Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3513
Wohllebe, Andreas
Laserkristallisierung amorpher Siliziumschichten für photovoltaische Anwendungen
148 S., 1998
Mikrokristallines Silizium ist vor allem wegen seiner erhöhten Absorption irn nahen
Infrarot gegenüber amorphem Silizium für die Herstellung von Dünnschicht-Stapelzellen interessant.
Ziel dieser Arbeit ist die Herstellung mikro- bzw. polykristalliner Siliziumschichten bei niedrigen
Temperaturen auf preiswerten Substraten wie z. B. Coming-Glas durch Laserkristallisierung mit Hilfe
eines gepulsten Nd- Y AG-Lasers bei Wellenlängen von 1064 und 532 nm. Bei 1064 nm ist eine
Kristallisierung von amorphen Siliziumschichten einer Dicke bis zu 800 nm möglich. Die Kristallite
erstrecken sich von der Substratgrenzfläche bis zur Schichtoberfläche, zeigen eine laterale
Ausdehnung von mehreren hundert nm sowie eine scharfe Grenzfläche zum Substrat und somit
vielversprechende Eigenschaften für photovoltaische Anwendungen. Eine Vorzugsorientierung der
Kristallite wurde nicht beobachtet. Unter Berücksichtigung der Kristallitgrößen und der
Oberflächenmorphologie von Schichten einer Dicke von 400-500 nm lag die optimale Pulsenergie pro
cm² zwischen 200 und 400 mJ Schichten, die bei 1064 nm Anregungswellenlänge kristallisiert
wurden, zeigen eine mit der Pulsenergie zunehmende Oberflächenrauhigkeit in der Größenordnung
der Schichtdicke, die bei [lambda]=532 nm nicht zu beobachten ist. Dieser Unterschied ist auf nichtlineare
selbstverstärkende Effekte für die Probenerwärmung bei 1064 nm zurückzuführen, die bei einer
Anregungswellenlänge von 532 nm keine Rolle spielen. Simulationsrechnungen ergeben für die
a-Si-Schichten bei den verwendeten Energiedichten für [lambda]=1064 nm einen mittleren Absorptions-
koeffizienten, der um etwa einen Faktor 7 über dem linearen Wert liegt. Die Abhängigkeit der
Kristallitgrößen von der Pulsenergie bei [lambda]=532 nm konnte mit Hilfe von Simulationsrechnungen auf
die Aufschmelztiefe der Schichten zurückgeführt werden, wobei eine maximale Kristallitgröße nur
bei einem vollständigen Aufschmelzen erreicht wird. Mit Hilfe von strukturierter Laserkristallisierung
wurde gezeigt, daß laserkristallisierte Keimpunkte in einer amorphen Matrix bei anschließender
thermischer Kristallisierung eine höhere durchschnittliche Kristallitgröße (bis 2 µm) irn Vergleich zu
rein thermisch kristallisiertern Material bewirken. Der Grund ist eine bevorzugte Nukleation an der
Grenzfläche der laserkristallisierten Punkte in Verbindung mit einer erhöhten Kristallisations-
geschwindigkeit an Zwillingsebenen. Epitaxieversuche haben gezeigt, daß PECVD-Siliziurn
epitaktisch auf CoSi2 gewachsen werden kann, welches daher für den Einsatz in
Dünnschichtsolarzellen interessant ist.
Due to its enhanced absorption in the near infrared with respect to amorphous Silicon
microcrystalline Silicon is a promising material for the preparation of stacked thin film solar cells.
The aim of this work is the preparation of micro- or polycrystalline Silicon films at low temperatures
on low cost substrates like Corning-Glass by laser crystallization using a Nd-YAG-laser at excitation
w ave lengths of 1064 and 532 nm. At 1064 nm a crystallization of amorphous silicon films up to a
thickness of 800 nm is possible. The crystallites extend from the substrate interface to the surface of
the film and show a lateral extent of several hundred nm as weIl as a sharp interface to the substrate
which are promising properties for photovoltaic applications. No preferential orientation was
observed. With respect to the crystallite size and the surface morphology of films with a thickness of
400-500 nm the optimum pulse energy per cm² was found between 200 and 400 mJ .Films crystallized
at an excitation wavelength of 1064 nm show an increasing surface roughness in the order of
magnitude of the film thickness with increasing pulse energy which can not be observed at [lambda]=532 nm.
This difference is caused by nonlinear selfamplifying effects of the heating of the film at 1064 nm
which are of no importance at 532 nm. Computer simulations show an enhanced absorption
coefficient of the a-Si-films at the used energy densities which is seven times higher than the linear
value. The pulse energy dependence of the crystallite size at [lambda]=532 nm could be attributed to the
melting depth of the film by computer simulations showing a maximum grain size if the film is totally
melted. Structured laser crystallization revealed that laser crystallized seed points in an amorphous
matrix cause larger grain sizes (up to 2 µm) in a subsequent thermal annealing step with respect to
thermal crystallized silicon without a seed pattern. This enhanced crystallite size is due to preferential
nucleation at the laser crystallized spots in combination with an enhanced crystal growth speed at twill
boundaries. Epitaxy experiments have shown that PECVD-silicon can be epitaxially grown on CoSi2,
which is thus promising for an application in thin film solar cells.
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