DE102008013445A1 - Verfahren zur Herstellung monokristalliner Silizium-Solarzellen mit rückseitigen Emitter- und Basiskontakten sowie Solarzelle, hergestellt nach einem derartigen Verfahren - Google Patents

Verfahren zur Herstellung monokristalliner Silizium-Solarzellen mit rückseitigen Emitter- und Basiskontakten sowie Solarzelle, hergestellt nach einem derartigen Verfahren Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung monokristalliner Silizium-Solarzellen mit rückseitigen Emitter- und Basiskontakten sowie rückseitenoberflächennaher hoher Dotierung (Back Surface Field) und vorderseitiger Oberflächenpassivierung durch feste Ladungen (Front Surface Field), erhalten durch ein simultanes Dotieren mittels eines geeigneten Dotanden. Erfindungsgemäß wird auf der mit eindiffundierten, lokal strukturierten Emittern versehenen Waferseite ganzflächig eine gegen Phosphordiffusion dichte Abdeckschicht aufgebracht, wobei mittels Ätztechnik die Abdeckschicht selektiv entfernt wird, um einen Zugang zu den Basisbereichen im Substrat zu schaffen. Weiterhin werden im Bereich der entfernten Abdeckschicht lokale Depots eines Phosphor-Dotanden angelegt. In mindestens einem thermischen Behandlungsschritt bildet sich über eine aus den lokalen Depots des Nachbarwafers und aus zusätzlich kontrolliert zugeleitetem phosphorhaltigen Gas eine Phosphorsilikatglasschicht auf der den lokal strukturierten Emittern gegenüberliegenden Waferseite aus, aus welcher eine Phosphordiffusion geringer Konzentration in die Waferseite hinein stattfindet, wobei gleichzeitig in diesem thermischen Behandlungsschritt die lokalen Phosphor-Depots zu einer silizium- und phosphorhaltigen Schicht reagieren, aus der hochkonzentriert Phosphor in die Waferoberfläche eindiffundiert und sich die hohe Dotierung für die BSF-Bereiche ergibt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung monokristalliner Silizium-Solarzellen mit rückseitigen Emitter- und Basiskontakten sowie Rückseitenoberflächennaher hoher Dotierung (BSF – Back Surface Field) und vorderseitiger Oberflächenpassivierung durch feste Ladungen (FSF – Front Surface Field), erhalten durch ein simultanes Dotieren mittels eines geeigneten Dotanden, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Solarzelle, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
  • Monokristalline Silizium-Solarzellen mit rückseitigen Kontakten sowohl des Emitters als auch der Basis und oberflächennaher hoher Dotierung sowie mit vorderseitiger Oberflächenpassivierung durch oberflächennahe feste Ladungen gehören zum Stand der Technik.
  • Verwiesen sei hier beispielsweise auf die sogenannte A300-Zelle der Firma SunPower. Diese vorbekannte Zelle hat nach Angaben aus der Literatur einen Wirkungsgrad von über 20% erreicht, wobei der Aufbau als interdigitale Back-Contact Zelle realisiert ist, d. h. dass sich sowohl die Emitter- als auch die Basiskontaktstreifen auf der Zellenrückseite befinden und als ineinander greifende, interdigitale Kontaktstrukturen ausgebildet sind (siehe K. R. McIntosch et al, The Choice of Silicon Wafer for the Production of Low-Cost-Rear-Contact Solar Cells, Proceeding of the 3rd WCPVSEC, Osaka, 2003, S. 971).
  • Eine ähnliche Struktur einer interdigitalen Back-Contact-Zelle ist aus D. Huljic et al, Development of a 21% Back-Contact Momocrystalline Silicon Solar Cell for Large-Scale Production, Proceedings of the 21st EPVSEC, Dresden, 2006, S. 765 bekannt.
  • Bei den vorstehend erwähnten Strukturen sind im Gegensatz zu Standard-Solarzellen lokale Dotierungsbereiche mit unterschiedlichen Polaritäten und die zugehörigen Kontaktmetallisierungen auf der Rückseite ausgebildet. Zum Zweck der Passivierung durch elektrostatische Abstoßung der Minoritätsladungsträger von der Oberfläche weg sind diese Zellen auch meist mit einer gering mit der Basispolarität dotierten Schicht auf der Vorderseite (Front Surface Field) versehen.
