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Black Silicon

Strukturierte Siliziumgrenzflächen

Silizium ist das bedeutendste Halbleitermaterial der Photovoltaik. Es ist ein indirekter Halbleiter mit einer Bandlücke von etwa 1,11 eV  (bei 300 K).  Elektromagnetische Strahlung oberhalb von etwa 1100 nm wird nicht mehr absorbiert. Der Absorptionskoeffizient im Bereich der Grenzwellenlänge ist verschwindend gering. Des Weiteren ist der Brechungsindex von Silizium, insbesondere im visuellen Spektralbereich sehr hoch, sodass Reflexionsverluste von deutlich mehr als 30 % im gesamten Spektralbereich auftreten. Die hohe Reflexion mindert die Absorption einfallender Lichtleistung gerade in einem Teil des Sonnenspektrums mit hohen Leistungsdichten. Dadurch wird die Erzeugung freier Ladungsträger minimiert und letztlich der Wirkungsgrad geschmälert.

Es existieren vielseitige Bemühungen die Grenzflächenreflexion von Silizium zu reduzieren und die Absorption im Bereich geringer Absorptionskoeffizienten auf optischem Wege zu erhöhen. Diese Ziele können durch eine Oberflächenstrukturierung des Siliziumwafers erreicht werden. Die Nano-SIS Initiative verwendet ein in der Halbleitertechnologie verbreitetes Trockenätzverfahren zur Strukturierung von Siliziumwafern. Dabei entsteht eine stochastische Oberflächenstruktur, die eine breitbandige, winkelunabhängige Entspiegelung bewirkt. Somit kann über den gesamten relevanten Spektralbereich eine äußerst effektive Einkopplung der einfallenden Strahlung in den photoaktiven Bereich realisiert werden. Auf Grund der nahezu verschwindenden Grenzflächenreflexion und einem damit verbundenen schwarzen Erscheinungsbild werden so strukturierte Siliziumoberflächen auch als "Black Silicon" bezeichnet.

BS-komplett


Herstellung  mittels Trockenätzprozess

Bei der industriellen Fertigung mono- und multikristalliner Waferzellen werden meist nasschemische Ätzverfahren zur Strukturierung der Waferoberfläche verwendet, die in einer pyramidenartigen Oberflächenstruktur resultieren. Anders als beim Black Silicon lassen sich hiermit nur Restreflexionen im Bereich von etwa 12 % erzielen. Durch das zusätzliche Aufbringen einer Antireflexschicht kann zwar eine weitere, jedoch nur sehr wellenlängenspezifische Reflexionsminderung erzielt werden. Für das nasschemische Ätzen mono- und multikristalliner Wafer werden eine Reihe verschiedener Chemikalien und ein mehrstufiger Ätz- und Reinigungsvorgang benötigt.


Trockenaetzanlage

Der für die Herstellung des Black Silicon eingesetzte Trockenätzprozess basiert auf dem Mechanismus des reaktiven Ionenätzens. In einer mit Reaktivgas gefüllten Vakuumkammer wird zwischen zwei Elektroden durch Anlegen eines hochfrequenten Wechselfeldes ein Plasma gezündet, welches eine hohe Anzahl chemisch aktiver Teilchen (Ionen und Radikale) erzeugt. Der Materialabtrag erfolgt einerseits durch einen Impulsübertrag beschleunigter Ionen auf das Substratmaterial (physikalischer Sputterabtrag). Dominierend ist jedoch ein chemischer Ätzabtrag bei dem die reaktiven Teilchen mit dem Substratmaterial unter Bildung gasförmiger Produkte reagieren. Die Wahl der Gas- und Prozessparameter führt dann zu einer stochastischen Strukturierung der Oberfläche mit unterschiedlichen Strukturdimensionen. Vorteile gegenüber nasschemischen Verfahren liegen in der nur einen Prozessschritt umfassenden Strukturierung. Weiterhin sind keine zusätzlichen Reinigungsschritte zum Entfernen metallischer Rückstände, die beim nasschemischen Ätzen mit Säuren oder Basen auftreten können, erforderlich.

 

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