Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl-Ziele des Projektes
Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist die Untersuchung der Herstellung von reinen kristallinen Silizium(Si)-Schichten für Anwendungen in der Dünnschicht-Photovoltaik und in der Batterietechnik.
Mittels Elektronenstrahlverdampfung (ESV) sollen amorphe Silizium(a-Si)-Schichten abgeschieden und im Anschluss durch die Einwirkung eines Elektronenstrahls kristallisiert werden. Zur Erfüllung der hohen Reinheitsanforderungen soll die Anwendung einer tiegelfreien ESV zusätzlich untersucht werden. Dabei erfolgt die Verdampfung aus einem hochreinen Si-Kristallblock, welcher auf einem speziell geschichteten Stapel von Si-Wafern gelagert wird und dadurch keinen direkten Kontakt zu Kontaminationsquellen wie einem Tiegelmaterial besitzt.
Zu untersuchende Aspekte für dieses Verfahren sind:
- das Aufheizen des Si-Materials ohne das Eintreten von Sprödbrüchen,
- die Begrenzung der Schmelzsumpfabmessung zur Verhinderung von Leckagen,
- die Vermeidung von Spritzern aus der Schmelze,
- die rissfreie Abkühlung des Kristallblocks zur Wiederverwendung und
- der mögliche Eintrag von Verunreinigungen
Die erfolgreiche Einsetzbarkeit des tiegelfreien ESV-Prozesses soll durch begleitende FEM-Simulationen des Temperatur- und Spannungsfeldes experimentell bestätigt und hinsichtlich der genannten Aspekte optimiert werden. Durch Analysen zur chemischen Zusammensetzung sowie durch Mikrowägungsanalysen soll der Einfluss einer Vakuumunterbrechung zwischen Abscheidung und Kristallisation für den Eintrag von Kontaminationen bewertet werden.
Die Wirkungsmechanismen eines fokussierten axialen Elektronenstrahls werden für a-Si-Schichten durch Analysen der chemischen Zusammensetzung und durch Strukturanalysen näher untersucht. Für Anwendungen in der Photovoltaik ist die Zielstellung ein epitaktisches Kristallisieren mit dem Elektronenstrahl zu erreichen und eine einkristalline Si-Schicht mit geringer Defektdichte zu erzeugen. Dies soll durch Verwendung von kristallinen Substraten als Träger für die a-Si-Ausgangsschichten erreicht werden. Durch finales Prozessieren der Si-Schichten zu funktionstüchtigen Solarzellen und Charakterisierung der Solarzellparameter soll das Potential für eine industrielle Verwendbarkeit beurteilt werden.
Für Anwendungen als Anodenmaterial in der Batterietechnik liegt die Zielstellung in der Formation einer geordneten Schichtstruktur mit hoher Porosität. Hierfür wird angestrebt die Elektronenstrahlbearbeitung im Regime der explosiven Festphasenkristallisation auszuführen und eine Nachbehandlung durch ein Elektronenstrahl-induziertes Ätzen durchzuführen. Final wird evaluiert, inwieweit sich die neuartigen Prozessschritte einzeln und in Abfolge als produktionstaugliches Herstellungsverfahren für kristalline Si-Dünnschichten in der Photovoltaik sowie in der Batterietechnik einsetzen lassen.
