DE102006057328A1 - Solarzelle mit Dielektrikumschichtenfolge, länglichen Kontaktregionen und quer dazu verlaufenden Metallkontakten sowie Herstellungsverfahren für diese - Google Patents

Solarzelle mit Dielektrikumschichtenfolge, länglichen Kontaktregionen und quer dazu verlaufenden Metallkontakten sowie Herstellungsverfahren für diese Download PDF

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Dirk Wissen
Michael Kaiser
Saioa Tardon
Stefan Dr. Peters
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Abstract

Es wird eine Solarzelle (1) und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Solarzelle vorgestellt, wobei an einer Oberfläche der Solarzelle eine erste Dielektrikumschicht (17) vorzugsweise aus Siliziumoxid vorgesehen ist, in der längliche Öffnungen (5) beispielsweise mit einem Laser ausgebildet worden sind. Über die erste Dielektrikumschicht wird eine zweite Dielektrikumschicht (19) ausgebildet, die als Antireflexschicht dienen kann. Die Finger des frontseitigen Metallkontaktes (7) verlaufen an der zweiten Dielektrikumschicht quer über die länglichen Öffnungen. Die erste Dielektrikumschicht kann als elektrisch gut isolierende Schicht und als Oberflächenpassivierung dienen. Die länglichen Metallkontakte kontaktieren das Halbleitersubstrat daher nur im Bereich der länglichen Öffnungen. Dazwischen ist die Halbleiteroberfläche gut passiviert. Es können geringe Oberflächenrekombination und hohe Blauempfindlichkeit für die Solarzelle erreicht werden.

Description

  • BEREICH DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzelle mit länglichen Kontaktregionen, bei der Metallkontakte quer zu diesen Kontaktregionen verlaufend angeordnet sind. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine solche Solarzelle.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Solarzellen dienen der Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Hierzu wird ein Substrat aus einem Halbleiter mit verschieden dotierten Bereichen versehen. Zum Beispiel kann ein Basisbereich des Substrates als p-Typ-Halbleiter ausgebildet sein, während meist an der Oberfläche, die hin zu dem einfallenden Licht gerichtet ist, eine Emitterschicht aus einem n-Typ-Halbleiter ausgebildet ist. An der Grenze zwischen dem Basisbereich und der Emitterschicht entsteht ein pn-Übergang. Das an diesem pn-Übergang entstehende Potentialgefälle dient dazu, Ladungsträgerpaare, die durch Absorption einfallenden Lichts in dem Halbleitersubstrat gebildet werden, räumlich zu trennen. Die derart räumlich getrennten Ladungsträgerpaare werden anschließend über auf das Substrat in dem Basisbereich und dem Emitterbereich aufgebrachte Metallkontakte einem externen Stromkreis zugeführt.
  • Es ist bekannt, dass eine an einer Oberfläche des Halbleitersubstrats befindliche Metallisierung als starkes Rekombinationszentrum dienen kann. Unter Rekombination wird hierbei verstanden, dass die durch das einfallende Licht erzeugten Ladungsträgerpaare, die aus einem negativ geladenen Elektron und einem positiv geladenen Loch bestehen, rekombinieren und sich damit neutralisieren, bevor sie an dem pn-Übergang räumlich getrennt werden können. Rekombination senkt daher den Wirkungsgrad der Solarzelle. Es wird daher angestrebt, die direkte Kontaktfläche zwischen dem Solarzellenhalbleitersubstrat und der an dessen Oberfläche aufgebrachten Metallisierung der Metallkontakte so gering wie möglich zu halten.
  • Es ist ferner bekannt, dass ein Kontaktwiderstand zwischen dem Solarzellenhalbleitersubstrat und den darauf aufgebrachten Metallkontakten umso größer sein kann, je schwächer das Halbleitersubstrat im Bereich der Kontaktfläche insbesondere in einer Region nahe der Substratoberfläche dotiert ist. Die Stärke der Dotandenkonzentration zusammen mit der Dicke der dotierten Schicht führt zu dem sogenannten Schichtwiderstand, der ein Maß für die elektrische Leitfähigkeit ist, mit der eine dotierte Halbleiterschicht einen elektrischen Strom leiten kann. Bei bestimmten Metallisierungsarten, wie zum Beispiel der bei der industriellen Fertigung von Solarzellen häufig verwendeten Siebdruckmetallisierung hat sich herausgestellt, dass ein akzeptabler Kontaktwiderstand zwischen der Metallisierung und dem Solarzellensubstrat in der Regel nur dann erreichbar ist, wenn das Substrat im Bereich der Metallisierung stark genug dotiert ist, dass sich ein Schichtwiderstand von weniger als 70 Ohm per square ergibt. Je stärker die Dotierung an der zu kontaktierenden Oberfläche, insbesondere im oberflächennahen Bereich, und somit je niedriger der Schichtwiderstand ist, umso geringer fällt der Kontaktwiderstand aus. Da der Kontaktwiderstand zusammen mit dem Schichtwiderstand, aufgrund des lateralen Widerstandes bis zu den Metallfingern, zu den Gesamtserienwiderständen innerhalb der Solarzelle beiträgt und diese Serienwiderstände den Wirkungsgrad der Solarzelle erheblich reduzieren können, wird angestrebt, den Kontaktwiderstand und den Schichtwiderstand durch Verwendung stark dotierter Regionen zumindest speziell in den Bereichen, wo die Metallisierung das Halbleitersubstrat kontaktiert, gering zu halten.
