DE102006046726A1 - Solarzelle mit strukturierter Rückseitenpassivierungsschicht aus SIOx und SINx sowie Verfahren zur Herstellung - Google Patents

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Abstract

strukturierter Rückseitenpassivierungsschicht sowie Verfahren zu deren Herstellung. Die Rückseitenpassivierungsschicht ist dabei auf der innen liegenden, der Rückseite der Solarzelle zugewandten, dotierten Schicht der Solarzelle aufgebracht und besteht aus alternierenden Schichten aus SiN<SUB>x</SUB> sowie SiO<SUB>x</SUB>. Die Schichtstruktur der Rückseitenpassivierungsschicht kann über einen CVD-Prozess hergestellt werden.

Description

  • Vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzelle mit strukturierter Rückseitenpassivierungsschicht sowie Verfahren zu deren Herstellung. Die Rückseitenpassivierungsschicht ist dabei auf der innen liegenden, der Rückseite der Solarzelle zugewandten, dotierten Schicht der Solarzelle aufgebracht und besteht aus alternierenden Schichten aus SiNx sowie SiOx. Die Schichtstruktur der Rückseitenpassivierungsschicht kann über einen CVD-Prozess hergestellt werden.
  • Zur Kostensenkung und Wirkungsgradsteigerung von Silicium-Solarzellen werden verschiedene Prinzipen verfolgt. Zum einen werden die Rohsolarzellen (Siliciumwafer) immer dünner und zum anderen steigt die Siliciumqualität durch ein verbessertes Verständnis der eingesetzten Technologien. Durch beide Prinzipien wird der Einfluss der Solarzellen-Oberflächen, die im Rohzustand immer ein Ort starker elektrischer Verluste sind, im Vergleich zum Volumen immer stärker. D.h. durch eine geeignete Oberflächenbehandlung der Solarzellen kann deren Wirkungsgrad effektiv gesteigert werden. Insbesondere die Solarzellenrückseite wird bei verringerter Zelldicke immer wichtiger. Geeignete Beschichtungen der Rückseiten sind essentiell für hocheffiziente Siliciumsolarzellen.
  • Eine zum heutigen Entwicklungsstand der Silicium-Solarzellentechnologie kompatible Rückseitenpassivierungsschicht muss die folgenden Anforderungen erfüllen:
    • 1. Eine sehr gute Oberflächenpassivierungsqualität muss gegeben sein (quantitativ: eine effektive Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit (ORG, Seff) kleiner als 300 cm/s).
    • 2. Das Vorhandensein einer hohen Oberflächenpassivierungsqualität nach einem Hochtemperaturschritt, bei dem typischerweise siebgedruckte Solarzellen-Vorderseitenkontakte mit der Solarzellenvorderseite verbunden werden. Man spricht dabei vom „Feuern der Vorderseitenkontakte".
    • 3. Das Erreichen der Oberflächenpassivierung unter Vermeidung eines starken Feldeffekts auf die Solarzellenrückseite ausgehend von der Passivierungsschicht. Dabei wird vermieden, dass sich eine Inversionszone an der Grenzfläche p-Typ-Silicium/Passivierungsschicht im Silicium ausbildet.
    • 4. Das Erreichen der Oberflächenpassivierung ohne das Verbiegen der Solarzelle wegen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten (kein Wafer„Warping" (manchmal auf Wafer-„Bowing” genannt), das typisch für heutige industriell hergestellte Silicium-Solarzellen mit rückseitiger ganzflächiger Aluminium-Beschichtung ist).
