In-situ Raman spectroscopy : a method to study and control the growth of microcrystalline silicon for thin-film solar cells

Muthmann, Stefan; Rau, Uwe

doi:999910223349

In-situ Raman spectroscopy : a method to study and control the growth of microcrystalline silicon for thin-film solar cells = In-Situ Raman-Spektroskopie : eine Methode, das Wachstum von mikrokristallinem Silizium für den Einsatz in Dünnschichtsolarzellen zu untersuchen und zu kontrollieren

Muthmann, Stefan

2012

VerantwortlichkeitsangabeStefan Muthmann

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek 2012

UmfangX, 136 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Energie & Umwelt ; 133

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Uwe (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-01-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-41203
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/60609/files/4120.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Photovoltaik (FZ Jülich) (615610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Photovoltaik (Genormte SW) ; Photovoltaikindustrie (Genormte SW) ; Silicium (Genormte SW) ; Raman-Spektroskopie (Genormte SW) ; Raman-Effekt (Genormte SW) ; PECVD-Verfahren (Genormte SW) ; Physik (frei) ; silicon (frei) ; Raman (frei) ; in-situ (frei) ; PECVD (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Optimales Absorbermaterial für mikrokristalline (µc-Si:H) Dünnschichtsolarzellen erhält man in einem engen Prozessfenster, nahe am Phasenübergang zu amorphem Silizium. Deshalb sind das genaue Verständnis und die Kontrolle des Abscheidprozesses von großer Bedeutung. Raman Spektroskopie ist eine Messmethode, mit der man beobachten kann, ob wichtige Materialeigenschaften den Anforderungen des schmalen Prozessfensters genügen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Anwendung eines neuartigen Messaufbaus, der es erlaubt während der Plasma unterstützten chemischen Gasphasen Abscheidung (PECVD) Raman Spektroskopie zu betreiben. Es werden in-situ Messungen des kristallinen Volumenanteils und der Temperatur einer wachsenden µc-Si:H Schicht mittels Raman-Spektroskopie beschrieben. Um Raman-Spektroskopie an zentralen Bereichen des beschichteten Substrats in einem PECVD System durchführen zu können benötigt man optischen Zugang unter senkrechtem Einfall. Ein Messaufbau, der eine optische Durchführung in eine PECVD Elektrode integriert, und minimalen Einfluss auf das Wachstum von dünnen Silizium Schichten nimmt, wurde entwickelt. Dieser Aufbau führt zu Störungen des elektrischen Feldes, mit dem das Plasma erzeugt wird. Durch den Einsatz von elektrischen Abschirmungen wurde der Einfluss der optischen Durchführung, bei guter optischer Transparenz, auf das Schichtwachstum stark verringert. Die Homogenität von Schichten die mit dem neuen Aufbau in verschiedenen Wachstumsregimen – gekennzeichnet durch den Prozessdruck von 6~bis 18~Torr- wurde untersucht. Ein Zusammenhang zwischen der Ausprägung der Inhomogenität, die durch die Durchführung verursacht wird, und den Eigenschaften der Depositionsregime wurde beobachtet. Da Raman Spektroskopie mittels elastischer Streuung von Laserstrahlung durchgeführt wird, kann die untersuchte Schicht durch die Raman Messungen erhitzt werden. Da die Temperatur das Schichtwachstum entscheidend beeinflusst wurde die Aufheizung der Schicht durch Raman Messungen untersucht. Durch Modulieren der Laserleistung wurde maximale Signalintensität bei minimaler Aufheizung erreicht. Mit dem neuentwickelten Messaufbau wurden Messungen des kristallinen Volumenanteils während der Abscheidung von µc-Si:H durchgeführt. Eine exzellente zeitliche Auflösung von etwa 17.5~s, bei guter Auswertbarkeit der aufgenommenen Spektren, wurde erreicht. Bei einer industriellen Standardwachstumsrate von etwa 0.5~nm/s entspricht das weniger als 9~nm Siliziumabscheidung innerhalb eines Messintervalls. Ein Vergleich der in-situ Messungen mit tiefenaufgelösten Daten, die nach der Schichtabscheidung gewonnen wurden, zeigt eine sehr gute Übereinstimmung beider Methoden. Da der Beginn der Absorber Abscheidung von großem Einfluss für die Eigenschaften einer µc-Si:H Dünnschichtsolarzelle ist wurde die Entwicklung des kristallinen Volumenanteils während dieser Abscheidungsphase untersucht. Der Einfluss der Saatschicht auf das Wachstumsverhalten des Absorbers konnte bestimmt werden. Eine Zunahme und anschließende Stabilisierung des kristallinen Volumenanteils während der ersten Wachstumsphase wurde beobachtet. Es konnte gezeigt werden, dass mit einer aktiven Regelung des Gasflusses eine Verbesserung der Homogenität in Wachstumsrichtung erreicht werden kann. Ein möglicher Einsatz von in-situ Raman-Spektroskopie als Grundlage für eine aktive Prozessregelung wurde, anhand des Beispiels einer Störung des Prozessgasflusses, während des Absorberwachstums einer Silizium-Dünnschicht-Solarzelle untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Prozessstörungen mit dem neuentwickelten Messaufbau detektiert werden können. Durch Korrelation der in-situ Messungen zu den Parametern von Solarzellen wurde festgestellt, dass es möglich ist, die Leistungsfähigkeit einer Solarzelle durch aktive Prozesskontrolle aufrechtzuerhalten, wenn die Störung der Prozessbedingungen nicht in der Anfangsphase der Abscheidung stattfindet. Raman Spektroskopie ermöglicht die Messung der Temperatur einer wachsenden Schicht. Bisher wurde dieser wichtige Parameter durch die Temperatur des beschichteten Substrates angenähert. Raman Spektroskopie ermöglicht die direkte Messung der Schichttemperatur. Durch eine Modulation des Plasmas, die mit den Raman Messungen synchronisiert wurde, konnte eine starke Verringerung des Messrauschens erreicht werden. Dadurch wurden Temperaturmessungen basierend auf Raman Spektroskopie ermöglicht. Zwei Depositionsregime wurden anhand ihres plasmainduzierten Temperaturanstiegs unterschieden. Durch aktive Regelung der Substratheizung konnte eine Stabilisierung der Schichttemperatur erreicht werden.