  • Es ist weiterhin bekannt, dass ein an der zum eingestrahlten Licht gerichteten Frontseite der Solarzelle ausgebildeter Emitter eine umso schlechtere interne Quanteneffizienz (IQE) im blauen Spektralbereich hat, je stärker er dotiert ist und je schlechter eine Passivierung der Oberfläche des Emitters ist. Die IQE bildet ein Maß dafür, mit welcher Effizienz Ladungsträgerpaare, die von einfallendem Licht einer bestimmten spektralen Wellenlänge erzeugt werden, zum durch die Solarzelle erzeugten externen Strom beitragen. Insbesondere bei blauem Licht, das direkt in der Nähe der Solarzellenoberfläche absorbiert wird, führt ein stark dotierter Emitter bzw. eine schlechte Oberflächenpassivierung dazu, dass viele Ladungsträgerpaare rekombinieren, bevor sie vom pn-Übergang getrennt werden. Die Ladungsträgerpaare können dann nicht mehr zum externen Strom beitragen. Ein reduzierter Wirkungsgrad der Solarzelle ist das Resultat. Um eine erhöhte Blauempfindlichkeit für die Solarzelle zu erreichen, ist es daher vorteilhaft, die Emitterschicht möglichst schwach zu dotieren und die Oberfläche möglichst gut zu passivieren.
  • Es wurde ein Solarzellenkonzept vorgeschlagen, bei dem an der Vorderseite einer Solarzelle eine Dielektrikumschicht ausgebildet wurde und durch diese Dielektrikumschicht hindurch längliche Gräben in eine Oberfläche der Solarzelle eingebracht wurden. In diese länglichen Gräben wurde ein stark dotierter Emitter eindiffundiert. In einem nachfolgenden Metallisierungsschritt wurden längliche Metallfinger senkrecht über die Gräben verlaufend ausgebildet. Dadurch konnte unter anderem erreicht werden, dass sich aufgrund der starken Dotierung innerhalb der Gräben ein geringer Kontaktwiderstand mit den dort anliegenden Metallkontaktbereichen einstellt.
  • In Anbetracht des genannten Stand der Technik kann ein Bedarf dafür bestehen, ein Solarzellenkonzept und ein Verfahren zum Herstellen entsprechender Solarzellen bereitzustellen, bei dem zumindest Teilaspekte des oben genannten Standes der Technik in vorteilhafter Weise weiterentwickelt wurden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Dieser Bedarf kann erfüllt werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Solarzelle vorgeschlagen, aufweisend: ein flächiges Halbleitersubstrat; eine erste Dielektrikumschicht an einer ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats; eine zweite Dielektrikumschicht an einer der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats entgegengesetzten Oberfläche der ersten Dielektrikumschicht; längliche Metallkontakte an der zweiten Dielektrikumschicht; wobei wenigstens die erste Dielektrikumschicht längliche Öffnungen aufweist; und wobei die länglichen Metallkontakte quer zu den länglichen Öffnungen angeordnet sind.
  • Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile der erfindungsgemäßen Solarzelle werden im Anschluss diskutiert.
  • Das flächige Halbleitersubstrat kann scheibenförmig sein, sodass dessen Erstreckung in einer Ebene wesentlich größer ist als normal zu der Ebene. Das Substrat kann aus einem beliebigen Halbleitermaterial wie zum Beispiel Silizium ausgebildet sein. Das flächige Substrat kann als Silizium-Wafer mit einer Fläche von mehr als 10 × 10 cm2, vorzugsweise mehr als 15 × 15 cm2 und einer Dicke von weniger als 300 µm, vorzugsweise weniger als 250 µm und stärker bevorzugt weniger als 200 µm ausgebildet sein.
  • Die erste Oberfläche des Halbleitersubstrats kann eine im Einsatz der Solarzelle hin zum einfallenden Licht gerichtete Vorderseitenoberfläche des Substrats sein.
  • Die erste und die zweite Dielektrikumschicht können eine Doppelschichtenfolge an der Solarzellenoberfläche bilden, wobei die beiden Schichten unterschiedliche physikalische Eigenschaften zum Beispiel hinsichtlich ihres Brechungsindexes und ihrer Dichte bzw. Porosität haben können. Die erste Dielektrikumschicht kann vorzugsweise derart ausgebildet sein, dass sie als elektrische Isolationsschicht zwischen dem Halbleitersubstrat und den Metallkontakten funktionieren kann. Hierzu kann die erste Dielektrikumschicht als dichte Schicht, das heißt ohne bzw. mit einer geringen Porosität ausgebildet sein. Zum Beispiel kann sie als eine Siliziumoxidschicht ausgebildet sein. Insbesondere thermisch ausgebildete Siliziumoxidschichten weisen so gut wie keine Porosität auf und wirken daher als sehr gut elektrisch isolierende Schicht. Ferner besitzen Siliziumoxidschichten sehr gute oberflächenpassivierende Eigenschaften für Siliziumsubstrate. Es wurde herausgefunden, dass Siliziumoxidschichten nach einem Hochtemperaturschritt wie zum Beispiel dem weiter unten beschriebenen starken Diffusionsschritt ihre guten oberflächenpassivierenden Eigenschaften im Wesentlichen nicht verlieren.