  • Bis dato werden die Rückseiten von Siliciumsolarzellen industriell überwiegend mit einer relativ schlecht passivierenden aluminiumhaltigen Schicht (sieb-)bedruckt. Diese Schicht wird in einem Feuerschritt teilweise in das Silicium eindiffundiert. Dabei entsteht bei p-Typ-Siliciumsolarzellen rückseitig ein sog. Aluminium-Back-Surface-Field (Al-BSF). Dieses wirkt als elektrischer Spiegel für Minoritätsladungsträger (Elektronen) und vermindert so die Oberflächenrekombinationsrate. Dieses Verfahren führt allerdings zu Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten im Bereich von ca. 350 cm/s bis ca. 1000 cm/s, je nach Publikation, und ist damit nicht geeignet, um Solarzellen effizient rückseitig passivieren zu können [C. J. J. Tool, G. Coletti, F. J. Granek, J. Hoornstra, M. Koppes, E. J. Kossen, H. C. Rieffe, I. G. Romijn. and A. W. Weeber, 17% mc-Si solar cell efficiency using full in-line processing with improved texturing and screen-printed contacts an high-ohmic emitters, In Proc. Proceedings of the 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference (Barcelona, Spain, 2005) p. in print], [M. Hermle, E. Schneiderlöchner, G. Grupp, and S. W. Glunz, Comprehensive comparison of different rear side contacting methods for high-efficiency solar cells, In Proc. Proceedings of the 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference (Barcelona, Spain, 2005) p. 810-3]. Bei der Bildung des Al-BSF nach diesem Verfahren verbleiben auch mechanische Spannungen in der Solarzelle. Diese beruhen auf der Tatsache, dass der mit Aluminiumpaste bedruckte Wafer bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Aluminium bearbeitet wird. Kühlt der Wafer anschließend ab verfestigt sich die aluminiumhaltige Schicht bereits bei Temperaturen noch über 500 °C. Bei weiterer Abkühlung befindet sich demnach auf dem Silicium eine feste mit dem Silicium mechanisch flächig verbundene Schicht. Da diese einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als Silicium, wird sie beim Abkühlen stärker schrumpfen als das Silicium selbst. Dies führt im erkalteten Zustand zu einer unerwünschten Verbiegung des Siliciumwafers, die für dünnere Siliciumsubstrate stärker ausfällt als für dickere.
  • Als Alternative wird schon seit langer Zeit bei im Labor hergestellten Hocheffizienz-Solarzellen rückseitig eine Siliciumdioxid-Schicht (SiO2) thermisch eingewachsen. Die dabei verwendeten Temperaturen von ca. 1000 °C und verwendeten Prozessdauern von mehr als einer Stunde sind sehr energie- und zeitintensiv und können sich negativ auf die Qualität des verwendeten Siliciummaterials auswirken. Insbesondere die Qualität multikristallinen Siliciums leidet unter solch hohen Prozesstemperaturen. Nichtsdestotrotz kann man mit thermisch eingewachsenen Siliciumdioxidschichten sehr gute Oberflächenpassivierungsergebnisse erhalten.
  • Da SiO2 ein Isolator ist, muss zur Kontaktierung des darunter liegenden Siliciums das SiO2 lokal (beispielsweise an einzelnen punktförmigen Bereichen) geöffnet und dort eine Metallisierung eingebracht werden. Dieser Schritt lässt sich entweder über photolithographische Schritte bewerkstelligen [A. W. Blakers, A. Wang, A. M. Milne, J. Zhao, and M. A. Green, 22.8 % efficient silicon solar cell, Appl. Phys Lett. 55 (1989) p. 1363–5] oder man nutzt den von der Fraunhofer-Gesellschaft entwickelten Laser-Fired- Contacts-Prozess (LFC), der bereits patentiert ist ( DE 100 46 170 A1 ). Somit ist es möglich, in einem Schritt eine über der SiO2-Schicht liegende Lage Aluminium (vorzugsweise mit einem gepulsten Laser) punktweise aufzuschmelzen und durch die sich dabei auflösende SiO2-Schicht in das Silicium durchzukontaktieren. Zusätzlich bildet sich im Silicium unterhalb des Kontaktes ein lokales Al-BSF aus [E. Schneiderlöchner, R. Preu, R. Lüdemann, and S. W. Glunz, Laser-fired rear contacts for crystalline silicon solar cells, Progr. Photovolt. 10 (2002) p. 29–34]. Ein Vorteil von SiO2 ist, dass es relativ temperaturbeständig ist.
  • Eine Alternative zur Verwendung von thermisch eingewachsenem SiO2 ist die Verwendung von Siliciumnitrid (SiNx), das beispielsweise über plasmaangeregte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD, plasma-enhanced chemical vapour deposition) oder über eine Sputter-Technologie auf die Siliciumoberfläche aufgebracht werden kann. Verschiedene Untersuchungen zeigten, dass SiNx eine sehr gute Oberflächenpassivierung bieten kann. Dies scheint zumeist aber zu einem wichtigen Teil aufgrund einer sog. Feldeffektpassivierung zu erfolgen: Im SiNx sind zumeist positive ortsfeste Ladungen zu finden, die im Silicium ein Abstoßen der gleichnamigen Ladungen (Löcher) und ein Anziehen entgegengesetzt geladener Ladungsträger (Elektronen) bewirkt. Dies kann bei einer hohen Dichte ortsfester Ladungen in der SiNx-Schicht zu einer Inversion des darunter liegenden p-Typ-Siliciums führen. Man erhält also eine dünne Schicht n-Typ-Silicium auf der Oberfläche. Sehr gut untersucht wurde dies von Stefan Dauwe [S. Dauwe, Low-temperature surface passivation of crystalline silicon and its application to the rear side of solar cells, Dissertation, Universität Hannover in Hannover (2004)].
