Mit elektrischem Asymmetrie-Effekt Solarzellen schneller fertigen

  • 17. October 2012

Neuer Weg entdeckt, um das vielschichtige Zusammenspiel der Plasmakomponenten zu kontrollieren und so schnellere Beschichtungen zu ermöglichen.

Uwe Czarnetzki (r.) und Edmund Schüngel im Labor am Plasmareaktor, mit dem sie die Steuerung von Plasmen untersuchen

Abb.: Uwe Czarnetzki (r.) und Edmund Schüngel im Labor am Plasmareaktor, mit dem sie die Steuerung von Plasmen untersuchen. (Bild: RUB)

Beschießt man mit einem Plasma eine Oberfläche, lagern sich dessen Bestandteile in nur wenige Nanometer dünnen Schichten ab und verändern die Eigenschaften der Oberfläche. So machen Plasmen es möglich, Solarzellen herzustellen: mit dünnen Schichten Silizium mit gelegentlichen Fremdatomen. Essentiell für Beschichtungen ist, wie viele Ionen auf die zu beschichtende Oberfläche treffen und mit welcher Energie. Unglücklicherweise hängen diese beiden Größen eng zusammen – beeinflusst man die eine, ändert sich auch die andere. Wissenschaftlern um Plasma- und Atomphysiker Uwe Czarnetzki vom Lehrstuhl für Experimentalphysik der Ruhr-Universität ist es geglückt, mit einem raffinierten Trick Ionenenergie und Ionenfluss unabhängig voneinander einzustellen.

Blick in den Plasmareaktor der Bochumer  Physiker. Das Plasma leuchtet weiß und ist vor allem  in der Nähe der beiden Elektroden außen konzentriert. In der Mitte sieht man daher einen dunklen  (blauen) Streifen, der die Emissionsbereiche vor den  beiden Elektroden trennt

Abb.: Blick in den Plasmareaktor der Bochumer Physiker. Das Plasma leuchtet weiß und ist vor allem in der Nähe der beiden Elektroden außen konzentriert. In der Mitte sieht man daher einen dunklen (blauen) Streifen, der die Emissionsbereiche vor den beiden Elektroden trennt. (Bild: RUB)

Um das Plasma zu steuern, ändern sie die angelegte Spannung, aber nicht bloß die Amplitude oder die Frequenz, sondern die ganze Schwingung: Statt der gewöhnlichen Wechselspannung speisen sie zwei Schwingungen ein, einmal in der Grundfrequenz von 13,56 Megahertz, einmal mit einer Vielfachen dieser Grundfrequenz. Wenn sich diese beiden Spannungsverläufe überlagern, schwingt die Spannung nicht mehr wie zuvor gleichmäßig hin und her, sondern sie ist im Maximum nicht mehr genau so hoch wie im Minimum. Das Plasma reicht an die eine Elektrode nicht mehr so nah heran wie an die andere, kann also nicht gleichmäßig auf beiden Seiten Elektronen abgeben. Um das zu kompensieren, bildet sich an einer Elektrode im Reaktor plötzlich eine Gleichspannung aus, der Bias. Dieses Phänomen haben die Bochumer Elektrischer Asymmetrie-Effekt getauft, und es lässt sich nutzen, um die Ionenenergie für die Beschichtung einzustellen.

Die Gleichspannung des Bias verschiebt die Potentiale im Plasma und sorgt so dafür, dass an einer Elektrode die Ionenenergie steigt, an der anderen aber absinkt. Dies funktioniert auch, wenn die Entladung in ihrer Geometrie völlig symmetrisch ist. Dies ist insbesondere in der industriellen Anwendung der Fall, wo oft eine Entladung zwischen zwei einige Quadratmeter großen Platten im Abstand von nur wenigen Zentimetern abläuft. Bisher musste man damit leben, dass damit an beiden Elektroden genau das Gleiche passierte. Ohne am Aufbau etwas zu ändern kann nun rein elektrisch über die Phase die Symmetrie gebrochen werden. Die Energie der Ionen am Substrat wird damit auf bequeme Weise regelbar.

RUB / OD

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