  • Die zweite Dielektrikumschicht dient hauptsächlich als Antireflexschicht. Bei ihr sind daher Eigenschaften wie elektrische Isolation und Porosität kaum wichtig. Sie kann zum Beispiel aus einem industriell einfach und schnell abscheidbaren Siliziumnitrid bestehen. Die zweite Dielektrikumschicht lässt sich auf verschiedene Arten herstellen, zum Beispiel im PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition), LPCVD-Verfahren (Low Pressure CVD), APCVD-Verfahren (Atmospheric Pressure CVD), etc. Auch mittels Spin-On- Verfahren, Spray-On-Verfahren oder durch Aufdruck von speziellen Pasten durch Siebdruck können Dielektrikumschichten mit entsprechenden Eigenschaften ausgebildet werden.
  • Die an der zweiten Dielektrikumschicht ausgebildeten Metallkontakte können auf der zweiten Dielektrikumschicht aufliegend ausgebildet sein, wie zum Beispiel im Fall von aufgedampften Metallkontakten. Sie können die zweite Dielektrikumschicht jedoch auch teilweise durchdringen. So ist es zum Beispiel für durch Siebdruck ausgebildete Metallkontakte bekannt, dass die mit einer metallpartikelhaltigen viskosen Paste lokal aufgedruckten Metallfinger beim anschließenden Einbrennen bzw. Einfeuern so genannte Spikes bilden, das heißt kleine Bereiche, in denen die Metallpartikel die darunter liegende Dielektrikumschicht teilweise durchdringen. Es wurde festgestellt, dass eine solche Spike-Bildung umso ausgeprägter sein kann, je poröser die Dielektrikumschicht ist. Es wurde ferner festgestellt, dass eine Spike-Bildung durch Siliziumnitridschichten wesentlich stärker auftritt als durch Siliziumoxidschichten.
  • Erfindungsgemäß weist wenigstens die erste Dielektrikumschicht längliche Öffnungen auf. Die länglichen Öffnungen können sich in Form von geraden, schmalen Gräben im Wesentlichen von einem Rand der Solarzelle zum anderen Rand der Solarzelle erstrecken. Sie können die erste Dielektrikumschicht vollständig durchtrennen, so dass entsprechende Bereiche der Halbleiteroberfläche nicht mit der ersten Dielektrikumschicht bedeckt sind. Es kann eine Vielzahl solcher zueinander paralleler länglicher Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht ausgebildet sein, wobei der laterale Abstand zwischen benachbarten länglichen Öffnungen äquidistant sein kann. Die länglichen Öffnungen können eine konstante Breite entlang ihrer Länge aufweisen. Alternativ kann die Breite variieren, wobei es vorteilhaft sein kann, die Breite der Öffnungen im Bereich der Metallkontakte größer als im Bereich zwischen benachbarten Metallkontakten zu wählen. Die länglichen Öffnungen können eine durchschnittliche Breite von weniger als 100 µm, vorzugsweise 10-30 µm, und einen lateralen Abstand von weniger als 2 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm, haben.
  • Die quer zu den länglichen Öffnungen angeordneten länglichen Metallkontakte können senkrecht oder in einem spitzen Winkel zur Längsrichtung der Öffnungen verlaufen. Die länglichen Metallkontakte sollen die länglichen Öffnungen bzw. Teilbereiche der länglichen Öffnungen kreuzen. Die Metallkontakte können als längliche Finger ausgebildet sein, wobei benachbarte Metallkontaktfinger im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und in einem so genannten Busbar münden können. Der Busbar ist eine quer zu den Fingern verlaufende breitere Metallisierung, die die Kontaktfinger verbindet und die in ihnen gesammelten Ladungsträger über ein an dem Busbar angelötetes Band einem äußeren Stromkreis zuführen kann.
  • Die erfindungsgemäße Solarzelle kann unter anderem folgende Vorteile aufweisen:
    Die erste Dielektrikumschicht kann als gute Oberflächenpassivierung für das darunter liegende Halbleitersubstrat wirken. Aufgrund ihrer entsprechend gewählten physikalischen Eigenschaften kann die erste Dielektrikumschicht auch als gute Isolierschicht zwischen der Oberfläche des Halbleitersubstrats und den über der ersten Dielektrikumschicht angeordneten Metallkontakten dienen. Die zweite Dielektrikumschicht kann andere Aufgaben, wie zum Beispiel die Bildung einer Antireflexschicht, erfüllen. Außerdem kann sie aus einfach, schnell und kostengünstig herzustellendem Material gefertigt sein. Somit kann die erfindungsgemäße Solarzelle einen hohen Wirkungsgrad aufgrund geringer Oberflächenrekombination und guter Antireflexeigenschaften erzielen und kostengünstig und einfach herzustellen sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Solarzelle eine an der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildete Emitterschicht mit einem ersten Schichtwiderstand in einem Bereich unterhalb der ersten Dielektrikumschicht und einem zweiten Schichtwiderstand kleiner als der erste Schichtwiderstand in einem Bereich unterhalb der länglichen Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht auf.