  • Da nun auch Siliciumnitrid eine sehr geringe Leitfähigkeit bei Raumtemperatur aufweist, muss – wie bei SiO2 – eine punktweise Kontaktierung der Solarzellenrückseite vorgenommen werden. Dies führt dazu, dass ein Al-Kontaktpunkt sowohl die Inversionsschicht (n-Typ) als auch die p-Typ-Basis gleichzeitig kontaktiert. Dies führt zu einer starken Rekombination auf der Solarzellenrückseite und damit zu einer Degradation der Solarzelleneffizienz. Ein dementsprechender Aufbau einer Solarzelle ist schematisch in 1 dargestellt, die eine rückseitig mit SiNx passivierte und lokal kontaktierte Solarzelle abbildet. Dabei wird durch den Punktkontakt sowohl die p-Si-Basis als auch der n-Si-Inversionskanal, der sich aufgrund ortsfester positiver Ladungen des SiNx ausbildet, kontaktiert. Dies führt zu einer verstärkten Rekombinationsaktivität an der Solarzellenrückseite.
  • Ein weiterer Schwachpunkt von SiNx-Schichten ist die bei den meisten Schichtsystemen ausgebildete relativ geringe Temperaturstabilität. Diese würde die Passivierungsqualität nach einem Feuerschritt drastisch reduzieren.
  • Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Solarzelle bereitzustellen, deren Rückseitenpassivierungsschicht eine ausgezeichnete Temperaturstabilität besitzt und gleichzeitig eine verminderte Rekombination gewährleistet. Weiterhin stellt sich vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer derartigen Solarzelle bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird mit der Solarzelle mit den Merkma len des Patentanspruches 1 gelöst. Anspruch 18 gibt ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Solarzelle an. Die jeweilig abhängigen Ansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
  • Erfindungsgemäß wird eine Solarzelle aus Silicium mit auf der vorderseitigen dotierten Oberflächenschicht aufgebrachten Vorderseitenkontakten (VS-Kontakte) und mindestens einer auf der rückseitigen dotierten Schicht aufgebrachten Rückseitenpassivierungsschicht mit Rückseitenkontakten (RS-Kontakte) bereitgestellt, wobei die Rückseitenpassivierungsschicht aus mindestens einer auf der rückseitigen dotierten Schicht angeordneten SiOx-Schicht, mindestens einer darauf abgeschiedenen SiNx-Schicht sowie darauf aufgebracht mindestens einer weiteren SiOx-Schicht besteht.
  • Eine gute Oberflächenpassivierung kann mit der Erfindung direkt nach der Abscheidung erreicht werden.
  • Eine derartige Solarzelle bringt gegenüber dem Stand der Technik viele Vorteile mit sich: Zum einen wird eine Reduktion der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit bei Aufbringung auf einen Silicium-Wafer bewirkt. Des Weiteren bewirkt die Erfindung diese Reduktion auch nach einem Hochtemperaturschritt, wie dem sog. Feuern der siebgedruckten Vorderseitenkontakte einer kristallinen Silicium-Solarzelle bei Spitzentemperaturen von bis zu 880 °C.
  • In der zweiten Wirkung liegt auch gleichzeitig ein großer Vorteil der Erfindung. Da im Zuge der Herstellung einer kristallinen Silicium-Solarzelle im industriellen Prozess die Vorderseitenkontakte siebgedruckt und danach gefeuert werden, ist das Vorhanden sein einer guten Passivierungswirkung nach diesem Hochtemperaturschritt zwingend erforderlich, um gute Solarzellenwirkungsgrade zu erreichen. Durch diesen Hochtemperaturschritt wird die Passivierungswirkung des Schichtsystems stark erhöht, wohingegen die Passivierungswirkung anderer Schichtsysteme häufig deutlich reduziert wird. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Ausbildung einer Inversionszone auf der Solarzellenrückseite vermieden werden konnte. Dies bedeutet einen weiteren großen Vorteil der Erfindung.
  • Außerdem konnte in Versuchen gezeigt werden, dass ein sog. „Wafer-Warping", also von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizeinten der Passivierungsschicht und der Solarzelle herrührendes Verbiegen der Solarzelle bei Temperaturschwankungen, vollständig ausbleibt. Das Vermeiden des Ausbildens einer Inversionszone konnte noch nicht direkt gezeigt werden. Die bereits vorhandenen Ergebnisse an Solarzellen deuten aber darauf hin, dass keine Inversionszone erzeugt wurde.
