Kiel Nano, Surface and Interface Science (KiNSIS)

Kolloquiumsvortrag: Großflächiges Magnetronsputtern von Solarzellen und Wasserspaltungselektroden für zukünftige regenerative Energieversorgung

08.07.2014 von 17:00 bis 18:30

Kiel, Leibnizstraße 13, Hans-Geiger-Hörsaal

Dr. Klaus Ellmer
(HZB Helmholtz Zentrum Berlin)


Großflächiges Magnetronsputtern von Solarzellen und Wasserspal-tungselektroden für eine zukünftige regenerative Energieversorgung
Magnetronsputtern, ein plasmagestütztes, großflächiges Abscheideverfahren, das bereits 1939 von Penning [1] erfunden wurde, sich aber erst seit etwa 1973 durchsetzte, wird heute für viele Be-schichtungen industriell eingesetzt, z.B:
• Architektur- und Wärmedämmglasbeschichtungen (low e coatings),
• optische und oxidische Schutzschichten,
• magnetische Schichten, hauptsächlich für Festplatten,
• transparente Elektroden.
Erstaunlicherweise wird Magnetronsputtern noch nicht in großem Maßstab für aktive Halbleiter-schichten, z.B. in Dünnschichtsolarzellen eingesetzt. Das hängt damit zusammen, dass die Energien der Teilchen in einer Magnetronentladung, die zur Schichtbildung beitragen oder diese unterstützen, wesentlich höher sind, verglichen mit dem thermischen Aufdampfen oder der plasmagestützten CVD (< 1 eV). Die gesputterten Targetatome haben Energien bis zu einigen 10 eV. Negative Ionen (O-, S-, Au- u.a.) weisen sogar Energien von einigen 100 eV auf, da sie von der Target-oberfläche, die sich auf einem hohen negativen Potenzial befindet, zur wachsenden Schicht hin beschleunigt werden (siehe z.B. [2]). Das ist einer der Gründe, warum Magnetronsputtern noch nicht für aktive Halbleiterschichten (z.B. in Solarzellen oder für Wasserspaltungselektroden), die sehr defektemp-findlich sind, industriell eingesetzt wird. Wir haben in den letzten Jahren zeigen können, dass durch Anpassung der Entladungsbedingungen (Druck, Anregungsfrequenz, Substrattem-peratur usw.) die Defektbildung drastisch reduziert werden kann. In diesem Vortrag werden das physikalische Prin-zip, die Funktionsweise und die Prozesse an den Elektroden (Target, Substrat) eines Magnetrons dargestellt. Die Potenzialverteilung in einer Magnetronentladung wird diskutiert und gemessene Energieverteilungsfunktionen verschiedener Ionen am Ort des Substrats angegeben. Beispiele für die Anwendung des Magnetronsputterns für Schichten für die regenerative Energieerzeugung (Dünnschichtsolarzellen und Elektroden für die photo-elektrochemische Wasserspaltung) sind hochdotierte ZnO-Schichten als transparente Elektroden, Chalkopyritschichten (Cu(In,GaS(e)2) als Absorberschichten und BiVO4-Schichten als Anoden für die photoelektrochemische Wasserspal-tung, deren Herstellung erläutert wird. [1]F.M. Penning, USA Patent 1939.[2]T. Welzel, K. Ellmer, J. Phys. D 46 (2013) 315202.

http://www.physik.uni-kiel.de/physkoll/pdf/PhysKoll-2014-07-08.pdf

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