Magnetronsputtern von Sulfiden für die Photovoltaik K. Ellmer, S. Seeger

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1 Magnetronsputtern von Sulfiden für die Photovoltaik K. Ellmer, S. Seeger Dünnschichtsolarzellen Anforderungen an Absorber CuInS -Absorber In S 3 -Pufferschichten MoS -Absorber Zusammenfassung/Ausblick

2 Kontaktgitter Kontakt- und Fensterschicht Pufferschicht Lichtabsorber hν Al (1 µm) ZnO:Al (35 nm) ž/ q, žcm ZnO (1 nm),5 žcm CdS (5 nm) CuInS ( µm) (Metallgitter) Fensterschicht Pufferschicht Absorber Rückseitenkontakt Rückkontakt Mo (8 nm),5 ž/ q,. 1-5 žcm Substrat Float-Glas (,8 mm) ZnO:Al/ZnO CuInS Molybdän Float-Glas

3 Anforderungen an photovoltaische Materialien Eg für η>% ] CuInS absorption coefficient [cm CIS 1. InP GaAs c-si CdTe 1.5 a-si:h. CdS.5 photon energy [ev] Kleine Absorptionslänge (α -1 <.5 µm) Passende Bandlücke (1- ev) Toxikologische und ökologische Unbedenklichkeit

4 Anforderungen an einen Abscheideprozeß Großflächige Beschichtung (> 1 m ), billig. Hohe Abscheideraten. Niedrige Substrattemperaturen (< 5 C). Gute Filmhaftung, gleichmäßige Schichtdicken und hohe Filmdichte. Abscheidung von Legierungen und Verbindungen. Einfacher Aufbau, robust im Betrieb, gute Langzeitstabilität. Magnetronsputtern

5 Kontaktgitter Kontakt- und Fensterschicht Pufferschicht Lichtabsorber hν Al (1 µm) ZnO:Al (35 nm) ž/ q, žcm ZnO (1 nm),5 žcm CdS (5 nm) CuInS ( µm) Metallgitter Fensterschicht Pufferschicht Absorber Rückseitenkontakt Rückkontakt Mo (8 nm),5 ž/ q,. 1-5 žcm Substrat Float-Glas (,8 mm) ZnO:Al/ZnO CuInS Molybdän Float-Glas

6 Mini-TWINMAG In Cu Blende Current density (ma/cm²) Eff. (%) 6.4 V OC (V).595 J SC (ma/cm²) 19.5 FF (%) Substrat Voltage (V) K. Ellmer, J. Hinze, J. Klaer, Thin Solid Films 413()9

7 In S 3 -Pufferschichten auf CIGS (Würth Solar) ZnO Bruchkanten-HREM: CIGS/CdS/ZnO Cu(In,Ga)Se CdS Ersatz durch In S 3 (ungiftig) R. Menner, M. Oertel

8 14 1 In S 3 -Pufferschichten auf CIGS (Würth Solar) Wirkungsgradbereich der ALCVD-In S 3 - und CdS-Referenz-Proben rot DC-Sputtern gelb RF-Sputtern Wirkungsgrad [%] DC, 1 Pa DC, 1 Pa RF, 1 Pa RF, 1 Pa RF, 5 Pa RF, 5 Pa DC, 1 Pa DC, 1 Pa RF, 1 Pa RF, 1 Pa RF, 5 Pa RF, 5 Pa gelb/ rot nach Temperung an Luft (h) grau as grown Positiver Einfluss der nachträglichen Temperung auf Zellwirkungsgrad Depositionsraten: 5,6 nm/min (RF) bzw. 1,7 nm/min (DC) dünnes In S 3 Pufferherstellung dickes In S 3 R. Menner, M. Oertel

9 Druck-, Spannungseinfluß auf Mo-Abscheidung 4 DC- und RF(7 MHz)-Abscheidung 1 DC-Abscheidung Mo W 15 W 75 W 1 RF3 W RF.5Pa DC3 W DC15 W W 15 W 3 W RF15 W DC75 W 1 Mo 1 Sputterschwelle Targetspannung [V] Ar-Sputterdruck [Pa] 6 7

10 4 3 RF.5Pa 1 RF3 W RF15 W Sputterschwelle DC- und RF(7 MHz)-Abscheidung Targetspannung [V] TRIM DC3 W DC15 W DC75 W Ar + -->Mo Argonenergie [V] Energie des reflektierten Argons [ev] 15 1 TRIM-Simulationen 5 1

11 3 RF-Magnetron (7.1MHz) n=.6.5 Pa Pa Pa 58 Pa 6 Pa W 8 Pa 5 Pa 45 W.6 Pa 1.5 Pa 3 W.5 Pa Magnetron-Sputtern vom Mo-Target in Argon 6 MoS (DC 3 W) 15 W W Pa.6 Pa Pa 5 8 Pa Pa RF-Magnetron (13.56 MHz) n=.9 1 W 4 Mo (DC 3 W, balanciert) Mo (RF 13 MHz, 3 W) Mo (RF 7 MHz, 3 W) DC-Magnetron n= Entladungsspannung U E [V] 4 6 Argondruck p [Pa] 8 1

12 DC 3W, Ar/H S=1/3, T s =45C, t=min 4 6 Sputterdruck [Pa] DC 3W, T S =45C, t=min, Druckvariation, H S/Ar=3 p=.9 Pa p=.5 Pa p=.7pa p=5 Pa p=6.5 Pa p=8.7 Pa Photonenenergie [ev]

13 DC φ target substrate φ target RF substrate cathode fall PLASMA cathode fall PLASMA Ar +,O + Zn + e -,O - Vp= 3V O - Ar +,O + Zn + VF x V p -Vf = V Ar +,O + Zn + e -,O - Vp=45 V O - Ar +,O + Zn + Vf x Vp -Vf =5 V Vt= 1 V Vt= -3 V Hohe Abscheiderate Hohe Teilchenenergien Niedrigere Plasmadichte am Substrat Niedrige Abscheiderate Geringere Teilchenenergien Hohe Plasmadichte am Substrat

14 Reaktives Magnetronsputtern (RMS) in Ar/H S ist PRINZIPIELL geeignet, um CuInS (η>8%) und andere sulfidische Verbindungshalbleiter herzustellen (CdS, In S 3, MoS, WS ). ABER: Jedes Material muß separat optimiert werden, da außer den Plasmaparametern auch strukturelle (Defekte), morphologische (Dichte) und elektronische (Rekombinationszentren) Schichteigenschaften die Materialqualität bestimmen! Weitere Experimente sind notwendig, um das Potential des RMS für niedrigere Substrattemperaturen und für die Präparation von Gradientenschichten auszuschöpfen. Andere Schwefelquellen(z.B. S-Sputterquelle) testen. Die Plasmabedingungen (Druck, Entladungsspannung) müssen so eingestellt werden, daß der Beschuß der wachsenden Halbleiterschichten durch hochenergetische Teilchen (Ionen, schnelle Neutrale mit E > 5 ev) minimiert wird.

15 Jan Hinze (HMI) Richard Menner (ZSW) Mike Oertel (ZSW)