Optimum performance of a microcrystalline silicon (µc-Si:H) thin-film solar cell is achieved if the absorber layer material is deposited close to the phase transition towards amorphous Silicon. Hence exact knowledge about and control of the deposition process is of great importance. This work deals with the design and application of a novel experiment that enables in-situ Raman measurements during the parallel plate plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) of µc-Si:H. Measurements of the crystalline volume fraction and the temperature of a growing film are carried out. To enable in-situ Raman measurement of central regions of the coated substrate in a PECVD system, optical access under normal incidence is necessary. An experimental setup in which an optical feed-through was integrated into a PECVD electrode was developed. This setup introduces a disturbance to the electrical field that sustains the plasma. By designing metallic shields the impact of the feed through was reduced considerably at low optical losses. The homogeneity of films deposited with the novel setup in different growth regimes – that are characterized by their deposition pressure ranging from 6 Torr to 18 Torr – was studied. A correlation between the magnitude of the inhomogeneity caused by the feed-through and the characteristics of the deposition regimes is found. Raman spectroscopy demands the illumination of a sample with a laser and the collection of the scattered radiation. Due to absorption of the laser light the temperature of the illuminated film is increased. Since the temperature determines the properties of a growing film the laser-induced temperature increase was studied. By pulsing the laser radiation a minimal temperature increase at maximal signal intensity was obtained. The crystalline volume fraction of a growing µc-Si:H layer was determined in-situ with the novel setup. A minimal temporal resolution of less than 17.5 s at sufficient signal-to-noise-ratio was achieved which corresponds to less than 9 nm of deposited material during one measurement interval at the industrial standard growth rate of 0.5 nm/s. The obtained results were compared to depth resolved measurements that were carried out after the deposition. An excellent agreement between both methods validates the reliability of the in-situ method. The initial phase of deposition is of great importance for the performance of a µc-Si:H thin-film solar cell. Hence the dependence of the evolution of the crystalline volume fraction during initial layer growth on the properties of the underlying seed layer was studied in-situ. A seed layer dependent increase and subsequent stabilization of the crystalline Volume fraction was observed. By actively controlling the deposition parameters based on these results it was possible to reduce the observed inhomogeneity of the Raman crystallinity in growth direction. A possible application of in-situ Raman spectroscopy as basis of an active process control was studied by testing the ability of in-situ Raman spectroscopy to detect fluctuations of the deposition parameters on the example of a disturbance of the process gas flow. It was possible to detect the reaction of the layer growth on a change of deposition conditions in-situ. By correlating the in-situ measurements to results obtained on solar-cells it was found that – unless the process fluctuation happens during the initial phase of deposition – it is possible to maintain state-of-the art solar cell performance by an active process control. Raman spectroscopy can be used to measure the temperature of a film. Up to now, it was only possible to estimate this important process parameter by measurements of the temperature of the substrate by a pyrometer. Raman Spectroscopy enables the direct determination of the temperature of a growing film. By modulating the plasma emission synchronized to the Raman measurements it was possible minimize the Signal-to-noise level. Hence the sensitivity of the measurements was increased to a level that enables the in-situ determination of the film temperature. Two deposition regimes were distinguished by their characteristic plasma induced temperature increase. In situ measurements show that an active control of the substrate heater results in a stabilized temperature of the growing layer throughout the deposition of a µc-Si:H film.

Fulltext:
PDF