Zu Beginn des 21.Jahrhunderts ergeben sich bezüglich der zukünftigen Energieversorgung der Menschheit zwei wesentliche Herausforderungen. Einerseits strebt man eine ausreichende und bezahlbare Energieversorgung an, andererseits gewinnt die Reduktion von CO2-Emissionen zunehmend an Bedeutung.
Während der Energieverbrauch in den Industriestaaten stagniert, ist in den Entwicklungs- und Schwellenländern aufgrund des unverändert hohen Bevölkerungswachstums und des vorhandenen Nachholbedarfs mit einem starken Anstieg des Energieverbrauchs zu rechnen. Man geht davon aus, daß sich der Weltenergieverbrauch, im Vergleich zu 1999 ( 12,6 Mrd. t SKE ) ), bis zum Jahr 2050 verdoppeln bis verdreifachen wird ( 28 Mrd. t SKE 1) ) [ 1 ].
Nach einigen Prognosen [ 2, 3 ] wird die Endlichkeit wichtiger fossiler Energieträger im Verlauf dieses Jahrhunderts spürbar.
Möglicherweise wird jedoch nicht nur eine Verknappung der Reserven zur erheblichen Verteuerung von Energie führen, sondern auch, vermutlich durch Kohlendioxid ausgelöste, Klimaveränderungen eine Drosselung der Verbrennung fossiler Energieträger ratsam erscheinen lassen [ 2 ].
Die Nutzung der Kernenergie, welche den Vorteil bietet ohne CO2- Emission auszukommen, birgt das Risiko verheerender Unfälle sowie das Problem der bisher ungelösten Entsorgung. Obwohl die Vorräte an spaltbarem Uran länger verfügbar sind als die meisten fossilen Brennstoffe, sind auch sie endlich [ 4 ].
Unter diesen Gesichtspunkten gewinnt der Einsatz nicht-fossiler, erneuerbarer Energiequellen zunehmend an Bedeutung.
In fast allen Szenarien einer zukünftigen nachhaltigen Energieversorgung stellt die Photovoltaik einer der wichtigen Hoffnungsträger dar [ 5 ].
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[ 1 ] Reserven, Resourcen und Verfügbarkeit von Energierohstoffen – Zusammenfassung
; Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, 1999
[ 2 ] Prof.Dr.F.Vahrenholt : Energieversorgung - die entscheidende Herausforderung
der Zukunft ; Veröffentlichung, Shell Deutschland, 2000
[ 3 ] BP Amoco : statistical review of wold energy 2000
[ 4 ] W.Demtröder : Experimentalphysik 4; S.228 , 1. Aufl., Springer-Lehrbuch, 1996
[ 5 ] W.Wettling : Solarzellen - Stand der Technik; Phys.Bl. 53 , Nr. 12, 1197-1202
(1997)
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Einige Eigenschaften des Zinkselenids
3. Ausgangssituation und Vorgehensweise
4. RF-Sputtern von Zinkselenid
4.1 Die Sputteranlage
4.2 Herstellung der Schichten
4.3 Variationsmöglichkeiten der Herstellungsparameter
5. Erste Charakterisierung der ZnSe-Schichten
5.1 Aussehen und Haftung
5.2 Bestimmung der Schichtdicke
5.2.1 Ellipsometrie
5.2.2 Tolansky-Verfahren
5.2.3 Transparenz-Extrema-Verfahren
5.2.4 Aufnahmen mit dem Raster-Elektronenmikroskop ( REM )
5.2.5 Ergebnisse der Schichtdickenmessung
5.2.5.1 Einfluß der Herstellungsparameter
5.2.5.2 Oberflächenprofil der Schichten
5.3 Untersuchung der Stöchiometrie
5.3.1 EDX-Analyse
5.3.2 Ergebnisse der Stöchiometrieuntersuchungen
6. Röntgenuntersuchungen
6.1 Untersuchungen mit der Zählrohrmethode
6.1.1 Einführung
6.1.2 Auswertung der Spektren
6.2 Untersuchung mit Filmaufnahmen
6.3 Bestimmung der Korngröße
7. Absorptionsmessungen
7.1 Einführung
7.2 Ergebnisse der Absorptionsmessungen
8. Temperaturabhängige Leitfähigkeitsmessungen
8.1 Einführung
8.2 Ergebnisse der Leitfähigkeitsmessungen
9. Zusammenfassung
Zielsetzung und Forschungsgegenstand
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung und umfassenden Charakterisierung von dünnen, mittels RF-Sputtern erzeugten Zinkselenid-Schichten (ZnSe), mit dem Ziel, eine hohe senkrechte Orientierung der Schichten zur Substratoberfläche für die Anwendung in Dünnschichtsolarzellen zu erreichen.