  • Auch bei Standardzellen, d. h. Zellen mit frontseitigem n-Emitter in p-Silizium wird die Möglichkeit genutzt, lokale, d. h. nebeneinander angeordnete Dotierungskonzentrationsunterschiede auszubilden. Es sollen nämlich die Bereiche unter den Kontaktfingern eine hohe Phosphor-Konzentration (n+-Dotierung) besitzen, damit ein guter ohmscher Kontakt zum n-Emitter hergestellt werden kann. Weiterhin sollen die Bereiche zwischen den Fingern nur eine geringfügig höhere Konzentration als die n-Emitterdotierung besitzen, damit die Schicht zwar genügend feste Ladungen für eine Bandverbiegung als Passivierung enthält, aber dennoch nicht zu stark die Blauanteile des sichtbaren Lichts absorbiert (siehe hierzu W. Wolke, Dissertation, Universität Freiburg, (2005), S. 138/139).
  • Eine Möglichkeit, sogenannte selektive Emitter herzustellen, ist das Ausbilden von stärker phosphorhaltigen Streifen unter der Emitter-Fingerstruktur, bevor die Fingermetallisierungspaste darüber gedruckt wird und ein Sintern erfolgt. Eine weitere Variante dieses Prozesses sieht vor, dass genügend Phosphor auch seitlich aus dem phosphorhaltigen Dotiermaterial in die Bereiche zwischen den Streifen diffundiert, so dass sich dort der gewünschte flache Emitter ausbildet, während im Bereich der Streifen unterhalb der Metallbahnen der tiefere Emitter entsteht (siehe hierzu J. Horzel, J. Szlufcik, M. Honore, J. Nijs and R. Mertens, Novel Method to Form Selective Emitters in One Diffusion Step Without Etching or Masking, Proceedings of the 14th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Barcelona, Spain, (1997), S. 61–64 und US 2003/0134469 ).
  • Um unterschiedliche Phosphorkonzentrationen in verschiedenen Oberflächenbereichen des Emitters herzustellen, ist es bekannt, die Bereiche, in denen die Diffusionstiefe bzw. die Oberflächenkonzentration des Phosphors geringer sein soll, vorher durch eine für Phosphor nur schlecht passierbare, d. h. semitransparente Schutzschicht abzudecken, durch die die P-Diffusion im Verhältnis zur Diffusion in den offen liegenden Oberflächenregionen behindert bzw. verzögert wird (siehe hierzu B. Bitnar, Dissertation, Universität Konstanz, (1998), S. 81, sowie E. Bucher, http://www.uni-konstanz,de/photovoltaics/publication/pdf/broc ger.pdf, Seite 9).
  • Zellstrukturen in n-Silizium mit p-Rückseitenemitter, rückseitigem Phosphor-dotiertem n+-BSF und vorderseitigem n+-FSF als Oberflächenpassivierung weisen das Problem auf, dass die BSF- und die FSF-Bereiche verschiedene Anforderungen an die Dotierkonzentration des Phosphors stellen.
  • So soll der BSF-Bereich auf der Rückseite eine hohe P-Konzentration (n++-Dotierung > 1019 cm–3) haben, damit durch die Metallisierung ein guter ohmscher Kontakt zur Basis hergestellt werden kann.
  • Der FSF-Bereich auf der Vorderseite hingegen soll nur eine geringfügig höhere P-Konzentration (n+-Dotierung 1016 cm–3 < ND < 1017 cm–3) als die n-Basisdotierung (bei 1 Ωcm-Material ca. 5·1015 cm–3) haben, damit die Schicht, wie bereits oben angerissen, genügend feste Ladungen für die Bandverbiegung enthält, aber jedoch nicht zu leitfähig wird.
  • Es muss daher entweder zusätzlich zur Diffusion der p-Emitterdotierung mit Aluminium oder Bor in mehreren Hochtemperatur-Diffusionsschritten mit Phosphor für die Realisierung dieser beiden unterschiedlichen n+-Dotierprofile gesorgt werden. Dies deshalb, da bei möglicherweise verschiedenen Diffusionstemperaturen auch unterschiedliche POCl3-Konzentrationen und Diffusionszeiten erforderlich werden, um die angesprochenen Dotierprofile der beiden n+-Bereiche und somit die gewünschten unterschiedlichen Schichtwiderstandswerte zu realisieren.
  • Andererseits ist die Methode einer diffusionshemmenden Schicht in Bereichen anzuwenden, wo eine geringere Konzentration gewünscht ist. Es ist jedoch in technologisch reproduzierbarer Weise bisher nicht gelungen, diese diffusionshemmende Schicht genau auf die gewünschten Zielwerte des Dotierprofils anzupassen.
  • Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Herstellung monokristalliner Silizium-Solarzellen mit rückseitigen Emitter- und Basiskontakten sowie Rückseiten-oberflächennaher hoher Dotierung und vorderseitiger Oberflächenpassivierung durch feste Ladungen, erhalten durch ein simultanes Dotieren mittels eines geeigneten Dotanden anzugeben, wobei die Anzahl der Prozessschritte hierfür reduziert und für eine hohe Prozessreproduzierbarkeit zu sorgen ist.
  • Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Verfahren gemäß der Lehre nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
  • Es wird also erfindungsgemäß davon ausgegangen, über einen einzigen Hochtemperaturschritt beide unterschiedlichen und lokal begrenzten n+-Dotierprofile auf der Vorderseite und der Rückseite des Wafers aus einem n-dotierten Basismaterial zu realisieren.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann nachstehend wie folgt zusammengefasst werden.
  • Auf der mit eindiffundierten lokal strukturierten Emittern versehenen Waferseite wird zunächst ganzflächig eine gegen Phosphordiffusion dichte Abdeckschicht aufgebracht, wobei mittels Ätztechnik die Abdeckschicht lokal entfernt wird, um Zugang zu den späteren Basisbereichen im Substrat zu schaffen.
  • In den Bereichen der entfernten Abdeckschicht werden dann lokale Depots eines Phosphor-Dotanden angelegt.
  • In mindestens einem thermischen Behandlungsschritt bildet sich über eine phosphorhaltige Gasphase eine Phosphorsilikatglasschicht auf der dem lokal strukturierten Emitter gegenüberliegenden Waferseite aus, aus welcher eine Phosphordiffusion geringer Konzentration in diese Waferseite hinein stattfindet.
  • Gleichzeitig reagieren in diesem thermischen Behandlungsschritt die lokalen Phosphor-Depots zu einer silizium- und phosphorhaltigen Schicht, aus der dann hochkonzentriert Phosphor in die Waferoberfläche eindiffundiert und sich die gewünschte hohe Dotierung für die Back-Surface-Field-Bereiche ausbildet.
  • Die lokalen Depots des Phosphor-Dotanden können mittels Siebdrucktechnik oder mittels Schablonendruck angelegt werden.
  • Die aufgebrachten bevorzugt pastösen Depots können vor der weiteren Verfahrensabfolge einer thermischen Trocknungsbehandlung unterzogen werden.
  • Die thermische Behandlung zum Zweck der Dotierung erfolgt bei Temperaturen im Bereich von im Wesentlichen zwischen 800°C bis 1150°C.
  • Die vorerwähnte phosphorhaltige Gasphase wird z. B. durch POCl3 erzeugt.
  • Nach Abschluss der simultanen Diffusion bzw. dem simultanen Dotieren werden über einen Ätzschritt die vorhandenen phosphorhaltigen Oberflächenschichten, Reste der lokalen Dotierdepots und das gebildete Phosphorsilikatglas entfernt und die rückseitigen Basisbereiche freigelegt.
  • Die freigelegten lokalen Basiskontaktbereiche auf der entsprechenden Waferseite werden mit einer leitfähigen Schicht, z. B. aus Aluminium versehen. Weiterhin erfolgt ein Öffnen der Emitterschutzschicht und es werden die lokalen Emitterkontaktbereiche ebenfalls mit einer leitfähigen Schicht, insbesondere Aluminium versehen.
  • Die angestrebte hohe Dotierungskonzentration für den BSF-Bereich ist durch eine Anpassung von Behandlungsdauer und Behandlungstemperatur im Hochtemperatur-Diffusionsofen unter Berücksichtigung der Eigenschaften der lokalen Phosphor-Depots einstellbar.
  • Die angestrebte geringe Dotierungskonzentration des FSF-Bereichs ist durch Einstellung des Volumenstroms des phosphorhaltigen Gases im Hochtemperatur-Diffusionsofen unter Berücksichtigung der dortigen Temperatur sowie der Behandlungsdauer realisierbar.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
  • In der 1 ist der Ausgangszustand eines Silizium-Wafers 1 dargestellt. Hier wird von einem n-dotierten Basismaterial ausgegangen. Das Basismaterial kann eine Textur 1a auf der Vorderseite, d. h. der dem Lichteinfall zugewandten Seite besitzen.
