05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Untersuchung und Modellierung elektrostatischer Entladungen (ESD) von elektrisch isolierenden Oberflächen(2004) Müller, Lutz; Feser, Kurt (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Durch den zunehmenden Einsatz von Kunststoffen beziehungsweise kunststoff-beschichteten Materialien treten in der Praxis verschiedene Probleme durch die Auf- und Entladung dieser Isolierstoffe auf. Zwischen der aufgeladenen Oberfläche und geerdeten Objekten, die sich in der Nähe befinden oder angenähert werden, können elektrostatischen Entladungen (ESD) stattfinden. Diese führen einerseits zu einer ungewollten Beeinflussung empfindlicher Elektroniken in Geräten und Sensoren und zum anderen stellen diese impulsförmigen Entladungen eine Gefahr der Entzündung von Gasgemischen dar. Die Auf- und Entladung von Isolierstoff-Oberflächen ist abhängig von den klimatischen Umgebungsbedingungen, wie relativer Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Deshalb wurde der gesamte entworfene Messaufbau in einer Klimakammer untergebracht. Die untersuchten Ausgangsparameter sind die Flächenladungs-dichte bzw. das Oberflächenpotential, der Entladungsabstand und das verwendete Material sowie dessen Dicke. Es wurde von einer ebenen und sauberen Anordnung der aufgeladenen Fläche ausgegangen. Auf der Rückseite stehen die Isolierstoffe in direktem Kontakt mit einer geerdeten leitfähigen Platte, wodurch um Größenordnungen höhere Flächenladungsdichten möglich sind. Abhängig von den Ausgangsparametern können zwei Entladungsarten auftreten, die Büschel- und die Gleitstielbüschel-Entladung. Mit den vor und nach der Entladung gemessenen Flächenladungsdichte-Verteilungen auf der Oberfläche kann die sich entladende Fläche und die entladene Ladungsmenge bestimmt werden. Bei der Büschelentladung wird nur ein begrenzter Teil der Oberfläche entladen. Die entladene Ladungsmenge in einer dreidimensionalen Darstellung bildet die Form eines Kegels, mit dem Fußpunkt der Entladung im Zentrum. Die Büschelentladung kann bei höherem Aufladungs-potential eine Gleitstielbüschel-Entladung einleiten, bei der viele Entladungskanäle auf der Oberfläche entstehen, die sich radial vom Entladungspunkt fortbewegen, verzweigen und somit eine große Fläche entladen. Diese Darstellung wird auch als Lichtenbergfigur bezeichnet. Durch die wesentlich größere entladene Fläche als bei der Büschelentladung, ist die entladene Ladungsmenge und damit die im Funkenkanal umgesetzte Energie bei der Gleitstielbüschel-Entladung um Grössenordnungen größer. Die entladene Ladungsmenge sowie die umgesetzte Energie können mit dem gemessenem Entladungs-strom-Impuls berechnet werden. Ein für die Praxis wichtiger Wert ist der Betrag des Oberflächenpotentials, bei dem die Büschel- in die Gleitstielbüschel-Entladung übergeht. Dieser wurde in Abhängigkeit von dem Material und dessen Dicke ermittelt und durch eine Funktion approximiert. Mit Kenntnis dieses Grenzaufladungs-Potentials kann man abschätzen, ob eine Gleitstielbüschel-Entladung, die ein wesentlich höheres Gefährdungspotential als die Büschelentladung aufweist, auftreten kann oder nicht. Für den Bereich der Büschelentladungen wurden, ausgehend von den durchgeführten Messungen, Funktionen approximiert, welche den Entladungskegel und den Entladungsstrom-Impuls als Funktion der Ausgangsparameter beschreiben. Auch wenn aus einer Reihe von Messbeispielen, die zu den angegebenen Beschreibungsformeln führten, keine Allgemeingültigkeit abgeleitet werden kann, so sind die Approximationsformeln in der Praxis doch ein gutes Mittel, um schnell und ohne Messung die sich entladende Fläche, die dazu-gehörige entladene Ladungsmenge und die zu erwartende umgesetzte Energie im Funkenkanal abzuschätzen. Parallel hierzu wurde ein PSpice-Modell entwickelt, welches ebenfalls die Bestimmung der umgesetzten Leistung bzw. Energie während der Entladung ermöglicht. Im Gegensatz zu den Untersuchungen bei Büschelentladungen, bei denen Parameterstudien für einige Parameter durchgeführt wurden, ist bei der Gleitstielbüschel-Entladung das prinzipelle Verhalten am Beispielmaterial PVC in Abhängigkeit vom Parameter Flächen-ladungsdichte untersucht worden. Anhand von Messungen an einem Kanal und der Betrachtung der zeitlichen Ausbreitung der Entladungskanäle wurden Kenngrößen für die Gleitentladung abgeleitet. Diese sind die mittlere entladene Flächenladungsdichte, der mittlere Radius der entladenen Fläche und die gesamte entladene Ladungsmenge. Die Abhängigkeit dieser Größen vom Parameter Flächenladungsdichte wurde ermittelt und mit approximierten Funktionen angegeben. Mit diesen Vorkenntnissen wurde ein einfaches Modell abgeleitet, welches die Bestimmung des Entladungsstromes und damit die Abschätzung der im Funkenkanal umgesetzten Energie ermöglicht. Die radiale Entwicklung der