- Optimierung der Herstellungsparameter (Sputterspannung, Argondruck, Substrattemperatur) zur Erzielung einer starken Vorzugsorientierung.
- Analyse der Schichtdicke und Oberflächenbeschaffenheit mittels verschiedener Messmethoden wie Ellipsometrie und Rasterelektronenmikroskopie.
- Untersuchung der stöchiometrischen Zusammensetzung durch EDX-Analysen.
- Bestimmung der Kristallstruktur, Texturierung und Korngröße durch Röntgenbeugungsuntersuchungen.
- Charakterisierung der optischen und elektrischen Eigenschaften mittels Absorptions- und Leitfähigkeitsmessungen.
Auszug aus dem Buch
4.2 Herstellung der Schichten
Bei jedem Herstellungsvorgang wurden jeweils gleichzeitig zwei Glasplättchen der Abmessung 76 mm × 26 mm beschichtet. Da im Vorfeld nicht auszuschließen war, daß sich beide gleichzeitig hergestellten Proben in ihren Eigenschaften unterscheiden, erhielt jede Probe eine eigene Probennummer. Im Verlauf der Untersuchungen zeigten sich aber keine wesentlichen Unterschiede der Eigenschaften der gleichzeitig hergestellten Proben. Im folgenden wird meist das Meßergebnis einer Probe erwähnt, das dann stellvertretend für das gesamte Probenpaar steht.
Gereinigt wurden die Glassubstrate mit Isopropanol. Als Sputtergas wurde Argon mit einem Reinheitsgehalt von 99.998 % verwendet. Das verwendete ZnSe-Target der Firma Leybold ist undotiert und aus feinpulvrigem ZnSe mit einem Reinheitsgehalt von 99.999 % gepresst und gesintert. Es besitzt einen Durchmesser von 76 mm und eine Dicke von 6 mm. Da das ZnSe-Target vor Begin der ersten Versuchsreihe längere Zeit nicht benutzt worden war, wurden erst einige Proben bei identischen Bedingungen hergestellt, bis es gewährleistet erschien, weitere Proben unter reproduzierbaren Bedingungen herzustellen.
Nach mehreren Sputterprozessen bildeten sich an der anfangs feinpulvrigen Targetoberfläche kleine Körnchen. Daraufhin wurde das Target jeweils nach etwa fünf Herstellungsprozessen mittels Pinsel und Druckluft gereinigt. EDX- Analysen des Staubes bzw. der Körnchen der Targetoberfläche ergaben, ebenso wie die Analysen der hergestellten Proben, keine wesentlichen Abweichungen des Zn-Se-Verhältnisses von 1:1 ( vgl. Kapitel 5.3.2 ) .
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Diese Einleitung erläutert die Relevanz der Photovoltaik für eine zukünftige Energieversorgung und begründet die Wahl von ZnSe als umweltfreundlicheres, kosteneffizientes Absorbermaterial für Solarzellen.
2. Einige Eigenschaften des Zinkselenids: Hier werden die physikalischen Grundlagen von Zinkselenid, einschließlich seiner Bandlücke, Kristallstruktur (Zinkblende und Wurtzit) und Dotierungsmöglichkeiten, dargelegt.
3. Ausgangssituation und Vorgehensweise: Dieses Kapitel beschreibt die auf Vorarbeiten basierende Versuchsstrategie zur Herstellung stark orientierter ZnSe-Schichten durch systematische Variation der Sputterparameter.
