Herstellung und Charakterisierung von dünnen gesputterten ZnSe-Schichten

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

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.