  • Das Konzept, bestimmte Bereiche einer Solarzellenoberfläche mit einem schwächer dotierten Emitter mit einem höheren Schichtwiderstand und andere Bereiche mit einem stärker dotierten Emitter mit einem niedrigeren Schichtwiderstand auszustatten, wird häufig als selektiver Emitter bezeichnet. Die schwach dotierten Emitterbereiche sorgen für hohe Blauempfindlichkeit und die stark dotierten Emitterbereiche bieten eine erhöhte Leitfähigkeit und die Möglichkeit eines geringen Kontaktwiderstands mit einem Metallkontakt.
  • Bei einer Solarzelle gemäß dieser Ausführungsform ist der Emitter in den Bereichen der Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht stark dotiert und in den restlichen dazwischen liegenden Bereichen schwach dotiert. Die stark dotierten Bereiche können einen Schichtwiderstand von weniger als 40 Ohm per square, vorzugsweise weniger als 20 Ohm per square und stärker bevorzugt weniger als 10 Ohm per square aufweisen, wohingegen die schwach dotierten Bereiche einen Schichtwiderstand von über 80 Ohm per square aufweisen können. Aufgrund der starken Dotierung können die stark dotierten Bereiche wie transparente Leiterbahnen wirken, in denen die gesammelten Ladungsträger bei geringem elektrischen Widerstand hin zu den quer zu den länglichen Öffnungen und damit zu den stark dotierten Bereichen verlaufenden Metallkontakten geleitet werden können. Dies reduziert den Gesamtwiderstand der Solarzelle. Ferner kann wegen der wie Leiter wirkenden stark dotierten Bereiche der Abstand zwischen benachbarten Metallkontaktfingern im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen vergrößert werden, ohne dass sich der Serienwiderstand merklich erhöht. Der laterale Abstand zwischen Kontaktfingern kann zum Beispiel etwa doppelt so groß sein wie bei herkömmlichen Solarzellen, zum Beispiel größer als 3mm, vorzugsweise größer als 4mm und stärker bevorzugt größer als 5mm. Dadurch verringert sich die Abschattung durch die Metallkontakte und der Strom und somit der Wirkungsgrad der Solarzelle steigt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die zweite Dielektrikumschicht der Solarzelle längliche Öffnungen auf, die mit den länglichen Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht im Wesentlichen flächendeckungsgleich sind. Wie aus der weiter unten folgenden Beschreibung eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ersichtlich werden wird, kann es bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Solarzelle vorteilhaft sein, die Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht erst auszubilden, wenn auf dieser bereits die zweite Dielektrikumschicht ausgebildet ist. In diesem Fall können die Öffnungen dann in beiden Schichten gemeinsam ausgebildet werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind unter den länglichen Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht Ausnehmungen in dem Halbleitersubstrat ausgebildet. Dies kann den Vorteil einer größeren Kontaktfläche zwischen den Metallkontakten, die durch die Öffnungen in die Ausnehmungen in dem Halbleitersubstrat hineinragen können, und der Halbleitersubstratoberfläche bewirken. Ferner können die länglichen Ausnehmungen unterhalb der länglichen Öffnungen, wenn ihre Oberfläche mit einer stark dotierten Emitterschicht versehen ist, sehr gut als transparente Leiterbahnen dienen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle vorgeschlagen, welches die folgenden Schritte aufweist: Ausbilden einer ersten Dielektrikumschicht auf einer ersten Oberfläche eines Halbleitersubstrats; Ausbilden einer zweiten Dielektrikumschicht auf einer der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats entgegengesetzten Oberfläche der ersten Dielektrikumschicht; Ausbilden von länglichen Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht; Ausbilden von länglichen Metallkontakten an der zweiten Dielektrikumschicht quer zu den länglichen Öffnungen.
  • Die genannten Schritte des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens können in einer beliebigen Reihenfolge durchgeführt werden. Zum Beispiel können die länglichen Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht vor oder nach dem Ausbilden der zweiten Dielektrikumschicht ausgebildet werden. Im letzteren Fall können die Öffnungen simultan in beiden Dielektrikumschichten ausgebildet werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vor dem Ausbilden der ersten Dielektrikumschicht eine erste Emitterschicht mit einem ersten Schichtwiderstand in die erste Oberfläche des Halbleitersubstrats eindiffundiert und nach dem Ausbilden der länglichen Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht wird eine zweite Emitterschicht mit einem zweiten Schichtwiderstand kleiner als der erste Schichtwiderstand in die Oberfläche des Halbleitersubstrats in den Bereichen unterhalb der länglichen Öffnungen eindiffundiert.