  • Weiterhin ist der Silizium-Wafer mit einer bereits vorab eindiffundierten strukturierten Emitterschicht 2 versehen. Die Emitterschicht kann durch Al- oder Bor-Dotierung ausgebildet werden.
  • Bei einem ersten erfindungsgemäßen Prozessschritt wird die gesamte Rückseite einschließlich des vorhandenen lokal strukturierten Emitters mit einer gegen Phosphor-Diffusion dichten Schicht 3, vorzugsweise Siliziumoxid, abgedeckt. Diese Schicht wird dann mittels Nass- oder Trockenätztechnik mit lokalen Durchbrüchen 4 versehen, um einen Kontakt zur Basis zu ermöglichen.
  • Im nächstfolgenden Prozessschritt wird eine Beschichtung der Durchbrüche 4 in der Abdeckschicht in den Öffnungen der Emitterschicht 3 mit einem stark phosphorhaltigen Material, vorzugsweise einer Paste, ausgeführt. Die Paste kann mittels Siebdrucktechnik oder mittels Schablonendruck als lokale Depots 5 auf der Oberfläche des Wafers 1 abgelagert und anschließend bei relativ geringen Temperaturen im Bereich von 150°C bis 200°C getrocknet werden.
  • Eine daraufhin folgende Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 800°C und 1150°C im Diffusionsofen bewirkt, dass die P-haltigen Materialdepots 5 mit der Oberfläche des Wafers 1 in den Emitterdurchbrüchen 4 auf der Rückseite zu einer silizium- und phosphorhaltigen Phosphorsilikatglasschicht 6 reagieren, aus der hochkonzentriert Phosphor in die Oberfläche eindiffundiert, so dass sich n+-Schichtbereiche 7 mit hoher Phosphorkonzentration bilden.
  • Weiterhin dampft gleichzeitig auch P-haltiges Gas aus den P-haltigen Materialdepots 5 auf die nicht mit einer Schutzschicht versehene Vorderseite des Nachbarwafers im jeweiligen Waferboot, welches viele aufrecht nebeneinander stehende Wafer umfasst. Zusammen mit dem dann nur noch zusätzlich und kontrolliert zufließenden P-haltigen Gas, beispielsweise POCl3, bildet sich dann analog der Darstellung gemäß 3 eine Phosphorsilikatglasschicht (PSG) 9 aus, aus der Phosphor in geringer Konzentration in die Wafervorderseite eindiffundiert. Dort bildet sich dann eine n+-Schicht 8 mit einem über die POCl3-Gasflussregelung einstellbaren, d. h. vorzugsweise hohen Schichtwiderstand, die als Front-Surface-Field wirkt.
  • In einem nächstfolgenden Ätzschritt werden die stark phosphorhaltigen Oberflächenschichten 6 und 9, d. h. die Reste der Dotierpaste und das gebildete Phosphorsilikatglas abgeätzt und entfernt, so dass die diffundierten Bereiche 7 und 8 sowie insbesondere die rückseitigen n+-Basisbereiche 10 freiliegen (siehe 4).
  • In einem letzten Verfahrensschritt wird gemäß 5 ein Beschichten der freiliegenden lokalen Basiskontaktbereiche 10 auf der Rückseite mit einer Metallschicht, vorzugsweise Aluminium, vorgenommen, so dass die Basiskontaktbereiche untereinander verbunden sind.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorher auch die Emitterschutzschicht lokal geöffnet und es werden die lokalen Emitterkontaktflächen, bevorzugt gleichzeitig mit den Basiskontaktflächen mit einer ebenfalls leitfähigen, metallischen Schicht 11 kontaktiert und untereinander verbunden.
  • Gemäß dem bekannten Stand der Technik kann dann die dem Licht zugewandte Vorderseite noch mit einer Antireflexionsschicht, vorzugsweise mit integriertem Passivierungseffekt, versehen werden.
