DE10057296A1 - Solarzellen-Oberfläche - Google Patents

Solarzellen-Oberfläche

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Solarzellen-Oberfläche mit Elektroneninjektionskontakten, bestehend aus: DOLLAR A a) einer Siliziumschicht (SS) als Basismaterial, DOLLAR A b) einer sich auf der Siliziumschicht (SS) befindenden dünnen Siliziumoxidschicht (SOS), DOLLAR A c) einer sich auf der dünnen Siliziumoxidschicht (SOS) befindenden Fluoridschicht (FS), DOLLAR A d) metallischen Kontakten (K). DOLLAR A Erfindungsgemäß befindet sich an der Grenzfläche zwischen Fluoridschicht (FS) und Siliziumoxidschicht (SOS) oder in der unmittelbaren Nähe der Grenzfläche zwischen Fluoridschicht (FS) und Siliziumoxidschicht (SOS) eine hohe negative Festladung. Zusätzlich wird die Siliziumschicht mit metallischen Kontakten (K) elektrisch nach außen verbunden. Dabei können sich die metallischen Kontakte direkt auf der Siliziumschicht, auf der Siliziumoxidschicht, auf dem Schichtverbund Siliziumoxid-Fluorid oder aber direkt auf mit Akzeptoren hoch dotierten p·+·-Gebieten befinden. Die Erfindung kann insbesondere für die Erzeugung eines sehr starken negativen Driftfeldes in einer Siliziumschicht genutzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Solarzellen-Oberfäche nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. Sie findet insbesondere bei Silizium-Solarzelle Anwendung, wobei die Erzeugung eines sehr starken negativen Driftfeldes in einer Siliziumschicht genutzt wird.
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Halbleitertechnik und Festkörperelektronik und ist zweckmäßig zur Optimierung der Oberfläche (Passivierung) einer Siliziumschicht sowie deren Kontaktierung bei der Herstellung von Silizium-Solarzellen anwendbar (z. B. antipolare Feldeffekt-Solarzellen, Patentschrift DE 197 29 522.3-33). Es sind verschiedene Anordnungen sowohl zur Passivierung von Silizumoberflächen als auch zu deren Kontaktierung für Solarzellen bekannt. So gibt es Anordnungen, die durch eine hohe positive Festladung ein starkes positives Driftfeld in unmittelbarer Nähe einer aktiven Halbleiterschicht erzeugen (W. Bauch et alia: Effect of Cs contamination on the interface state density of MNOS capacitors, Applied Surface Science, Vol. 39, 1989, pp. 356; K. Jäger, R. Hezel: Optical Stability of Silicon Nitride MIS Inversion Layer Solar Cells, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 32, No. 9, 1985, pp. 1824; R. Hezel, R.-P. Vollertsen: "High efficiency silicon MIS/inversion layer solar cells with very high insulator charge densities" in Proceedings of the 5th E. C. Photovoltaic Solar Energy Conference, pp. 1113, 1983). Es existieren auch Anordnungen mit Aluminimumoxid, die eine negative Festladung aufweisen (K. Jäger, R. Hezel: A Novel Thin Silicon Solar Cell With Al2O3 As Surface Passivation, Proc. of the 18th IEEE PVSC, Las Vegas, 1985, pp. 1752). Allerdings liegen die dabei erreichten negativen Festladungsdichten um etwa eine Größenordnung unter denen mit der Morphologie, welche Gegenstand der hier offenbarten Erfindung ist. Des weiteren gibt es eine Passivierung von Siliziumoberflächen an einer p-Anreicherungsschicht, die mittels eines negativ hochdotierten (n+), aber nicht kontaktierten Gebiets (sog. "Floating Junction") realisiert wird (S. R. Wenham et al.: Rear surface effects in high efficincy silicon solar cells, 1st WC-PVSEC, Hawaii, 5-9 Dec. 1994, Proc. pp. 1278).