  • Dabei ist es unwesentlich, wie das der Solarzelle zugrunde liegende Si-Element aufgebaut ist. Somit sind beide Möglichkeiten denkbar, nämlich dass das Si-Element aus zwei diametral dotierten Si-Schichten besteht, wobei sowohl die Oberflächenschicht – also die Schicht, auf die das Licht auftrifft – und die daran angeordnete weitere Schicht n- oder p-dotiert sein können. Somit wird mit vorliegender Erfindung ein Aufbau von Solarzellen unabhängig von ihrem zugrunde liegenden elektrischen Aufbau ermöglicht.
  • Ein vorteilhafter Aufbau der Rückseitenpassivierungsschicht sieht vor, dass die mindestens eine auf der p-dotierten Schicht angeordneten SiOx-Schicht, min destens einer darauf abgeschiedenen SiNx-Schicht sowie darauf aufgebracht mindestens einer weiteren SiOx-Schicht alternierend angeordnet sind.
  • Bevorzugt bildet die äußerste, abschließende Schicht der Rückseitenpassivierungsschicht eine SiOx-Schicht.
  • Das Aufbringen der äußeren SiOx-Schicht bringt mehrere Vorteile:
    • • Da SiOx als Diffusionsbarriere gegen Verunreinigungen etabliert ist, kann durch die äußere SiOx-Schicht die Diffusion von Verunreinigungen von außen in Richtung der Grenzfläche zum kristallinen Silicium vermindert werden (Dissertation Stefan Reber, Universität Mainz, 2000).
    • • Wasserstoff spielt bei der elektrischen Passivierung der Grenzfläche zwischen SiOx und kristallinem Silicium eine wichtige Rolle. Da die SiNx-Schicht zwischen den beiden SiOx-Schichten sehr wasserstoffreich ist, wird Wasserstoff bei erhöhten Temperaturen aus dieser Schicht diffundieren. Die äußere SiOx-Schicht wirkt dabei als Diffusionsbarriere für diesen Wasserstoff. So gelangt mehr Wasserstoff zur Grenzfläche zwischen kristallinem Silicium und SiOx.
    • • Das Passivierungsstapelsystem SiOx-SiNx-SiOx hat optische Vorteile beim Einsatz als Rückseitenpassivierung für Siliciumsolarzellen gegenüber reinen SiNx-Schichten, da die Reflexion verbessert werden kann (Sprung im Brechungsindex größer von Si zu SiOx). Außerdem kann die Photonen-Absorption in der SiNx-Schicht im Vergleich zur SiOx-Schicht erhöht sein. Im Stapelsystem kann die Dicke der SiNx-Schicht – und damit auch die Absorption in dieser Schicht – verringert wer den. Dies kann zu einer Verbesserung des Solarzellenwirkungsgrades führen.
    • • In Rückseitenkontakt-Solarzellen kommt es häufiger vor, dass Dielektrika genutzt werden, um metallische Kontakte für p- oder n-Bereiche vom jeweils anderen Siliciumtyp zu trennen. Dabei ist die Freiheit von parasitären Pinholes sehr wichtig. Diese wird durch das Aufbringen der zusätzlichen SiOx-Schicht verbessert.
  • Weiterhin ist es von Vorteil, wenn sowohl die mindestens eine SiNx-Schicht und die mindestens eine SiOx-Schicht aus amorphem SiNx bzw. amorphem SiOx besteht.
  • Erfindungsgemäß ist die Schichtdicke der mindestens einen SiNx- und mindestens einen SiOx-Schicht nicht auf eine bestimmte Dicke beschränkt. Zweckmäßigerweise betragen die beiden Schichtdicken jedoch 2 nm bis 100 nm, bevorzugt 50 bis 150 nm. Dabei können die Schichten gleich dick sein, es können jedoch auch unterschiedliche Schichtdicken vorliegen.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Solarzelle sieht vor, dass die n-dotierte Oberflächenschicht mit mindestens einer Antireflexschicht versehen ist. Günstig ist es dabei, wenn die Antireflexschicht aus Oxiden, Nitriden und/oder Carbiden der Elemente Si, Ti, Al, und/oder Ta besteht. Dabei kann die Antireflexschicht ein- oder mehrlagig sein.
  • Zur Effizienzsteigerung der Solarzelle ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die RS-Kontakte durch die Rückseitenpassivierungsschicht hindurch kontaktiert sind.
