Χημική εναπόθεση μικροκρυσταλλικού υδρογονωμένου πυριτίου με πλάσμα υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων
Authors: Δημητρακέλλης Παναγιώτης 
Published: September 2021

Το μικροκρυσταλλικό υδρογονωμένο πυρίτιο (μc-Si:H) βρίσκει ευρεία εφαρμογή ως ενδογενής ημιαγωγός σε φωτοβολταϊκές ιδιοσυσκευές απλής και ανάστροφης δομής (tandem). Το πλεονέκτημά του σε σχέση με το άμορφο υδρογονωμένο πυρίτιο (a-Si:H) είναι η ενισχυμένη απορρόφηση στην περιοχή του υπερύθρου φάσματος λόγω του χαμηλού ενεργειακού χάσματος (1,1 eV) αλλά και η απουσία υποβάθμισης την ποιότητας του υλικού εξαιτίας του φαινομένου Staebler και Wronski. Από την άλλη πλευρά, το μικροκρυσταλλικό πυρίτιο παρουσιάζει χαμηλότερη απορρόφηση στο ορατό φάσμα σε σχέση με το άμορφο πυρίτιο με αποτέλεσμα να απαιτείται μεγαλύτερο πάχος της ενδογενούς στοιβάδας (0,8 – 1,5 μm) για την αποτελεσματική οπτική απορρόφηση [1,2]. Χρησιμοποιώντας την τυπική για την εναπόθεση λεπτών υμενίων άμορφου πυριτίου τεχνική της χημικής εναπόθεσης ατμών ενισχυμένη με πλάσμα (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition – PECVD) στη συχνότητα 13,56 MHz οι ρυθμοί εναπόθεσης για το μικροκρυσταλλικό πυρίτιο είναι αρκετά χαμηλοί με αποτέλεσμα οι χρόνοι εναπόθεσης να είναι απαγορευτικοί για τη βιομηχανία. Έτσι γίνεται επιτακτική η ανάγκη για υψηλούς ρυθμούς εναπόθεσης (> 5 Å/s) ούτως ώστε να είναι εφικτή η παραγωγή φωτοβολταϊκών κελιών χαμηλού κόστους.Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν εναλλακτικές τεχνικές ενίσχυσης του ρυθμού εναπόθεσης λεπτών υμενίων μικροκρυσταλλικού υδρογονωμένου πυριτίου με σκοπό την εφαρμογή τους σε φωτοβολταϊκές συσκευές λεπτών υμενίων πυριτίου. Μια από αυτές τις τεχνικές είναι η χρήση πηγών πλάσματος υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων με σκοπό την ενίσχυση του ρυθμού διάσπασης των αντιδρώντων αερίων που θα οδηγήσει σε αυξημένους ρυθμούς εναπόθεσης. Μια άλλη τεχνική αφορά στη χρήση εναλλακτικού μίγματος αντιδρώντος αερίων αντί του τυπικού μίγματος SiH4/H2. Με βάση αυτά λοιπόν η διατριβή χωρίζεται σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος πραγματεύεται την κατασκευή πηγής πλάσματος τύπου hollow cathode και την χρήση της για την εναπόθεση λεπτών υμενίων πυριτίου με υψηλούς ρυθμούς. Στο δεύτερο μέρος μελετάται η χρήση Si2H6 ως επιπρόσθετο αντιδρών στο μίγμα SiH4/H2 και η επίδραση που έχει στο ρυθμό ανάπτυξης και την ποιότητα των λεπτών υμενίων πυριτίου.Στο πρώτο μέρος της διατριβής μελετήθηκε η χρήση πηγής πλάσματος υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων τύπου hollow cathode με σκοπό την ενίσχυση του2ρυθμού εναπόθεσης λεπτών υμενίων μικροκρυσταλλικού πυριτίου. Μια τέτοια πηγή αποτελείται από μια ή περισσότερες κοιλότητες στην επιφάνεια του πολωμένου ηλεκτροδίου κι έχει αποδειχθεί ότι οδηγεί σε αρκετά υψηλότερες πυκνότητες ηλεκτρονίων σε σχέση με μια συμβατική πηγή χωρητικής σύζευξης (CCP). Τα δευτερογενή ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από την επιφάνεια της καθοδικής κοιλότητας παγιδεύονται ανάμεσα στα απωθητικά δυναμικά των περιβλημάτων της κοιλότητας και ενισχύουν το ρυθμό ιονισμού των ουδέτερων μορίων με αποτέλεσμα το πλάσμα που δημιουργείται να επιδεικνύει μια δραστική ενίσχυση της πυκνότητας των ηλεκτρονίων [3]. Το γεγονός αυτό καθιστά την πηγή αυτή κατάλληλη για εναποθέσεις υλικών και εξεργασία επιφανειών. Όσον αφορά το μικροκρυσταλλικό πυρίτιο, η χρήση πηγής hollow cathode πολλαπλών καθοδικών κοιλοτήτων έδειξε εντυπωσιακά αποτελέσματα όσον αφορά την ενίσχυση του ρυθμού εναπόθεσης [4,5].Στην πλαίσια της διατριβής κατασκευάστηκαν δύο διαφορετικά σε γεωμετρία ηλεκτρόδια τύπου hollow cathode τα οποία αποτελούνται από πολλαπλές κοιλότητες και διαφέρουν στον αριθμό και το μέγεθος αυτών των κοιλοτήτων. Τα δύο ηλεκτρόδια κατασκευάστηκαν από αλουμίνιο και έχουν κυλινδρικό σχήμα με διάμετρο 120 mm. Το πρώτο ηλεκτρόδιο (HC1) αποτελείται από 40 κοιλότητες μήκους 5 mm και διαμέτρου 3mm [6]. Το δεύτερο ηλεκτρόδιο τύπου hollow cathode (HC2) αποτελείται από λιγότερες κοιλότητες, 12 τον αριθμό, οι οποίες όμως έχουν αρκετά μεγαλύτερες διαστάσεις σε σχέση με το ηλεκτρόδιο HC1. Πιο συγκεκριμένα, οι κοιλότητες έχουν μήκος 18 mm και διάμετρο 20 mm.Η γεωμετρία της πηγής επηρεάζει σημαντικά τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά μιας εκκένωσης hollow cathode και ο συνδυασμός πίεσης και γεωμετρίας παίζει τον πιο σημαντικό ρόλο στην κατανάλωση ισχύος και την μετάβαση σε hollow cathode λειτουργία [7]. Για το λόγο αυτό μελετήθηκε και βελτιστοποιήθηκε η πηγή όσον αφορά την πίεση και τη γεωμετρία σε εκκενώσεις καθαρού Η2 το οποίο βρίσκεται σε περίσσεια στο μίγμα με το SiH4 κατά την εναπόθεση λεπτών υμενίων πυριτίου. Η βελτιστοποίηση της διεργασίας όσον αφορά στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά επικεντρώνεται στην ενίσχυση του ρεύματος της εκκένωσης και της μέσης πυκνότητας ηλεκτρονίων για σταθερή τάση στο πολωμένο ηλεκτρόδιο, αλλά και στην μεγιστοποίηση της απόδοσης στη μεταφορά ισχύος από την γεννήτρια στο πλάσμα....