Zur Kontaktierung von p-Anreicherungs-/p-Inversionsschichten in Silizium-Solarzellen werden positiv hochdotierte Gebiete (sog. p+-Gebiete) unter den metallischen Kontakten erzeugt. Die Passivierung des Kontaktes erfolgt dabei entweder durch Wasserstofftemperung (H. E. Elgamel et al.: Efficient combination of surface and bulk passivation schemes of high­ efficiency multicrystalline silicon solar cells, J. Appl. Phys. 78/5, 1st Sept. 1995), durch Aufbringen einer ultradünnen Siliziumoxidschicht (W. Jooss et al.: Improvement of Diffusion Lengths in multicrystalline Si by P-Al Co- Gettering during Solar Cell Processing, 2nd WC-PVSEC, Vienna, 6-10 July 1998, Proc. pp. 1689) oder aber durch die hohe Dotierung im Grenzbereich zum metallischen Kontakt selbst (M. Green: Silicon Solar Cells: Advanced Principles & Practice, Centre for Photovoltaic Devices and Systems, University of New South Wales, Sydney, N. S. W. March 1995, Chapter 9.4). Letztere Möglichkeit wird auch - mit niedrigerer Dotierungsdichte für die Passivierung der Oberfläche an einer p-Anreicherungsschicht von Silizium-Solarzellen genutzt (sog. Back Surface Field - BSF).
Nachteilig bei den bekannten Morphologien einer Solarzellen- Oberfläche mit Elektroneninjektionskontakten ist, die relativ schlechte Oberflächenpassivierung des Siliziums. Diese wird bei den durch eine massive Dotierung des oberflächennahen Bereiches der Silizumschicht (BSF, Floating Junction) gekennzeichneten Verfahren vor allem durch eine erhöhte Defektdichte sowohl an der Oberfläche zur Passivierungsschicht als auch im oberflächennahen Substrat- Bereich der Siliziumschicht hervorgerufen. Dabei erhöhen sich die Rekombinationsraten der elektrischen Ladungsträger an der Oberfläche sowie in ihrer näheren Umgebung im Silizium. Diese Verluste werden durch thermisch inaktive Dotanden auf Zwischengitterplätzen sowie verspannte/offene und ionisierte Bindungen der Silizium-Atome in hochdotierten Gebieten verursacht. Bei der Verwendung von Aluminimumoxid auf oxidierten Siliziumschichten wird ebenfalls eine negative Festladung in unmittelbarer Nähe zu einer aktiven Halbleiterschicht erzeugt. Allerdings ist die erzeugte Ladungsdichte um circa eine Zehnerpotenz geringer als bei der Verwendung von beispielsweise Aluminiumfluorid auf oxidierten Siliziumschichten, was eine Verringerung der Passivierungs­ wirkung gegenüber der Morphologie, zur Folge hat.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Morphologie einer Solarzellen-Oberfläche mit Elektroneninjektions­ kontakten zu schaffen, deren elektrische Passivierungs­ eigenschaften gegenüber den bereits bekannten Morphologien verbessert sind; zusätzlich werden verbesserte Elektronen­ injektionskontakte zur Siliziumschicht geschaffen, die durch die unter diesen Kontakten angeordneten Schichtstrukturen gut passiviert sind und darüber hinaus aufgrund der hohen negativen Festladung in diesen Schichtstrukturen als Tunnelkontakte ausgeführt werden können, wodurch insgesamt der Wirkungsgrad und das elektrische Verhalten der Solarzelle in Bezug auf die Solarzellen. Oberfläche wesentlich verbessert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Die Solarzellen-Oberfläche mit Elektroneninjektionskontakten besteht dabei bekannter Weise aus:
  • a) einer Siliziumschicht (SS) als Basismaterial,
  • b) einer sich auf der Siliziumschicht SS befindenden dünnen Siliziumoxidschicht (SOS),
  • c) einer sich auf der dünnen Siliziumoxidschicht (SOS) befindenden Fluoridschicht (FS),
  • d) metallischen Kontakten K,
Erfindungsgemäß befindet sich dabei an der Grenzfläche zwischen Fluoridschicht und Siliziumoxidschicht oder in der unmittelbaren Nähe der Grenzfläche zwischen Fluoridschicht und Siliziumoxidschicht eine hohe negative Festladung.
