügung, nämlich der Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen können dünnere CdTe-Schichten verwendet werden, da kein Teil der Schicht für den Rückkontakt benötigt wird. Dies wiederum führt zu geringeren Produktionskosten.

Bei bekannten Verfahren fördert die nasschemische Behandlung (101) der CdTe- Schicht die Bildung von elektrischen Kurzschlüssen in der der Solarzelle durch laterale Inhomogenität der CdTe-Schicht.

Bei dem neuen Verfahren können dünnere CdTe -Schichten verwendet werden, da es keine elektronischen Kurzschlüsse durch laterale Inhomogenitäten erzeugt. Es können somit dünnere CdTe -Schichten verwendet werden. Dies wiederum zu vergleichsweise geringeren Produktionskosten führt. Substrat im Sinne der Erfindung ist ein Material mit einer Dicke von 0,01 mm bis 1000 mm, dass insbesondere transparent für Sonnenlicht ist.

Eine Schicht abscheiden im Sinne der Erfindung ist ein Verfahren bei dem aus einer flüssigen Lösung und/oder aus der Gasphase ein Material auf die Oberfläche des Substrates aufgebracht wird.

Diese Abscheidung aus der Gasphase kann unter Atmosphärendruck oder in Vakuum erfolgen. Im Vakuum kann die Zuführung des Materials über ein Gas, durch thermisches Verdampfen oder durch Zerstäubung erfolgen. Ein TCO-Schicht (TCO Transparent - Conductive - Oxid) im Sinne der Erfindung ist eine Schicht aus einem Material, dass elektrisch leitfähig und transparent für

Sonnenlicht ist.

Verwendet werden dafür z.B. aluminiumdotiertes Zinkoxid, flourdotiertes Zinnoxid Kadmium-Zinnoxyd oder Indium-Zinnoxid.

Eine Kontaktschicht im Sinne der Erfindung ist eine Schicht, die auf die CdTe-Schicht abgeschieden ist, oder auf der Oberfläche der CdTe - Schicht durch eine chemische Behandlung entsteht.

Eine Dotierschicht im Sinne der Erfindung ist eine Schicht, die auf die Kontaktschicht abgeschieden ist, dessen Atome bei einer Wärmebehandlung durch die Kontaktschicht diffundieren können und eine Verbesserung der Solarzelleneigenschaften, z.B. durch Dotierung der CdTe-Schicht bewirken.

Eine Leitschicht im Sinne der Erfindung ist eine elektrisch leitfähige Schicht, die den in der Dünnschichtsolarzelle erzeugten elektrischen Strom über die Fläche sammelt. Er werden z.B. eine Metallschicht oder ein TCO- Schicht.

Bei einer Wärmebehandlung im Sinne der Erfindung wird das Substrat in eine

Umgebung gebracht, in der es seine Temperatur auf einen Wert zwischen 100°C und 800°C erhöht und in diesem Zustand für eine Zeit von 10s bis 24h verbleibt. Die Wärmebehandlung kann im Vakuum, unter einem Innertgas, wie z.B. Argon oder Stickstoff, oder unter Luft erfolgen.

Zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen werden auf einem Substrat eine Folge von Schichten abgeschieden und Wärmebehandlungen in unterschiedlichen Atmosphären durchgeführt.

Auf ein Substrat wird mindestens eine TCO-Schicht abgeschieden.

Auf die TCO-Schicht wird Kadmiumsulfid (CdS) abgeschieden mit einer Dicke zwischen 10 nm und 500 nm.

Anschließend folgt eine Wärmebehandlung für eine Minute bis eine Stunde bei 350° bis 450°C in einer Atmosphäre aus einem Innertgas und Chlor. Das Chlor kann als Gas zugegeben werden oder als Kadmiumchlorid (CdCl), welches bei der Temperatur sublimiert und so auf die CdTe - Schicht einwirkt. Anschließend wird der Rückkontakt auf die CdTe -Schicht aufgebracht. Die Vorteile des neuen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik werden im Folgenden erklärt und mit Abbildungen illustriert:

Figur 1 zeigt das Flussdiagramm zur Herstellung der Solarzelle nach dem Stand der Technik.

Wie in Figur 1 dargestellt, wird bei den bisher bekannten Verfahren zur Herstellung des elektrischen Kontaktes die CdTe-Oberfläche des Schichtstapels nasschemische behandelt (101).

Es wird eine Dotierschicht abgeschieden (102).

Es folgt eine Wärmebehandlung (103).

Es wird eine Leitschicht abgeschieden (104).

Die nasschemische Behandlung (101) erfolgt in üblicher Art und Weise z.B. durch das Einwirken einer Mischung von Salpetersäure und Phosphorsäure.

Auch ird alternativ eine nasschemische Behandlung durchgeführt dessen Ziel es ist, Löcher in der CdTe- Oberfläche mit einem organischen Material zu verschließen. Diese Behandlung bewirkt gleichzeitig die gewünschte chemische Modifikation der CdTe- Oberfläche.

