Entwicklung von grossflächigen PECVD-Reaktoren für die Fertigung von effizienten Dünnfilmsolarzellen (TEL Solar)

TEL ist mit ihrer Tochter TEL Solar in Trübbach SG einer der führenden internationalen Hersteller von Produktionsanlagen für die Dünnfilm-Solarzellen Fertigung. Um den Marktanteil dieser Anlagen und die Wirtschaftlichkeit von Dünnfilm-Solarzellen (TF-Si) zu erhöhen, müssen die Produktionskosten sowohl der Anlagen als auch der Module selbst reduziert und die Effizienz der Zellen erhöht werden. In diesem Projekt hat das Institut für Computational Engineering (ICE) in Zusammenarbeit mit dem Institut für Elektronik, Sensorik und Aktorik (ESA) und TEL Solar neue Konzepte für die PECVD (Plasma Enhanced Vapour Deposition) Anlagen für die Abscheidung von kristallinen oder amorphen Si-Schichten auf grossflächigen Substraten (>1.4 m2) bei sehr hohen Frequenzen (40-200 MHz) entwickelt, modelliert und verifiziert. Bei diesen Frequenzen ist das Schichtwachstum erhöht und die Qualität der Filme wird besser [1]. Die wissenschaftliche Herausforderung besteht darin, elektromagnetische Stehwelleneffekte, die bei diesen Dimensionen und Wellenlängen unweigerlich entstehen, zu vermeiden oder gezielt zu minimieren, um eine grösstmögliche Uniformität der elektrischen Feldstärke und damit der Schichtdicken zu gewährleisten. Verschiedene Konzepte wurden entwickelt und numerisch getestet und beurteilt und optimiert. Das beste Konzept wurde in einem Test-Setup realisiert und validiert. Um die Uniformität der Feldverteilung im Reaktor zu messen, wurde ein spezieller Sensor-Array entwickelt. Ein Patent für dieses neue Konzept und den zugehörigen Prozess wird eingereicht.

Keywords: PECVD, Dünnfilmsolarzelle, Stehwelleneffekt, elektromagnetische Simulation, Plasma, PECVD, Plasma-Physik, Maxwell

Eine Dünnfilmsolarzelle (TFSC, thin film solar cell) ist eine Solarzelle, welche aus mehreren Halbleiter-Schichten (meist Silizium) besteht, welche auf ein Glas-Substrat aufgedampft werden. TEL Solar ist einer der führenden Hersteller von kapazitiv gekoppelten Plasmareaktoren für die Fertigung solcher Zellen.

Sowohl kristalline wie auch Dünnfilm-Solarzellen haben in den vergangenen Jahren eine enorme Kostenreduktion gezeigt. Im hart umkämpften globalen Markt von Solarmodulen entscheiden heute fast ausschliesslich die Herstellkosten über den wirtschaftlichen Erfolg eines Mitbewerbers. Damit Dünnfilmsolarzellen kompetitiv bleiben, müssen die Herstellkosten reduziert werden. Dies kann durch zwei Massnahmen erreicht werden:

• Erhöhung der Anregungsfrequenz: Man hat herausgefunden, dass eine Erhöhung der Plasmafrequenz von 13.56 MHz auf etwa 40-80 MHz (VHF) zu einer erhöhten Wachstumsrate bei gleichbleibender oder sogar verbesserter Filmqualität führt [1-3].
• Vergrösserung des Modulfläche: Gleichzeitig können die Herstellkosten der Module verringert werden,indem die Substratflächen auf über 1.4m2 vergrössert werden.

Werden sowol die Frequenz als auch die Substratgrösse gleichzeitig erhöht, so verschlechtert sich wegen der elektrischen Stehwelleneffekte die Uniformität der Si-Abscheidrate und damit der resultierenden Filmdicke massiv. Diese Stehwellen entehen aus der Überlagerung von elektromagnetischen Wellen, welche an den Rändern des Systems reflektiert werden [4-5]. Die elektrische Feldstärke, welche das Plasma über der zu beschichtenden Glasplatte erhitzt ist nicht mehr homogen. Wie lässt sich aus einem wellenförmig verlaufenden Feld dennoch eine homogene Feldverteilung erzeugen?

Verschiedene Konzepte wurden am Rechner entwickelt, berechnet, analysiert und bewertet. Hierfür wurden die Maxwell-Gleichungen in 3D mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente (FEM) oder mittels der Methode der finiten Differenzen (FDTD, FIT) für dieses Problem gelöst. Knotenmodelle und Parameter für elektrische Vier- oder Multipol-Ersatzschaltungen wurden aus den 3D-Modellen abgeleitet, um die Anpassung an die Hochfrequenz-Quelle zu optimieren. Der Einfluss der Plasma-Parameter (Dunkelraum-Dicke, Leitfähigkeit, Plasma-Gap) auf die Uniformität der Feldverteilung wurde untersucht (Sensititvitäts-Analyse). 

Durch die Überlagerung verschiedener statischer Feldverteilungen konnte mit dem finalen Konzept eine ausgezeichnete Felduniformität von U=2.5% über die gesamte Fläche des Glassubstrates erreicht werden (siehe Figur 2). Diese Uniformität wurde an einem Testreaktor (in Luft) mit einem eigens für diesen Zweck vom Institut ESA entwickelten Sensorarray für die elektrische Feldstärke experimentell validiert. Die Anforderungen an den Sensor waren so, dass er die Feldverteilung selbst nicht stört. Dies konnte erreicht werden, indem äusserst geringe elektrische Verschiebeströme gemessen werden.

Zur Zeit wird gerade ein Patent für diesen Reaktor und den zugehörigen Prozess eingereicht. Mit Hilfe dieser Technologie wird es möglich sein, Si-Dünnfilmsolarzellen zu geringeren Herstellkosten und vermutlich auch mit höheren Wirkungsgraden zu produzieren.

Referenzen:

[1] Curtins H, Wyrsch N., Favre M. and Shah A.,: Influence of plasma excitation frequency for alpha-Si:H thin film deposition, Plasma Chem. Plasma Processing 7, 267 (1987)

[2] Hautala J. Saleh Z. Westendorp J.F.M., Sherman S. and Wagner S.: High Deposition Rate alpha-Si:H for the Flat Panel Display Industry, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol 420, Pittsburgh, p. 83 (1996)

[3] Finger F. Kroll U., Viret V., Shah A., Beyer W., Tang X.-M., Weber J., Howling A. A. and Hollenstein C.: Influences of a high excitation frequency (70 MHz) in the glow discharge technique on the process plasma and the properties of hydrogenated amorphous silicon, J. Appl. Phys. 71, 5665 (1992)

[4] J. Kuske et al.: Power Feeding in Large Area PECVD of Amorphous Silicon, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 377 (1995)

[5] M. A. Liebermann, J.P. Booth, P. Chabert, J.M. Rax and M.M. Turner: Standing wave and skin effects in large-area, high-frequency capacitive discharges, Plasma Sources Sci. Technol. 11 (2002) 283–293