4. RF-Sputtern von Zinkselenid: Es wird der Prozess des RF-Sputterns für ein dielektrisches Target, die Anlagentechnik sowie die spezifische Vorgehensweise bei der Herstellung der Schichten und die Einstellmöglichkeiten der Parameter beschrieben.
5. Erste Charakterisierung der ZnSe-Schichten: Dieses Kapitel widmet sich der optischen Prüfung, der Schichtdickenmessung mittels verschiedener Verfahren sowie der Analyse der Stöchiometrie mittels EDX.
6. Röntgenuntersuchungen: Hier werden die Kristallstruktur und Texturierung der Proben mittels Röntgendiffraktionsmethoden analysiert und die Bestimmung der Korngröße erläutert.
7. Absorptionsmessungen: Es werden die optischen Eigenschaften der Schichten, insbesondere die Bestimmung des optischen Gaps (Bandlücke), auf Basis von Transmissionsmessungen dargelegt.
8. Temperaturabhängige Leitfähigkeitsmessungen: Dieses Kapitel behandelt die Untersuchung der elektrischen Transporteigenschaften und Leitungsmechanismen der ZnSe-Schichten in Abhängigkeit von der Temperatur.
9. Zusammenfassung: Die Arbeit schließt mit einer Bilanz der erreichten Ziele bezüglich der Schichtorientierung, der Optimierung der Herstellungsparameter und der Charakterisierung der materialphysikalischen Eigenschaften.
Schlüsselwörter
Zinkselenid, ZnSe, Dünnschichtsolarzellen, RF-Sputtern, Kristallstruktur, Wurtzit, Zinkblende, Schichtdicke, Texturierung, Röntgendiffraktion, Bandlücke, Leitfähigkeit, Photovoltaik, Heteroepitaxie, Schichtcharakterisierung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von ZnSe-Dünnschichten mittels RF-Sputtern und deren umfassender physikalischer Charakterisierung für einen Einsatz in Dünnschichtsolarzellen.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die zentralen Themen umfassen die Dünnschichttechnologie, die Kristallographie von Zinkselenid, Materialanalyse mittels Röntgenbeugung und EDX sowie optische und elektrische Messtechnik.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Hauptziel ist die Herstellung von ZnSe-Schichten, die eine hohe, senkrechte Orientierung zur Substratoberfläche aufweisen, um die Rekombinationsraten in Solarzellen zu verringern und deren Effizienz zu steigern.
Welche wissenschaftliche Methode wird primär zur Schichtherstellung verwendet?
Zur Schichtherstellung kommt das RF-Sputtern (Radio Frequency Sputtering) zum Einsatz, da ZnSe als Dielektrikum eine spezielle Anregung im MHz-Bereich benötigt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die methodische Beschreibung der Sputterprozesse, die Bestimmung der Schichtdicke, die Untersuchung der chemischen Stöchiometrie, die röntgenographische Analyse der Kristallstruktur und Textur sowie die Bestimmung optischer und elektrischer Parameter wie Bandlücke und Leitfähigkeit.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit am besten?
Schlüsselwörter wie ZnSe-Dünnschichten, RF-Sputterprozess, Texturierungsgrad, Wurtzit-Struktur, Bandlücke und Korngrößenanalyse bilden den Kern der terminologischen Ausrichtung.
Welche Kristallstruktur wurde bei den Proben primär nachgewiesen?
Die Untersuchungen, insbesondere die Röntgenbeugung und Filmaufnahmen, belegen, dass die hergestellten Proben überwiegend in der hexagonalen Wurtzitstruktur aufgewachsen sind.
Welche Herstellungsparameter werden für die Anwendung als n-Schicht empfohlen?
Basierend auf den Ergebnissen werden eine Substrattemperatur von 400 K, eine Sputterspannung von 1,60 kV und ein Argondruck von 5,5 Pa empfohlen, um optimal texturierte Schichten zu erhalten.
- Citation du texte
- Elmar Kunze (Auteur), 2000, Herstellung und Charakterisierung von dünnen gesputterten ZnSe-Schichten, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/7512