  • Mit Hilfe der im Ausführungsbeispiel geschilderten Verfahrensweise ist eine Dotierung von n+-Bereichen der n-Basis von Solarzellen mit verschiedenen Konzentrationen des Phosphors in einem einzigen Diffusionsschritt möglich. Damit entfällt auf der Vorderseite die Gefahr des Ausbildens eines sogenannten „dead layer", d. h. einer Schicht mit einer unerwünschten Absorption des Blauanteils im Sonnenlicht. Vorteilhaft wird mit der vorgestellten Technologie auf der Rückseite durch den eingestellten niedrigen Schichtwiderstand in den Basiskontaktflächen ein guter ohmscher Kontakt zur Basis erhalten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 2003/0134469 [0007]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - K. R. McIntosch et al, The Choice of Silicon Wafer for the Production of Low-Cost-Rear-Contact Solar Cells, Proceeding of the 3rd WCPVSEC, Osaka, 2003, S. 971 [0003]
    • - D. Huljic et al, Development of a 21% Back-Contact Momocrystalline Silicon Solar Cell for Large-Scale Production, Proceedings of the 21st EPVSEC, Dresden, 2006, S. 765 [0004]
    • - W. Wolke, Dissertation, Universität Freiburg, (2005), S. 138/139 [0006]
    • - J. Horzel, J. Szlufcik, M. Honore, J. Nijs and R. Mertens, Novel Method to Form Selective Emitters in One Diffusion Step Without Etching or Masking, Proceedings of the 14th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Barcelona, Spain, (1997), S. 61–64 [0007]
    • - B. Bitnar, Dissertation, Universität Konstanz, (1998), S. 81 [0008]
    • - E. Bucher, http://www.uni-konstanz,de/photovoltaics/publication/pdf/broc ger.pdf, Seite 9 [0008]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung monokristalliner Silizium-Solarzellen mit rückseitigen Emitter- und Basiskontakten sowie Rückseiten-oberflächennaher hoher Dotierung (BSF – Back Surface Field) und vorderseitiger Oberflächenpassivierung durch feste Ladungen (FSF – Front Surface Field), erhalten durch ein simultanes Dotieren mittels eines geeigneten Dotanden, dadurch gekennzeichnet, dass – auf der mit eindiffundierten, lokal strukturierten Emittern versehenen Waferseite ganzflächig eine gegen Phosphordiffusion dichte Abdeckschicht aufgebracht wird, wobei mittels Ätztechnik die Abdeckschicht selektiv entfernt wird, um einen Zugang zu den Basisbereichen im Substrat zu schaffen, – in den Bereichen der entfernten Abdeckschicht lokale Depots eines Phosphordotanden angelegt werden, – in mindestens einem thermischen Behandlungsschritt über eine phosphorhaltige Gasphase sich eine Phosphorsilikatglasschicht auf der den lokal strukturierten Emittern gegenüberliegenden Waferseite ausbildet, aus welcher eine Phosphordiffusion geringer Konzentration in diese Waferseite hinein stattfindet, wobei gleichzeitig in diesem thermischen Behandlungsschritt die lokalen Phosphordepots zu einer silizium- und phosphorhaltigen Schicht reagieren, aus der hochkonzentriert Phosphor in die Waferoberfläche eindiffundiert und sich die hohe Dotierung für die BSF-Bereiche ergibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Depots des Phosphordotanden mittels Siebdrucktechnik oder Schablonendruck angelegt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgebrachten pastösen Depots einer thermischen Trocknungsbehandlung unterzogen werden.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung zur simultanen Dotierung bei Temperaturen im Bereich von im Wesentlichen 800°C bis 1150°C erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die phosphorhaltige Gasphase durch POCl3 erzeugt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Ätzschritt die vorhandene phosphorhaltige Oberflächenschicht, Reste der lokalen Dotierdepots und das gebildete Phosphorsilikatglas entfernt werden sowie die rückseitigen Basisbereiche freiliegen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die freiliegenden lokalen Basiskontaktbereiche auf der entsprechenden Waferseite mit einer leitfähigen Schicht versehen werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnen der Emitterschutzschicht erfolgt und die lokalen Emitterkontaktbereiche mit einer leitfähigen Schicht versehen werden.
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die angestrebte hohe Dotierungskonzentration für den BSF-Bereich durch Anpassung von Behandlungsdauer und Behandlungstemperatur im Hochtemperatur-Diffusionsofen unter Berücksichtigung der Eigenschaften der lokalen Phosphordepots einstellbar ist.
  10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die angestrebte geringe Dotierungskonzentration des FSF-Bereichs durch Einstellung des Volumenstroms des phosphorhaltigen Gases im Hochtemperatur-Diffusionsofen unter Berücksichtigung der dortigen Temperatur sowie der Behandlungsdauer realisierbar ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die angestrebte geringe Dotierungskonzentration des FSF-Bereichs aus einer Ausgasung aus P-haltigen Depots benachbarter Wafer und der Temperatur sowie der Behandlungsdauer, die für die BSF-Bildung gewählt wird, realisierbar ist.
  12. Silizium-Solarzelle, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche.
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