Entwicklung und spektroskopische Untersuchung eines Mikrowellen-Plasmabrenners für die Schichtabscheidung aus Pulvern

Abstract

Nachhaltige Energiekonzepte, wie die Verwendung von regenerativen Energien, spielen in Zeiten von immer größer werdendem Energiebedarf eine entscheidende Rolle. Insbesondere im Bereich der Photovoltaik hat Deutschland seit jeher eine Vorreiterrolle eingenommen. Damit ist Deutschland der zentrale Standort für Photovoltaikforschung. In der vorliegenden Arbeit wird eine Möglichkeit zur plasmagestützten Abscheidung von amorphem Silizium aus Pulver entwickelt und untersucht, um eine kostengünstige Alternative zu den bestehenden Verfahren zu finden. Die Plasmaquelle hierfür basiert auf einem Mikrowellenresonator, welcher mit Hilfe von numerischen Simulationen mit CST Microwave Studio dimensioniert wurde und für den Betrieb bei Atmosphärendruck ausgelegt ist. Mit diesem Plasmabrenner ist es möglich ein linear ausgedehntes, freistehendes Plasma zu erzeugen, in dem Si-Partikel verdampft werden können. Die Partikel werden hierfür über einen Trägergasstrom eingeblasen und müssen während ihrer Verweilzeit im Plasma die benötigte Energie zum Verdampfen aufnehmen. Dieser Prozess wird im Detail untersucht, da sich über die Plasmalänge und den Gasfluss die maximal verwendbare Partikelgröße einstellt und für die Abscheidung von qualitativ hochwertigem amorphen Silizium der Schichtbildner vollständig gasförmig sein muss. Die Plasmaparameter T_gas, T_e und n_e, welche ebenfalls ausschlaggebend für den Beschichtungsprozess sind und in die verwendeten Verdampfungsmodelle eingehen, werden mittels optischer Emissionsspektroskopie in Abhängigkeit der Gaszusammensetzung ermittelt. Hierfür werden sowohl die relativen Intensitäten sowie die Linienprofile der Atomlinien der Balmerserie gemessen und ausgewertet. Die abgeschiedenen Schichten wurden mittels REM-, FTIR- und XPS-Analyse sowie der Photospektroskopie analysiert, wobei eine Verunreinigung der Schichten mit Sauerstoff ermittelt wurde, welche negative Auswirkungen auf die Leitfähigkeit der Schicht hat. Dennoch ist die Morphologie sowie die optische Qualtität der Schichten vergleichbar mit den Ergebnissen gängiger PECVD-Verfahren.

Sustainable energy strategies like the usage of renewable energy sources play an important role particularly in times of increasing energy demand. Especially in the field of photovoltaics Germany has always been a pioneer. Therefore Germany is the central location for photovoltaics research. In the presented work a possibility for the plasma assisted deposition of amorphous silicon with silicon powder is developed and investigated to find a cost-effective alternative to the established processes. The plasma source based on a microwave cavity was developed by means of numerical simulations with CST Microwave Studio and designed for the operation at atmospheric pressure. With this plasma torch it is possible to generate a linear free standing plasma, in which Si particles can be evaporated. Therefore the particles are injected into the plasma via a carrier gas flow and have to absorb the evaporation energy during their plasma dwell time. This process will be investigated in detail since the maximum of the suitable particle size depends on gas flow and plasma length, and for the deposition of high-quality amorphous silicon the precursor has to be fully gaseous. The plasma parameters T_gas, T_e and n_e, which are also crucial factors for the deposition process and the used model, are determined by optical emission spectroscopy in dependence of the gas mixture. Therefore the relative intensity as well as the line profile of the atomic lines of the Balmer series were measured and evaluated. The deposited coatings were analysed by SEM, FTIR, XPS and photo spectroscopy whereat a contamination with oxygen was observed, which has negative effects on the conductivity of the coatings. Nevertheless the morphology as well as the optical quality of the coatings are comparable with results of common PECVD processes.