  • Außerdem ist es günstig, wenn im Falle einer p-dotierten rückseitigen Oberflächenschicht die RS- Kontakte Aluminiumkontakte und die die VS-Kontakte Silberkontakte sowie unabhängig davon die RS-Kontakte und/oder VS-Kontakte punktförmige Kontakte sind. Für Ausführungsformen, bei denen eine n-dotierte rückseitige Oberflächenschicht vorliegt sind die RS-Kontakte bevorzugt aus Silber und die VS-Kontakte bevorzugt aus Aluminium.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen unabhängig voneinander die n- und p-dotierte Schicht der Solarzelle eine Dicke von 0,01 bis 3000 μm, bevorzugt 50 bis 500 μm, auf.
  • Ebenso bevorzugt ist es, wenn die halbleitende Si-Schichten mit Elementen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus B, Al, Ga, In, P, As, Sb und/oder vorteilhaften Mischungen hieraus dotiert sind.
  • Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung einer im Voranstehenden beschriebenen Solarzelle bereitgestellt, das vorsieht, dass nach der Herstellung des Si-Wafers die Rückseitenpassivierungsschichten durch ein CVD-Abscheideverfahren aufgebracht werden.
  • Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn vor der Abscheidung der Rückseitenpassivierungsschichten der Si-Wafer vorbehandelt wird. Ein Vorteil einer Vorbehandlung ist, dass der Wafer dabei nochmals gereinigt wird.
  • Bevorzugte Vorbehandlungsmethoden sind dabei die Vorbehandlung durch Plasmaätzen und/oder nasschemisches Ätzen.
  • Insbesondere erfolgt dabei das Plasmaätzen durch Kon taktierung der Si-Wafers mit Fluor- und/oder Chlorhaltigen Gasen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus HCL, SiCl4, Cl2, CF4, SF6, NF3, CHF3, und/oder Mischungen hieraus.
  • Zur CVD-Abscheidung der SiNx-Schicht werden bevorzugt Gase, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silan (SiH4), Stickstoff (N2), Wasserstoff (H2), Ammoniak (NH3) und/oder Mischungen hieraus verwendet.
  • Ebenso werden zur CVD-Abscheidung der SiOx-Schicht bevorzugt Gase, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silan (SiH4), Wasserstoff (H2), Distickstoffoxid (N2O), Sauerstoff (O2), Tetramethylcyclotetrasiloxan (TMCMTS), Tetraethoxysilan (TEOS) und/oder Mischungen hieraus verwendet.
  • Methoden der Wahl zur CVD- und/oder PVD-Abscheidung der Schichten sind dabei eine Plasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) oder Sputterverfahren.
  • Vorteilhaft auf das ganze Verfahren wirkt sich dabei aus, dass die Rückseitenpassivierung unmittelbar anschließend nach der Herstellung und/oder Vorbehandlung des Si-Wafers durchgeführt werden kann. Alle Arbeitsschritte, die die Oberflächenbeschichtungsschritte betreffen, können in einem kontinuierlichen Prozess, in-situ, d.h. ohne Unterbrechung des Vakuums vor der Abscheidung der Passivierungsschichten erfolgen.
  • Vorteilhafte und homogene Schichtstrukturen ergeben sich insbesondere dann, wenn die Abscheideraten für die SiOx-Schicht 5 bis 4000 nm/min, bevorzugt 5 bis 1000 nm/min, besonders bevorzugt 90 bis 110 nm/min, sowie für die SiNx-Schicht 2 bis 500 nm/min, bevorzugt 2 bis 200 nm/min, bevorzugt 60 bis 90 nm/min, betragen.
  • Die VS- und/oder RS-Kontakte können vorteilhaft durch gezielte Beschichtung mit einer Metallisierungspaste, z.B. einer Aluminiumpaste und durch einen anschließenden Temperschritt, mit einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der metallischen Paste, hergestellt werden. Jedoch sind für diesen Schritt auch alternative vorteilhafte Methoden, wie beispielsweise Lasersinterprozesse denkbar. Dabei werden die VS- und/oder RS-Kontakte durch Aufbringen eines Metalls in Form einer Paste oder Folie, z.B. aus Aluminium, oder durch Aufdampfen, beispielsweise durch CVD- und/oder PVD-Verfahren und durch ein anschließendes Aufschmelzen des Metalls z.B. mit einem Laserstrahl hergestellt.
  • Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 in nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert, ohne die Erfindung auf die speziellen Parameter zu beschränken. Dabei zeigen
  • 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Solarzelle mit einer auf der Rückseite aufgebrachten SiNx-Passivierungsschicht,
  • 2 die Struktur einer hocheffizienten Solarzelle mit erfindungsgemäßem Passivierungsschichtsystem auf der Rückseite der Solarzelle (Stapel aus SiOx, SiNx und SiOx) und lasergefeuerten Punktkontakten (LFC),
  • 3 einen schematischen Aufbau einer Charakte risierungsprobe mit einem bei der erfindungsgemäßen Solarzelle verwendeten beidseitig aufgebrachten dreischichtigen Beschichtungssystem (3b) im Vergleich zu einer Charakterisierungsprobe mit einem aus dem Stand der Technik bekannten zweilagigen Beschichtungssystem (3a),
  • 4 Ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit der Ladungsträger-Lebensdauer bei einer Oberflächenpassivierung mit einer Schichtfolge SiNx sowie einer Deckschicht aus SiOx dargestellt ist, woran die vorteilhaften Eigenschaften einer SiOx-Deckschicht deutlich werden.
  • Ausführungsbeispiel
  • Die Herstellung der Erfindung erfolgt mit Hilfe einer Anlage, die anhand plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD, engl. plasma enhanced chemical vapour deposition) eine Aufbringung von amorphem hydrogenisiertem Siliciumoxid (SiOx), amorphem hydrogenisiertem Siliciumnitrid (SiNx) sowie einer abschließenden Schicht aus amorphem hydrogenisiertem Siliciumoxid (SiOx) ermöglicht. Die charakteristische Schichtfolge aus erstens SiOx, zweitens SiNx und drittens wiederum SiOx auf kristallinem Silicium sorgt für einen guten feuerstabilen Passivierungseffekt. Durch das Aufbringen einer weiteren SiOx-Schicht auf die beiden schon bestehenden Schichten konnte die Passivierungswirkung im Vergleich zum Stand der Technik noch gesteigert werden. Durch den ausschließlichen Einsatz eines CVD-Abscheideverfahrens konnte die Beschichtungszeit und die Temperatureinwirkung auf den Siliciumwafer im Vergleich zur Passivierung mit thermisch eingewachsenem Siliciumdioxid deutlich reduziert werden. Die Abscheideraten betragen ca. 100 nm/min für die SiOx-Schicht und ca. 8 nm/min für die SiNx-Schicht. Für die Abscheidung des zweilagigen Schichtsystems (100 nm SiOx + 70 nm SiNx, 3a) waren somit ca. 10 min nötig, für das erfindungsgemäße dreilagige Schichtsystem (100 nm SiOx + 70 nm SiNx + 100 nm SiOx, 3b) ca. 11 min.
  • Für die Herstellung des Schichtsystems in einer Durchlaufabscheideanlage ist eine Hintereinanderschaltung von mehreren Plasmaquellen vorstellbar, um einen hohen Durchsatz durch die Anlage zu erzielen.
  • Beim Aufbringen des erfundenen Schichtsystems aus SiOx + SiNx + SiOx, auf die Rückseite einer hocheffizienten Solarzellenstruktur gemäß 2 ohne Vorderseitenkontakte konnten Offene-Klemmen-Spannungen VOC von bis zu 680 mV gemessen werden, was auf eine hervorragende Rückseitenpassivierung schließen lässt. Dies deutet wiederum darauf hin, dass eine Inversionszone auf der Rückseite der Solarzelle vermieden werden konnte.
  • Tests mit weiteren hocheffizienten Solarzellenvorläufern gemäß 2 ohne Vorder- und Rückseitenkontakte zeigten in Messungen der Ladungsträgerlebensdauern sehr gute VOC-Werte nach einem Prozessschritt, der dem Feuern der Siebdruckvorderseitenkontakte vergleichbar ist, von bis zu 689 mV, was die Stabilität und die hervorragende Qualität der erfundenen Rückseitenpassivierung unterstreicht.
  • Eine gute Oberflächenpassivierung lässt sich prinzipiell über zwei Effekte erreichen. Zum einen kann die Dichte der Kristallfehlstellen (unabgesättigte Bin dungen), die Zustände im Verbotenen Band des Silicium-Halbleiters erzeugen, durch eine effektive Absättigung verringert werden (Verringerung von Dit). Zum anderen können Ladungsträger über das Vorhandensein von ortsfesten Ladungen in der Passivierungsschicht von der Oberfläche des Siliciums ferngehalten werden (Feldeffektpassivierung durch ortsfeste Ladungen der Dichte Qf).
  • Im Vergleich zum Stand der Technik bietet vorliegende Erfindung eine gute Oberflächenpassivierung mit Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten unter 700 cm/s und 240 cm/s direkt nach der Abscheidung. Zum anderen verbesserte sich dieser Wert in Untersuchungen noch auf unter 60 cm/s bei einem Prozessschritt, der für die heute standardmäßig in der Photovoltaik-Industrie verwendete Technologie für die Vorderseitenkontaktierung der Solarzellen, die Siebdruck-Technologie, notwendig ist. Die bei den Messungen verwendeten Solarzellen sind in den 3a und 3b gezeigt.