Auf die nasschemische Behandlung (101) kann verzichtet werden, aber nur wenn die Leitschicht aus Gold besteht. Alternativ kann die Wärmebehandlung (103) auch erst nach der Abscheidung der Leitschicht (104) erfolgen.

Die Dotierschicht (102) besteht meist aus Kupfer oder Antimontellurid. Während der Wärmebehandlung (103) diffundieren die Atome der Dotierschicht durch die Kontaktschicht in die CdTe-Schicht, dotiert diese und ermöglicht die Bildung eines elektrischen Kontaktes mit der CdTe - Oberfläche. Die Dotierschicht kann sich bei der Wärmebehandlung (103) auflösen. Alle Atome der Schicht sind dann in die Kontaktschicht und in die Leitschicht diffundiert. Bei diesem bekannten Herstellungsverfahren werden die physikalischen Eigenschaften des elektrischen Kontaktes durch die nasschemische Behandlung ( 101) und durch die Dotierung des CdTe mit Cu an der Grenzfläche bestimmt.

Die Diffusion der Atome der Dotierschicht muss durch die Wärmebehandlung genau eingestellt werden, damit der maximal mögliche Wirkungsgrad erreicht wird.

Figur 2 zeigt das Flussdiagramm zur Herstellung der Solarzelle gemäß dem neuen Verfahren. Wie in Figur 2 dargestellt wird bei dem neuern Verfahren zur Herstellung des elektrischen Kontaktes auf die CdTe-Oberfläche des Schichtstapels eine Kontaktschicht abgeschieden (201 ).

Es folgt eine erste Wärmebehandlung (202).

Auf die Kontaktschicht wird eine Dotierschicht abgeschieden (203).

Auf die Dotierschicht wird eine Leitschicht abgeschieden (204).

Es folgt eine zweite Wärmebehandlung (205).

Bei dem neuen Verfahren erfolgt keine nasschemische Behandlung (101). Der Verzicht auf diesen Prozessschritt ist vorteilhaft, da er Löcher in der der CdTe erzeugen kann, die einen Kurzschluss zwischen den beiden Kontakten der Solarzelle verursachen. Diese Kurzschlüsse verringern den Wirkungsgrad der Solarzelle. Löcher in der CdTe - Schicht können Bereiche in der Schicht ohne Material sein oder Bereiche mit einem Material, dass nicht CdTe, sondern z.B. Cd oder Te ist. Wesentlich ist, dass der Bereich einen elektrischen Kurzschluss zwischen TCO und Kontaktschicht verursacht.

Bei dem neuen Verfahren können dünnere CdTe -Schichten im Vergleich zum genannten Stand der Technik verwendet werden, da kein Teil der Schicht durch die nasschemische Behandlung (101) entfernt oder umgewandelt wird.

Die Erfindung zeigt erstmals, dass die Wärmebehandlung (202) der Grenzfläche der Kontaktschicht mit der CdTe - Schicht bei höherer Temperatur oder für eine längere Zeit erfolgen muss als die Wärmebehandlung für die Diffusion der Dotierschicht.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne damit alle Aspekte der Erfindung abschließend dargestellt zu haben. Im Ausführungsbeispiel wird als Substrat ein Kalknatronglas mit einer Dicke von ca. 1 mm verwendet.

Auf das Substrat wird als TCO - Schicht eine Indium-Zinn-Oxid-Schicht abgeschieden. Auf die TCO-Schicht wird Kadmiumtsulfid (CdS) abgeschieden. Hierfür wird das

Substrat im Vakuum auf eine Temperatur von 300°C aufgeheizt. Es wird Argon (Ar) bis zu einem Prozessdruck von 6 l0 ^"3 mbar in die Prozesskammer eingelassen und eine 100 nm dicke CdS-Schicht mittels Kathodenzerstäubung in die Argon- Atmosphäre von 5xl0 ^"3 mbar abgeschieden. Als Kathode wird ein Target aus CdS mit einer Reinheit von 99,999% verwendet.

Auf die CdS-Schicht wird CdTe mit einer Dicke zwischen 10 nm und 10.000 nm abgeschieden. Hierfür wird das Substrat im Vakuum auf eine Temperatur von 300°C aufgeheizt. Es wird Argon (Ar) bis zu einem Prozessdruck von 6xl 0 ^"3 mbar in die Prozesskammer eingelassen und eine 2000 nm dicke CdTe-Schicht mittels

Kathodenzerstäubung in die Argon- Atmosphäre von 5xl 0 ^"3 mbar abgeschieden. Als Kathode wird ein Target aus CdTe mit einer Reinheit von 99,999% verwendet.

Im Ausführungsbeispiel folgt anschließend eine Wärmebehandlung für eine Stunde bei 410°C in einer Atmosphäre aus einem Innertgas und Chlor. Das Chlor wird als

Kadmiumchlorid (CdCl) zugegeben, welches bei der Temperatur sublimiert und so auf die CdTe - Schicht einwirkt. Auf den so entstandenen Schichtstapel auf dem Substrat, wird nachfolgend der elektrische Kontakt hergestellt. Hierfür wird eine Molybdänschicht als Kontaktschicht mittels Kathodenzerstäubung in Argon- Atmosphäre von 5xl 0 ^"3 mbar abgeschieden (201) und anschießend bei 240°C für 20 Minuten wärmebehandelt (202).