Entladungskanäle und die Startzeiten der einzelnen Kanäle sind statistisch auftretende Größen, die die Form des Stromimpulses erheblich beeinflussen. Die Voraussage der genauen Form des Stromimpulses und damit der umgesetzten Energie einer speziellen Messung ist deshalb nicht möglich. Für eine Abschätzung der maximal möglichen umgesetzten Energie ist das Modell jedoch gut geeignet.Item Open Access Transfersolarzellen aus monokristallinem Dünnschichtsilicium(2004) Rinke, Titus J.; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die vorliegende Arbeit untersucht die Technologie zum Transfer einkristalliner Si-Schichten für Bauelementanwendungen. Im Vordergrund steht dabei die Verwendung der transferierten Schichten als Absorber in monokristallinen Si-Dünnschichtsolarzellen auf Glas. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Technologie kombiniert die hohe Qualität von einkristallinem Silicium mit der Material sparenden Dünnschichttechnik, um hohe Konversionswirkungsgrade bei geringem Materialverbrauch zu ermöglichen. Der zugrunde liegende Kreisprozess stellt auf einem einkristallinen Si-Wafer einen epitaktischen, monokristallinen Si-Film her, der nach der Prozessierung der Bauelemente auf ein Fremdsubstrat übertragen wird, wodurch der Si-Wafer für weitere Prozesszyklen zur Verfügung steht. Elektrochemisch hergestelltes poröses Si bildet nach einer Kristallisation bei Temperaturen um T = 1000 °C einen Si-Film mit eingeschlossenen Hohlräumen. Wegen der Anwesenheit von Hohlräumen in dem ansonsten einkristallinen Material, ähnlich dem Aussehen eines Schweizer Käses, nennen wir dieses Material „quasi-monokristallines Silicium“, kurz QMS. Die Morphologie des QMS lässt sich durch die Herstellungsparameter in einem weiten Bereich einstellen. Eine Bor-Dotierung im Bereich NA = 10^17 cm-3 führt zu einer hohen Porosität und nach der Kristallisation zu schlauchförmigen Hohlräumen einer typischen Größe von d = 1 ... 2 µm. Bei einer Bor-Dotierung im Bereich NA = 10^19 cm-3 liegt die Porosität, bei einer Ätzstromdichte von Jätz = 12 mA cm-2, bei ca. P = 20% und bildet nach der Kristallisation Hohlräume mit einer Größe von d = 50 ... 100 nm. Stellt man sehr dünne (d < 1 µm), poröse Si-Filme her, so ist deren Struktur nach der Kristallisation durch Ausdiffusion von Hohlräumen weitgehend kompakt. Die Hohlräume in den QMS-Schichten sind in Abhängigkeit ihrer Größe facettiert. Die inneren Oberflächen von kleinen Hohlräumen bestehen aus (111)- und etwas verrundeten (100)-Facetten und bilden die Form eines Tetrakaidekahedrons, eines Körpers mit 14 Flächen. Bei größeren Hohlräumen findet man mit der Transmissionselektronenmikroskopie neben (111)- und (100)- Facetten zusätzlich höherindizierte Facetten. Die Porosität des porösen Siliciums lässt sich durch die Ätzstromdichte einstellen, wodurch die Herstellung einer porösen Doppelschicht mit einer oberflächennahen niederporösen und einer vergrabenen hochporösen Schicht möglich ist. Bei der Kristallisation bildet sich durch morphologische Umordnung aus dieser Doppelschicht ein QMS-Film auf einer - mechanisch schwachen - sogenannten Trennschicht. Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) bei T = 1100 °C erzeugt unter optimierten Bedingungen auf dem QMS-Film eine Epitaxieschicht mit einer Defektdichte von weniger als nDef = 1000 cm-2. Die geringe Defektdichte in den Epitaxieschichten ermöglicht nach der Herstellung und dem Transfer von Solarzellen einen Konversionswirkungsgrad von bis zu eta = 15.3 %. Dieser Wirkungsgrad ist der weltweit höchste, der mit Solarzellen auf der Basis von kristallinem Dünnschichtsilicium auf Glas bisher erreicht wurde. Diese Solarzellen haben eine Gesamtdicke von d = 24.5 µm und sind in einer Superstrat-Konfiguration unter einem Glassubstrat angeordnet. Eine neuartige Modultechnologie ermöglicht eine einfache, integrierte Serienverschaltung durch selbstjustierende, schräggerichtete Deposition. Mit dieser Modultechnologie lassen sich Dünnschichtsilicium-Transfersolarzellen zu Solarmodulen verschalten. Die ersten nach dieser Methode hergestellten Zwei-Zellen-Mini-Module zeigen einen Füllfaktor von FF = 75.3% und eine Leerlaufspannung von V0C = 1169 mV. Diese Verschaltungstechnik ist nicht nur vielversprechend für transferierte Solarzellen, sondern eignet sich auch zur integrierten Serienverschaltung von Solarzellen auf der Basis von Cu(In,Ga)Se2. Diese Arbeit vertieft das Verständnis der Vorgänge bei der Kristallisation von porösem Silicium und bietet erstmals eine grundlegende Evaluierung des Potentials von transferierbaren, einkristallinen Silicium-Dünnfilmen. Eine umfassende Untersuchung der strukturellen und technologischen Möglichkeiten hat zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen geführt, deren Wirkungsgrad mit ca. 20 mal dickeren Solarzellen aus heutigen Produktionslinien vergleichbar ist.