  • Dadurch kann eine die erste Oberfläche des Halbleitersubstrats im Wesentlichen ganzflächig bedeckende schwach dotierte Emitterschicht erzeugt werden, die zu einer hohen Blauempfindlichkeit für die Solarzelle führen kann. Die länglichen stark dotierten Emitterteilbereiche werden dabei in den Regionen unterhalb der länglichen Öffnungen eindiffundiert und können als Kontaktfläche für die Kontaktierung mit den sie kreuzenden Metallkontakten und als zu diesen Metallkontakten quer verlaufende transparente Leiterbahnen dienen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die erste Dielelektrikumschicht als eine Siliziumoxidschicht ausgebildet. Dies kann zum Beispiel durch feuchtes oder trockenes thermisches Aufoxidieren der Oberfläche eines Silizumwafers bei Temperaturen oberhalb von 800°C, vorzugsweise oberhalb von 900°C erfolgen. Dabei kann sich eine kompakte SiO2-Schicht an der Waferoberfläche bilden, die die Waferoberfläche gleichzeitig auch sehr gut passiviert.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die zweite Dielektrikumschicht als eine Siliziumnitridschicht ausgebildet werden. Siliziumnitridschichten können einfach und schnell z.B. im PECVD-Verfahren gebildet werden. Da Siliziumnitrid einen höheren Brechungsindex aufweist als Siliziumoxid, kann eine Siliziumnitridschicht im Gegensatz zu einer Siliziumoxidschicht auch nach Verkapselung der Solarzelle in ein Modul, bei der die Solarzellenoberfläche von einer Glasplatte bedeckt sein kann, als gute Antireflexschicht dienen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Öffnungen in der Dielektrikumschicht mit einem Laserstrahl eingebracht. Die Parameter des Laserstrahls können dabei so gewählt werden, dass das Ausbilden der Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht derart erfolgt, dass das Halbleitersubstrat im Wesentlichen frei von Ausnehmungen verbleibt, das heißt, das Halbleitersubstrat unter der Dielektrikumschicht im Wesentlichen unversehrt bleibt. Insbesondere können die Parameter des Laserstrahls wie zum Beispiel seine Leistung, seine Wellenlänge, seine Pulsdauer und seine Fokussierung so gewählt werden, dass keine Ausnehmungen mit einer Tiefe von mehr als 10 µm Ausbilden der Öffnungen erzeugt werden, um die mechanische Stabilität des Halbleitersubstrats nicht zu gefährden.
  • Alternativ können die Parameter des Laserstrahls so gewählt werden, dass beim Ausbilden der Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht gleichzeitig auch Ausnehmungen im Halbleitersubstrat ausgebildet werden. Zum Beispiel kann die Leistung des Laserstrahls so hoch gewählt werden, dass der Laserstrahl nicht nur die erste Dielektrikumschicht und, falls auf dieser bereits die zweite Dielektrikumschicht ausgebildet ist, auch diese ablatiert, sondern dass gleichzeitig auch längliche Gräben durch Verdampfen von darunter liegendem Halbleitersubstratmaterial in dem Halbleitersubstrat ausgebildet werden. In diese Gräben kann dann eine stark diffundierte Emitterschicht eindiffundiert werden. Die auf diese Weise erzeugten stark dotierten Emitterteilbereiche wirken wiederum wie transparente Leiterbahnen, die aufgrund der Geometrie der Gräben eine große Querschnittsfläche und damit eine hohe Leitfähigkeit aufweisen.
  • Alternativ können die Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht auch durch lokales Aufbringen eines ätzenden Fluids wie zum Beispiel einer mit einem Dispenser lokal aufbringbaren Flüssigkeit oder einer mittels Siebdruck lokal aufbringbaren Paste ausgebildet werden. Die chemische Zusammensetzung des Fluids kann dabei so gewählt werden, dass entweder nur die Dielektrikumschicht lokal geöffnet wird oder gleichzeitig auch das darunter liegende Halbleitersubstrat angegriffen wird und sich dadurch gleichzeitig längliche Ausnehmungen in dem Halbleitersubstrat bilden lassen.
  • Die länglichen Metallkontakte können mit beliebigen Verfahren auf die erste bzw. die zweite Dielektrikumschicht bzw. in deren Öffnungen aufgebracht werden. Ein industriell bewährtes Verfahren ist der Siebdruck. Dabei werden metallpartikelhaltige viskose Pasten durch ein Sieb, das die Geometrie der aufgedruckten Kontakte festlegt, auf die Substratoberfläche gedruckt und anschließend eingebrannt. Aufgrund der Viskosität der metallhaltigen Pasten können diese zumindest teilweise in die Öffnungen bzw. die Ausnehmungen unter den Öffnungen in der/den Dielektrikumschicht(en) hineinfließen und somit die darunter liegende frei liegende Oberfläche des Halbleitersubstrats kontaktieren.