  • 2 zeigt die Struktur einer hocheffizienten Solarzelle mit erfindungsgemäßem Passivierungsschichtsystem auf der Rückseite der Solarzelle (Stapel aus SiOx, SiNx und SiOx) und lasergefeuerten Punktkontakten (LFC).
  • 3 zeigt Skizzen der Probenaufbauten. Einkristalline Silicium-Scheiben mit folgenden Charakteristika wurden beidseitig beschichtet: Herstellungsmethode: Zonenschmelzen (FZ), Dotierung: Bor, 1,5·1016 cm3, Dicke: 250 μm. Die Probe 3a wurde mit 100 nm SiOx und 70 nm SiNx beschichtet, bei der Probe 3b war auf der SiNx-Schicht noch zusätzlich eine weitere Lage aus 100 nm SiOx.
  • 4 zeigt die Abhängigkeit der Ladungsträger-Lebensdauer bei einer Oberflächenpassivierung mit SiNx mit einer Deckschicht aus SiOx verschiedener Dicke von der Dauer eines Sinterschrittes bei 425 °C in Formiergas. Ab einer 100 nm dicken SiOx-Schicht konnte eine deutliche Verbesserung der Temperaturstabilität beobachtet werden. Aus [M. Hofmann, E. Schneiderlöchner, W. Wolke, and R. Preu, Silicon nitridesilicon Oxide stacks for solar cell rear side passivation, In Proc. Proceedings of the 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference, ed. by. W. Hoffmann, J.-L. Bal, H. Ossenbrink, W. Palz, and P. Helm (Paris, France, WIP-Munich, ETA-Florence 2004) p. 1037–40].
  • Die Messergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt und belegen die Vorteile des erfindungsgemäßen Aufbaus der Passivierungsschicht. Tabelle 1
    Schichtsystem Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit nach Abscheidung Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit nach Feuern bei Peaktemperatur 880 °C
    SiOx + SiNx (Fig. 3a) < 700 cm/s < 70 cm/s
    SiOx + SiNx + SiOx (Fig. 3b) < 240 cm/s < 60 cm/s
  • Bei diesem Prozessschritt haben die Solarzellen im Allgemeinen eine Spitzentemperatur von ca. 830 °C, bei der die siebgedruckten Vorderseitenkontakte der Solarzelle durch die darunter liegende nicht-leitende Antireflexionsschicht in den Emitter der Solarzelle eingetrieben werden. Eine auf der Rückseite vorhandene Passivierungsschicht muss nach diesem Prozess schritt eine gute Passivierungswirkung aufweisen. Vorliegende Erfindung weist die gewünschte gute Passivierung nach besagtem Hochtemperatur-Prozessierungsschritt auf.
  • Die Ursache für die hervorragende Passivierungswirkung des neuen Schichtsystems liegt vermutlich in 4 Gründen. Erstens scheint die erste Lage SiOx schon eine gute Absättigung der Oberflächenzustände des Siliciumkristalls zu ermöglichen. Zweitens wird diese Absättigung durch das Eindiffundieren von Wasserstoff aus der sehr wasserstoffreichen SiNx-Schicht noch deutlich verbessert. Drittens tritt vermutlich eine leichte Feldeffektpassivierung auf. Viertens wird durch die zweite SiOx-Schicht eine Erhöhung der Stabilität des Systems erreicht. In vorangegangenen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass sich die thermische Stabilität der Passivierungswirkung von SiNx erhöhen lässt, wenn eine ausreichend dicke Schicht aus SiOx auf dessen Oberfläche aufgebracht wird (siehe 4). Untersuchungen zu diesen Vermutungen sind zurzeit im Gang.

Claims (30)

  1. Si-Solarzelle mit auf der vorderseitigen dotierten Oberflächenschicht aufgebrachten Vorderseitenkontakten (VS-Kontakte) und mindestens einer auf der rückseitigen dotierten Schicht aufgebrachten Rückseitenpassivierungsschicht mit Rückseitenkontakten (RS-Kontakte), dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseitenpassivierungsschicht aus mindestens einer auf der rückseitigen dotierten Schicht angeordneten SiOx-Schicht, mindestens einer darauf abgeschiedenen SiNx-Schicht sowie darauf aufgebracht mindestens einer weiteren SiOx-Schicht besteht.