Die Dicke der Fluoridschicht liegt bevorzugt im Bereich von 1.5 nm bis 350 nm. Die Fluoridschicht besteht vorzugsweise aus einer chemischen Verbindung der Gestalt MeF2 oder MeF3 loesteht, wobei Me ein Element der zweiten oder dritten Hauptgruppe oder der zweiten oder dritten Nebengruppe des Mendelejewschen Periodensystems der Elemente ist. Vorteilhaft ist dabei die Verwendung einer Fluoridschicht aus Aluminiumfluorid (AlF3).
Das Verhältnis der chemischen Elemente, die an der Formierung der des Materials der Fluoridschicht FS beteiligt sind, weicht dabei vom stöchiometrischen Verhältnis zueinander ab, z. B. das Verhältnis von Aluminium zu Fluor im Aluminium­ fluorid vom stöchiometrischen Verhältnis (1 : 3).
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, daß die chemische Verbindung mit Fluor stöchiometrisch unterbesetzt ist und so eine chemische Verbindung der Struktur MeFx, x < 3, darstellt.
Weiterhin kann die Fluoridschicht einen stöchiometrischen Gradienten aufweist, wobei der Fluorgehalt der Fluoridschicht FS zur Grenzfläche zwischen Fluoridschicht und Siliziumoxidschicht SOS einen negativen Gradienten besitzt und sich eine große Anzahl Wassermoleküle in der Fluoridschicht befinden.
Die metallischen Kontakte bestehen bevorzugt aus Platin oder Palladium und weisen eine Dicke von höchstens 50 nm auf.
Angeordnet werden die metallischen Kontakte direkt auf der Siliziumschicht oder auf der Siliziumoxidschicht.
Dabei können die Siliziumoxidschicht und/oder die Fluoridschicht unter dem metallischen Kontakt Tunneleigenschaften besitzen. In einer weiteren Ausgestaltung ist es möglich, die metallischen Kontakte auf der Fluoridschicht anzuordnen. Die sich zwischen dem metallischen Kontakt und der Siliziumoxidschicht befindliche Fluoridschicht sollte eine Dicke in der Größenordnung von 1.5 bis 10 nm aufweisen. Unter den metallischen Kontakt kann sich in der Siliziumschicht ein mit Akzeptoren hoch dotiertes Gebiet befinden.
Die Vorteile der Erfindung bestehen in der Herstellbarkeit einer Morphologie einer Solarzellen-Oberfläche mit Elek­ troneninjektionskontakten, deren elektrische Passivierungs­ eigenschaften bezüglich der Siliziumschicht wesentlich verbessert und deren Elektroneninjektionskontakte gut passiviert und so sehr niederohmig hergestellt werden können. Mit dieser Anordnung wird ein negatives Driftfeld hoher Stärke in der angrenzenden aktiven Halbleiterschicht erzeugt, welches zur Trennung von freien Ladungsträgern dienen kann. Des weiteren ist die Morphologie einer Solarzellen-Oberfläche entsprechend der hier offenbarten Erfindung für das solare Spektrum optisch transparent, was ihren Einsatz für doppelseitige Solarzellen ermöglicht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Schichtaufbau der Morphologie einer Solarzellen- Oberfläche mit einer Fluoridschicht, wobei sich die Kontakte K auf der Siliziumschicht befinden,
Fig. 2 Schichtaufbau der Morphologie einer Solarzellen- Oberfläche mit einer Fluoridschicht, wobei sich die Kontakte K auf der Siliziumoxidschicht befinden,
Fig. 3 Schichtaufbau der Morphologie einer Solarzellen- Oberfläche mit einer Fluoridschicht, wobei sich die Kontakte K in der Fluoridschicht befinden,
Fig. 4 Schichtaufbau der Morphologie einer Solarzellen. Oberfläche, mit einer Fluoridschicht, wobei sich unter den metallischen Kontakten die Siliziumschicht mit darin enthaltenen hochdotierten Gebieten befindet,
Fig. 5 C/V-Meßkurve der Morphologie einer Solarzellen- Oberfläche.