Auf die Mo-Schicht wird eine Kupfer (Cu) - Schicht als Dotierschicht mittels

Kathodenzerstäubung in Ar - Atmosphäre von 5x10 ^" mbar abgeschieden (203).

Auf die Cu-Schicht wird eine Aluminium (AI) - Schicht als Leitschicht mittels

Kathodenzerstäubung in Ar - Atmosphäre von 5xl0 ^"3 mbar abgeschieden (204). Anschließend erfolgt eine Wärmebehandlung (205) bei ca. 200°C für ca. 20 Minuten.

Alternativ zur Wärmebehandlung (202) kann auch die Abscheidung der Kontaktschicht (201) bei erhöhter Temperatur erfolgen. In einem Ausführungsbeispiel wurde die Kontaktschicht 40 min lang bei 240°C abgeschieden. Es wurden so vergleichbare Ergebnis erzieht wie bei einer Abscheidung ohne Heizung und anschließender

Wärmebehandlung bei 240° und 40 min.

Alternativ zur Wärmebehandlung (205) kann auch die Abscheidung der Dotierschicht (203) bei erhöhter Temperatur erfolgen. In einem weiten Ausführungsbeispiel wurde die Dotierschicht 20 min lang bei 200°C abgeschieden. Es wurden so vergleichbare

Ergebnis erzieht wie bei einer Abscheidung ohne Heizung und anschließender

Wärmebehandlung bei 200° und 20 min.

Alternativ zur Wärmebehandlung (205) kann auch die Abscheidung der Leitschicht (204) bei erhöhter Temperatur erfolgen. In einem Ausführungsbeispiel wurde die Kontaktschicht 20 min lang bei 200°C abgeschieden. Es wurden so vergleichbare Ergebnis erzieht wie bei einer Abscheidung ohne Heizung und anschließender Wärmebehandlung bei 200°C und 20 min.

Alternativ kann auf die Abscheidung der Leitschicht (204) verzichtet werden wenn die Dotierschicht oder die Kontaktschicht ausreichend elektrisch leitfähig ist. In einem Ausführungsbeispiel wurde die Kontaktschicht 40 min lang bei 240°C abgeschieden. Darauf folgend wurde eine Doterischicht abgeschieden und einen Wärmebehandlung bei 200°C für 20 min durchgeführt. Eine danach abgeschiedene Leitschicht ergab keine Verbesserung im Wirkungsgrad. Figur 3 zeigt die gemessen Strom- Spannungs-Kennlinien von Dünnschichtsolarzellen mit CdTe. Die Verbesserung für Solarzellen, die mit dem neuen Verfahren hergestellt wurden erkennt man an den Strom-Spannungs-Kennlinien. (301) ist ein typisches Beispiel einer Kennlinie von einer Solarzelle, die nach dem neuen Verfahren herstellt wurde. Die etwas schlechtere Kennlinie (302) ist ein typisches Beispiel für eine Solarzelle die nach dem neuen Verfahren hergestellt wurde, aber ohne Dotierschicht. Die noch schlechtere Kennlinie (303) ist ein typisches Beispiel für eine Kennlinie einer Solarzelle die ohne Dotierschicht und ohne Wärmebehandlung der Kontaktschicht hergestellt wurde. Figur 4 zeigt die Verbesserung im Wirkungsgrad für Solarzellen, die mit dem neuen

Verfahren hergestellt wurden. (401) ist ein typisches Beispiel eines Wirkungsgrades von einer Solarzelle, die nach dem neuen Verfahren herstellt wurde. Der etwas schlechtere Wirkungsgrad (402) ist ein typisches Beispiel für eine Solarzelle die nach dem neuen Verfahren hergestellt wurde, aber ohne Dotierschicht. Der noch schlechtere

Wirkungsgrad (403) ist ein typisches Beispiel für eine Solarzelle die ohne Dotierschicht und ohne Wärmebehandlung der Kontaktschicht hergestellt wurde.

Figur 5 zeigt die gemessenen Kennlinien bei einer Optimierung von Prozessschritt (205). Ohne Wärmebehandlung wurde die Kennlinie (503) gemessen. Nach einer Wärmebehandlung für 10 Minuten bei 200°C wurde die Kennlinie (502) gemessen.

Nach einer weiteren Wärmebehandlung für 10 Minuten bei 200°C, wurde die Kennlinie (501 ) gemessen. Figur 6 zeigt die gemessenen Wirkungsgrade bei einer Optimierung von Prozessschritt (205). Ohne Wärmebehandlung wurde der Wirkungsgrad (603) gemessen. Nach einer Wärmebehandlung für 10 Minuten bei 200°C wurde der Wirkungsgrad (602) gemessen. Nach einer weiteren Wärmebehandlung für 10 Minuten bei 200°C, wurde der Wirkungsgrad (601) gemessen.