  2. Si-Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderseitige Oberflächenschicht n-dotiert ist und die rückseitige Schicht p-dotiert ist.
  3. Si-Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderseitige Oberflächenschicht p-dotiert ist und die rückseitige Schicht n-dotiert ist.
  4. Si-Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine auf der p-dotierten Schicht angeordneten SiOx-Schicht, mindestens einer darauf abgeschiedenen SiNx-Schicht sowie darauf aufge bracht mindestens einer weiteren SiOx-Schicht alternierend angeordnet sind.
  5. Si-Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußerste, abschließende Schicht der Rückseitenpassivierungsschicht eine SiOx-Schicht ist.
  6. Si-Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine SiOx-Schicht aus amorphem SiOx besteht.
  7. Si-Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine SiNx-Schicht aus amorphem SiNx besteht.
  8. Si-Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der mindestens einen SiOx-Schicht 2 nm bis 100 nm, bevorzugt 50 bis 150 nm, beträgt.
  9. Si-Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der mindestens einen SiNx-Schicht 2 nm bis 100 nm, bevorzugt 50 bis 150 nm, beträgt.
  10. Si-Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die n-dotierte Oberflächenschicht mit mindestens einer Antireflexschicht versehen ist.
  11. Si-Solarzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexschicht aus Oxiden, Nitriden und/oder Carbiden der Elemente Si, Ti, Al, und/oder Ta besteht.
  12. Si-Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die RS-Kontakte durch die Rückseitenpassivierungsschicht hindurch kontaktiert sind.
  13. Si-Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die VS-Kontakte Silberkontakte sind.
  14. Si-Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die RS-Kontakte Aluminiumkontakte sind.
  15. Si-Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die RS-Kontakte und/oder VS-Kontakte punktförmige Kontakte sind.
  16. Si-Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die n- und p-dotierte Schicht der Si-Solarzelle eine Dicke von 0,01 bis 3000 μm, bevorzugt 50 bis 500 μm, aufweisen.
  17. Si-Solarzelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die halbleitende Si-Schichten mit Elementen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus B, Al, Ga, In, P, As, Sb und/oder Mischungen hieraus dotiert sind.
  18. Verfahren zum Herstellen einer Si-Solarzelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Herstellung des Si-Wafers die Rückseitenpassivierungsschichten durch ein CVD- oder PVD-Abscheideverfahren aufgebracht werden.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Abscheidung der Rückseitenpassivierungsschichten der Si-Wafer vorbehandelt wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung durch Plasmaätzen und/oder nasschemisches Ätzen erfolgt.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmaätzen durch Kontaktierung der Si-Wafers mit Fluor- und/oder Chlorhaltigen Gasen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus HCL, SiCl4, Cl2, CF4, SF6, NF3, CHF3, und/oder Mischungen hieraus erfolgt.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zur CVD-Abscheidung der SiNx-Schicht Gase, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silan (SiH4), Stickstoff (N2), Wasserstoff (H2), Ammoniak (NH3) und/oder Mischungen hieraus verwendet werden.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zur CVD-Abscheidung der SiOx-Schicht Gase, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silan (SiH4), Wasserstoff (H2), Distickstoffoxid (N2O), Sauerstoff (O2), Tetramethylcyclotetrasiloxan (TMCMTS), Tetraethoxysilan (TEOS) und/oder Mischungen hieraus verwendet werden.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass als CVD-Verfahren eine Plasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) eingesetzt wird.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass als PVD-Abscheideverfahren ein Sputterverfahren eingesetzt wird.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseitenpassivierung unmittelbar anschließend nach der Herstellung und/oder Vorbehandlung des Si-Wafers durchgeführt wird.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheideraten für die SiOx-Schicht 5 bis 4000 nm/min, bevorzugt 5 bis 1000 nm/min, besonders bevorzugt 90 bis 110 nm/min, betragen.
  28. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidraten für die SiNx-Schicht 2 bis 500 nm/min, bevorzugt 2 bis 200 nm/min, bevorzugt 60 bis 90 nm/min, betragen.
  29. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die VS- und/oder RS-Kontakte durch gezielte Beschichtung mit einer Metallisierungspaste, z.B. einer Aluminiumpaste und durch einen anschließenden Temperschritt mit einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der metallischen Paste, hergestellt werden.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die VS- und/oder RS-Kontakte durch Aufbringen eines Metalls in Form einer Paste oder Folie, z.B. aus Aluminium, oder durch Aufdampfen, beispielsweise durch CVD- und/oder PVD-Verfahren und durch ein anschlie ßendes Aufschmelzen des Metalls z.B. mit einem Laserstrahl hergestellt werden.
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