  • Da die Öffnungen in der oder den Dielektrikumschicht(en) länglich sind und ihre Länge im Vergleich zur Breite der quer darüber verlaufenden Kontaktfinger groß ist, ist beim Siebdruck der Kontakte keine genaue Justierung der Kontakte nötig. Eine Positionierungsgenauigkeit beim Drucken von etwa 0,1 mm sollte genügen und ist technologisch einfach realisierbar.
  • Es wird angemerkt, dass die Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile der Erfindung mit Bezug auf verschiedene Aspekte der Erfindung beschrieben wurden. Insbesondere wurden einige Ausführungsformen in Bezug auf Vorrichtungsansprüche, in diesem Fall auf die Solarzelle gerichtet, diskutiert, wohingegen andere Ausführungsformen in Bezug auf Verfahrensansprüche, hier in Bezug auf ein Verfahren zum Herstellen der Solarzelle, diskutiert wurden. Ein Fachmann wird jedoch aus der vorangehenden und auch aus der nachfolgenden Beschreibung erkennen, dass, sofern dies nicht anders angegeben ist, die Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung in beliebiger Weise und unabhängig davon, ob sie in Bezug auf die Solarzelle oder in Bezug auf deren Herstellungsverfahren beschrieben wurden, untereinander kombiniert werden können.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
  • 1 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Solarzelle.
  • 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Draufsicht aus 1.
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A aus 2.
  • 4a zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B aus 2.
  • 4b zeigt eine Querschnittsansicht entsprechend der in 4a gezeigten Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Solarzelle.
  • 4c zeigt eine Querschnittsansicht entsprechend der in 4a gezeigten Ansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Solarzelle.
  • 5 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C aus 2.
  • 6 veranschaulicht schematisch den Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung einer Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Ausführungsformen der Solarzelle. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben.
  • 1 zeigt die Draufsicht auf eine eine erste Oberfläche 2 darstellende Frontseite einer Solarzelle 1. Auf der Frontseite ist eine Dielektrikumschichtenfolge 3 aus einer ersten und einer zweiten Dielektrikumschicht ausgebildet. Darin sind eine Vielzahl von parallelen, linearen länglichen Öffnungen 5 ausgebildet. Aufgrund des fehlenden Dielektrikums bzw. seiner reduzierten Dicke im Bereich der Öffnungen 5 können diese linienförmigen Bereiche optisch als silbrige oder andersfarbige Linien erscheinen. Längliche Metallfinger eines Metallkontaktes 7 verlaufen quer über die Öffnungen 5. Die Finger des Metallkontaktes 7 sind über Busbars 9 miteinander verbunden.
  • In 2 ist der in 1 mit O gekennzeichnete Bereich schematisch vergrößert dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sich längliche, gerade Öffnungen 5 in der Dielektrikumschichtenfolge 3 im Wesentlichen in einem 90° Winkel quer zu den Metallkontaktfingern 7 erstrecken. Die Öffnungen 5 weisen eine konstante Breite auf und benachbarte Öffnungen sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet.
  • 3 zeigt einen Ausschnitt des Querschnitts entlang der Linie A-A aus 2. Die Solarzelle 1 weist einen Silizium-Wafer 11 auf, in dessen Frontseite eine schwach dotierte Emitterschicht 13 mit einem Schichtwiderstand von etwa 80-100 Ohm per square eindiffundiert ist. An der Rückseite des Wafers befindet sich ein Rückkontakt 15. Auf die vordere Oberfläche des Silizium-Wafers 11 ist eine erste Dielektrikumschicht 17 aus Siliziumoxid und eine zweite Dielektrikumschicht 19 aus Siliziumnitrid aufgebracht. Auf und in die zweite Dielektrikumschicht 19 eindringend befinden sich die fingerförmigen Metallkontakte 7.
  • 4a zeigt einen Ausschnitt des Querschnitts der Solarzelle 1 entlang der Linie B-B aus 2. Es sind annähernd rechteckförmige Öffnungen 5 in der Dielektrikumschichtenfolge 3 zu erkennen. In dem Bereich unter diesen Öffnungen 5 befindet sich eine tief diffundierte, stark dotierte Emitterschicht 21. Die linienförmige stark dotierte Emitterschicht 21 wirkt wie ein optisch transparenter Leiter. Ladungsträgerpaare, die an dem pn-Übergang zwischen der schwach dotierten Emitterschicht 13 und dem Basissubstrat 11 getrennt wurden, brauchen nur eine kurze Distanz durch die schwach dotierte Emitterschicht 13 bis hin zu den stark dotierten Emitterschichten 21 unter den Öffnungen 5 in der Dielektrikumschicht 17 zu fließen und können dann ohne wesentliche Serienwiderstandsverluste hin zu den quer zu den Öffnungen 5 verlaufenden Metallkontakten 7 geleitet werden.