Gemäß Fig. 1 bis 4 besteht die Solarzellen-Oberfläche aus einem Aufbau aus einer Siliziumschicht SS, einer sich anschließenden Siliziumoxidschicht SOS (Dicke z. B. 1,5 nm) und einer darauf abgeschiedenen Fluoridschicht FS (Dicke z. B. 10 nm). Es sind weiterhin metallische Kontakte K vorgesehen. In Fig. 1 ist dabei ein Beispiel dargestellt, bei welchem sich zwei Kontakte K an die Siliziumschicht SS anschließen und durch die Siliziumoxidschicht sowie durch die Fluoridschicht hindurchreichen. In Fig. 2 befindet sich zwischen den Kontakten K und der Siliziumschicht SS die Siliziumoxidschicht SOS. Gem. Fig. 3 befindet sich unter den Kontakten K die Fluoridschicht FS, so daß zwischen den Kontakten K und der Siliziumschicht SS sowohl die Fluoridschicht FS als auch die Siliziumoxidschicht SOS angeordnet ist.
Eine Solarzellen-Oberfläche mit einer Schichtaufbau, wobei sich unter den metallischen Kontakten die Siliziumschicht mit einem darin enthaltenen hochdotiertes Gebiet befindet, ist in Fig. 4 dargestellt.
In den dargestellten Beispielen befindet sich auf einem bordotierten einkristallinen Siliziumwafer SS eine ca. 2 nm dicke Siliziumoxidschicht SOS und darüber eine ca. 120 nm dicke Aluminiumfluoridschicht (Fluoridschicht FS), die vorzugsweise im Bedampfungsverfahren abgeschieden wurde. Die metallischen Kontakte bestehen z. B. aus Platin, so daß durch dessen hohe Elektronenaustrittsarbeit eine sehr starke positive Bandverbiegung im Silizium am Kontakt herrscht. Dadurch können sehr gut Elektronen aus dem Platin in die p-DG Anreicherungsschicht infiziert werden. Die Dicke des Platins wird zweckmäßig auf ca. 50 nm begrenzt, da lediglich eine metallische Phase zum Erreichen der Elektronenaustrittsarbeit an der Kontaktfläche Platin-Silizium existieren muß. Die Kontakte K können auf die nötige Dicke - einige µm - mit Aluminium durch galvanische, Siebdruck- oder Bedampfungsverfahren verstärkt werden. Da die Morphologie einer Solarzellenoberfläche entsprechend der hier offenbarten Erfindung für das solare Spektrum optisch transparent ist, kann zusätzlich die Dicke der Fluoridschicht FS so abgestimmt werden, daß eine Reflexionsminimierung (Entspiegelung) der Solarzellenvberfläche erfolgt (dAlF3 = Xsu,/4).
Fig. 5 zeigt die C/V-Meßkurve der Morphologie einer Solar­ zellen-Oberfläche, bestehend aus einem einkristallinen, bor­ dotierten Siliziumwafer, worauf nacheinander eine Schicht thermisches SiO2 (SOS, d = 1,5 nm) und eine Schicht AlF3 (FS, d 10 nm) abgeschieden wurde. Eine damit erzielte effektive (sich auf die Grenzfläche Siliziumdioxid - Silizum bezie­ hende) Festladung (Neff) ist -5,16 × 10-12 q/cm2 groß, die entsprechende Flachbandspannung Vfb beträgt +1,64 V. Weitere relevante Abkürzungen seien im Anschluß kurz erläutert:
Chuck Temp.: Temperatur des Meßplatzes
Area: Meßfläche der Quecksilber (Hg)-Sonde
Thickness: Gesamtschichtdicke der Isolatorschichten (SOS und FS) auf der Halbleiterschicht (Silizium)
Frequency: Meßfrequenz zur Messung der differentiellen Kapazität
Cox: maximale Kapazität des durch die Meßanordnung im Zusammenspiel mit den Isolatorschichten gebildeten Kondensators
Cmin: minimale Kapazität des durch die Meßanordnung im Zusammenspiel mit den Isolatorschichten gebildeten Kondensators
Ratio: Quotient aus Cmin zu Cox
Rs: serielter Widerstand der ohmschen Zuleitung (wird in erster Näherung durch Leitfähigkeit des Halbleitermaterials bestimmt)
Nb: Dosierungsdichte im Bulkmaterial der Halbleiterschicht (Bor)
Vt: Schwellspannung, bei der die starke (n-) Inversion an der Grenzfläche Siliziumdioxid- Silizium einsetzt
Cfb: Kapazität des durch die Meßanordnung im Zusammenspiel mit den Isolatorschichten gebildeten Kondensators bei Erreichen dar Flachbandspannung Vfb
Die Messung erfolgte mit einem Quecksilber-Sonden Kapazitäts- Spannungs-Meßgeräl der Firma Solid State Measurements (H490).