  • 5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie C-C aus 2. Es ist zu erkennen, wie der Kontakt 7 quer über die Öffnungen 5 verläuft und sich idealerweise in die Öffnungen 5 hineinerstreckt. Der Metallkontakt 7 kann zwar teilweise in die zweite Dielektrikumschicht 19 aus Siliziumnitrid eingelagert sein (in 5 nicht veranschaulicht), durchdringt jedoch nicht die erste Dielektrikumschicht 17 aus Siliziumoxid. Im Bereich der Öffnungen 5 kontaktiert der Metallkontakt 7 die dort stark dotierte Emitterschicht 21 und ermöglicht geringe Kontaktwiderstände. In den dazwischen gelegenen Bereichen ist der Metallkontakt 7 durch die erste Dielektrikumschicht 17 aus dichtem Siliziumoxid gegen den Silizium-Wafer 11 isoliert, was eine Oberflächenrekombination in diesen Bereichen senken kann.
  • 4b zeigt eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Solarzelle 1' in einer Querschnittsansicht analog derjenigen aus 4a. Bei dieser Ausführungsform sind die länglichen Öffnungen 5 lediglich in der ersten Dielektrikumschicht 17 ausgebildet. Die zweite Dielektrikumschicht 19 ist flächig über der ersten Dielektrikumschicht 17 ausgebildet und weist keine Öffnungen auf. Die zweite Dielektrikumschicht 19 ragt somit in die Öffnungen 5 und bedeckt dort direkt die Oberfläche des Siliziumsubstrats 11. Dies kann den Vorteil haben, dass die als Antireflexschicht dienende zweite Dielektrikumschicht 19 die Oberfläche der Solarzelle ganzflächig, das heißt auch in den Bereichen der Öffnungen 5, bedeckt und somit die Reflexion auch in diesen Bereichen gesenkt werden kann, was zu einer Wirkungsgradsteigerung führen kann.
  • Die Metallkontakte 7 können die zweite Dielektrikumschicht 19 aus Siliziumnitrid zumindest teilweise durchdringen und somit die stark dotierten Emitterbereiche 9 im Bereich der Öffnungen 5 lokal kontaktieren.
  • 4c zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform in einem Schnitt analog dem in 4a gezeigten Schnitt. Bei dieser Ausführungsform befinden sich unter den länglichen Öffnungen zusätzlich auch noch Ausnehmungen 23 in dem Substrat 11. Diese wurden beim Bilden der Öffnungen 5 gleichzeitig mit ausgebildet. Im Bereich der grabenförmigen Ausnehmungen 23 wurde eine stark dotierte Emitterschicht 25 eindotiert. Diese weist im Vergleich zu den stark dotierten Emitterschichten 21 in den Ausführungsformen der 4a und 4b eine vergrößerte Querschnittsfläche auf und wirkt damit als besser leitende transparente Leiterbahn.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann die als Antireflexschicht wirkende Dielektrikumschicht 19 auch die Bereiche der Ausnehmungen 23 bedecken und somit auch dort als Antireflexschicht wirken.
  • Es wird angemerkt, dass die stark dotierten Emitterteilbereiche 21, 25 in den Zeichnungen teilweise tiefer als die schwach dotierten Emitterbereiche 13 dargestellt sind. In Realität können beide Emitterbereiche eine ähnliche Tiefe aufweisen und sich hauptsächlich in der Dotandenkonzentration unterscheiden.
  • Abschließend soll mit Bezug auf 6 ein mögliches Herstellungsverfahren für eine Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung skizziert werden.
  • Ein ca. 200 µm dicker Siliziumwafer 11 wird zunächst durch einen Ätzvorgang von einem eventuellen Sägeschaden befreit (Schritt (A)). Eventuell wird gleichzeitig oder nachfolgend die Oberfläche des Wafers chemisch texturiert. Anschließend wird in einem Ofen in einer POCl3-Atmosphäre eine schwach dotierte Emitterschicht 13 mit einem Schichtwiderstand von etwa 100 Ohm per square flächig in die Oberfläche des Substrats 11 eindiffundiert (Schritt (B)). Optional kann anschließend das bei der Diffusion entstehende Phosphorsilikatglas in einem Ätzschritt entfernt werden. Alternativ kann es auch auf der Substratoberfläche verbleiben. Anschließend wird an der Oberfläche des Substrats 11 in einem Ofen bei hohen Temperaturen von mehr als 900°C eine erste Dielektrikumschicht 17 aus Siliziumoxid an einer ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats 11 mit einer Dicke von etwa 10-20 nm thermisch aufgewachsen (Schritt (C)). Dann wird eine zweite Dielektrikumschicht 19 aus Siliziumnitrid auf der ersten Dielektrikumschicht 17 mittels eines PECVD-Verfahrens abgeschieden (Schritt (D)). Nachfolgend werden mit einem Laser Öffnungen 5 in die Dielektrikumschichtenfolge 3 aus erster und zweiter Dielektrikumschicht 17, 19 eingebracht (Schritt (E)). Anschließend werden in dem Bereich unterhalb der Öffnungen 5 stark dotierte Emitterbereiche 21 durch eine Diffusion in einem Diffusionsofen mit einer POCl3-Atmosphäre bei Temperaturen von über 900°C in dem Halbleitersubstrat 11 ausgebildet (Schritt (F)). Nachdem das dabei entstehende Phosphorsilikatglas in den Öffnungen 5 durch einen kurzen Ätzschritt entfernt wurde, wird an der Rückseite des Substrats 11 ein Rückkontakt 15 mittels Siebdruck aufgedruckt (Schritt (G)). Abschließend wird ein Frontkontakt mit fingerförmigen länglichen Metallfingern 7 auf der Frontseite und quer über die Öffnungen 5 aufgedruckt (Schritt (H)). Beim Einfeuern des Frontkontaktes kann dieser zumindest teilweise in die zweite Dielektrikumschicht aus Siliziumnitrid eindringen, die erste Dielektrikumschicht aus Siliziumoxid verbleibt jedoch unversehrt als isolierende Schicht.
  • Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke „aufweisend", „enthaltend", „umfassend" oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können und dass der Artikel „ein" oder „eine" nicht ausschließt, dass der entsprechende Gegenstand in einer Mehrzahl vorliegt. Außerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Elemente auch beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
    • 1
    Solarzelle
    2
    erste Oberfläche
    3
    Dielektrikumschichtenfolge
    5
    längliche Öffnungen
    7
    Metallkontakte
    9
    Busbars
    11
    Halbleitersubstrat
    13
    schwach dotierte Emitterschicht
    15
    Rückkontakt
    17
    erste Dielektrikumschicht
    19
    zweite Dielektrikumschicht
    21
    stark dotierte Emitterschicht
    23
    längliche Ausnehmungen
    25
    stark dotierter Emitter in länglichen Ausnehmungen

Claims (16)

  1. Solarzelle (1), aufweisend: ein flächiges Halbleitersubstrat (11); eine erste Dielektrikumschicht (17) an einer ersten Oberfläche (2) des Halbleitersubstrates; eine zweite Dielektrikumschicht (19) an einer der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrates entgegengesetzten Oberfläche der ersten Dielektrikumschicht; längliche Metallkontakte (7) an der zweiten Dielektrikumschicht; wobei wenigstens die erste Dielektrikumschicht längliche Öffnungen (5) aufweist; wobei die länglichen Metallkontakte quer zu den länglichen Öffnungen angeordnet sind.
  2. Solarzelle nach Anspruch 1, aufweisend eine an der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrates ausgebildete Emitterschicht mit einem ersten Schichtwiderstand in einem Bereich unterhalb der ersten Dielektrikumschicht und einem zweiten Schichtwiderstand kleiner als der erste Schichtwiderstand in einem Bereich unterhalb der länglichen Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht.
  3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Dielektrikumschicht derart ausgebildet ist, dass sie als elektrische Isolationsschicht zwischen dem Halbleitersubstrat und den Metallkontakten funktioniert.
  4. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Dielektrikumschicht aus einem Siliziumoxid besteht und wobei die zweite Dielektrikumschicht aus einem Siliziumnitrid besteht.
  5. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Dielektrikumschicht längliche Öffnungen aufweist, die mit den länglichen Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht im wesentlichen flächendeckungsgleich sind.
  6. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei unter den länglichen Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht Ausnehmungen (23) in dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind.
  7. Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle, aufweisend: Ausbilden einer ersten Dielektrikumschicht (17) auf einer ersten Oberfläche (2) eines Halbleitersubstrates (11); Ausbilden einer zweiten Dielektrikumschicht (19) auf einer der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrates entgegengesetzten Oberfläche der ersten Dielektrikumschicht; Ausbilden von länglichen Öffnungen (5) in der ersten Dielektrikumschicht; Ausbilden von länglichen Metallkontakten (7) an der zweiten Dielektrikumschicht quer zu den länglichen Öffnungen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei vor dem Ausbilden der ersten Dielektrikumschicht eine erste Emitterschicht mit einem ersten Schichtwiderstand in die erste Oberfläche des Halbleitersubstrates eindiffundiert wird und wobei nach dem Ausbilden der länglichen Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht eine zweite Emitterschicht mit einem zweiten Schichtwiderstand kleiner als der erste Schichtwiderstand in die Oberfläche des Halbleitersubstrates in den Bereichen unterhalb der länglichen Öffnungen eindiffundiert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei als erste Dielektrikumschicht eine Siliziumoxidschicht ausgebildet wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei als zweite Dielektrikumschicht eine Siliziumnitridschicht ausgebildet wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht mit einem Laserstrahl eingebracht werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei Parameter des Laserstrahls so gewählt werden, dass das Ausbilden der Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht derart erfolgt, dass das Halbleitersubstrat im wesentlichen frei von Ausnehmungen verbleibt.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei Parameter des Laserstrahls so gewählt werden, dass beim Ausbilden der Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht gleichzeitig auch Ausnehmungen im Halbleitersubstrat ausgebildet werden.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht durch lokales Aufbringen eines ätzenden Fluids ausgebildet werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 14, wobei Ausnehmungen unter den Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht durch Ätzen erzeugt werden.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Öffnungen in der ersten Dielektrikumschicht durch lokales Aufbringen eines ätzenden Fluids ausgebildet werden, das zugleich Ausnehmungen in dem darunter liegenden Halbleitersubstrat erzeugt.
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