Claims (19)

1. Solarzellen-Oberfläche mit Elektroneninjektions­ kontakten, bestehend aus:
  • a) einer Siliziumschicht (SS) als Basismaterial,
  • b) einer sich auf der Siliziumschicht SS befindenden dünnen Siliziumoxidschicht (SOS),
  • c) einer sich auf der dünnen Siliziumoxidschicht (SOS) befindenden Fluoridschicht (FS),
  • d) metallischen Kontakten K,
dadurch gekennzeichnet, daß sich an der Grenzfläche zwischen Fluoridschicht (FS) und Siliziumoxidschicht (SOS) oder in der unmittelbaren Nähe der Grenzfläche zwischen Fluoridschicht (FS) und Siliziumoxidschicht (SOS) eine hohe negative Festladung befindet.
2. Solarzellen-Oberfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Fluoridschicht (FS) im Bereich von 1.5 nm bis 350 nm liegt.
3. Solarzellen-Oberfläche nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoridschicht (FS) aus einer chemischen Verbindung der Gestalt MeF3 besteht, wobei Me ein Element der dritten Hauptgruppe oder der dritten Nebengruppe des Mendelejewschen Periodensystems der Elemente ist.
4. Solarzellen-Oberfläche einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoridschicht (FS) aus Aluminiumfluorid (AlF3) besteht.
5. Solarzellen-Oberfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoridschicht (FS) aus einer chemischen Verbindung der Gestalt MeF2 besteht, wobei Me ein Element der zweiten Hauptgruppe oder der zweiten Nebengruppe des Mendelejewschen Periodensystems der Elemente ist.
6. Solarzellen-Oberfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der chemischen Elemente, die an der Formierung des Materials der Fluoridschicht FS beteiligt sind, vom stöchiometrischen Verhältnis zueinander abweichen.
7. Solarzellen-Oberfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Aluminium zu Fluor im Aluminiumfluorid vom stöchiometrischen Verhältnis (1 : 3) abweicht.
8. Solarzellen-Oberfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Verbindung mit Fluor stöchiometrisch unterbesetzt ist und so eine chemische Verbindung der Struktur MeFx, x < 3, darstellt.
9. Solarzellen-Oberfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoridschicht (FS) einen stöchiometrischen Gradienten aufweist.
10. Solarzellen-Oberfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluorgehalt der Fluoridschicht (FS) zur Grenzfläche zwischen Fluoridschicht (FS) und Siliziumoxidschicht (SOS) einen negativen Gradienten besitzt.
11. Solarzellen-Oberfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine große Anzahl Wassermoleküle in der Fluoridschicht (FS) befinden.
12. Solarzellen-Oberfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Kontakte (K) aus Platin oder Palladium bestehen.
13. Solarzellen-Oberfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Kontakte (K) eine Dicke von höchstens 50 nm aufweisen.
14. Solarzellen-Oberfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Kontakte (K) sich direkt auf der Siliziumschicht (SS) befinden.
15. Solarzellen-Oberfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Kontakte (K) sich direkt auf der Siliziumoxidschicht (SOS) befinden.
16. Solarzellen-Oberfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumoxidschicht (SOS) und/oder die Fluoridschicht (FS) unter dem metallischen Kontakt (K) Tunneleigenschaften besitzt.
17. Solarzellen-Oberfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Kontakte (K) sich auf der Fluoridschicht (FS) befinden.
18. Solarzellen-Oberfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoridschicht (FS) zwischen dem metallischen Kontakt (K) und der Siliziumoxidschicht (SOS) eine Dicke in der Größenordnung von 1,5 bis 10 nm aufweist.
19. Solarzellen-Oberfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sich unter dem metallischen Kontakt (K) ein Gebiet (P-DG) in der Siliziumschicht (SS) befindet, welches mit Akzeptoren hoch dotiert ist (sogenanntes p+-Gebiet).
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