DE102008017647A1

DE102008017647A1 - Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit einer zweistufigen Dotierung

Info

Publication number: DE102008017647A1
Application number: DE102008017647A
Authority: DE
Inventors: Philipp Johannes Rostan; Hartmut Dr. Nussbaumer
Original assignee: CENTROTHERM PHOTOVOLTAICS TECHNOLOGY GmbH; CT THERM PHOTOVOLTAICS TECHNOL
Current assignee: Centrotherm Photovoltaics AG
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2009-10-29
Also published as: WO2009121344A2; WO2009121344A3

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit einer zweistufigen Dotierung (20a, 20b; 34a, 34b; 44a, 44b), bei welchem ein Dotierungsbereich (20; 28; 44) eines Solarzellensubstrats (10; 11) wenigstens abschnittsweise schwach dotiert wird (132), in dem Dotierungsbereich (20; 28; 44) an einer Oberfläche des Solarzellensubstrats (10; 11) eine Diffusionsbarriere (12; 26; 42) ausgebildet wird (102; 122), in die Diffusionsbarriere (12; 26; 42) lokale Öffnungen (16; 30; 47) eingebracht werden (104; 114; 134) und das Solarzellensubstrat (10; 11) in Bereichen der lokalen Öffnungen (16; 30; 47) stark dotiert wird (106; 136), wobei die Diffusionsbarriere (12; 26; 42) thermisch aufgewachsen oder mittels einer chemischen oder physikalischen Abscheidung aus einer Dampfphase auf die Oberfläche des Solarzellensubstrats aufgebracht wird (102; 122).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Solarzellenherstellung unterliegt fortwährend dem Anspruch, aufwandsgünstig Solarzellen mit höheren Wirkungsgraden zu fertigen. Ein beispielsweise aus WO97/13280 bekannter Ansatz hierfür ist der Einsatz einer zweistufigen Dotierung zur Ausbildung eines zweistufigen Emitters. Dieser beruht auf der Erkenntnis, dass ein stark oder hoch dotierter Emitter zwar einerseits gut kontaktiert werden kann, um den erzeugten Strom abzuführen, andererseits jedoch bei der Stromerzeugung verglichen mit einem weniger stark dotierten Emitter auf Grund von Ladungsträgerrekombination mit Verlusten behaftet ist, wodurch der Wirkungsgrad beeinträchtigt wird. Durch Ausbildung des Emitters mittels einer zweistufigen Dotierung derart, dass in den zu kontaktierenden Bereichen eine starke Dotierung und somit ein hoch dotierter Emitter, in den übrigen Bereichen hingegen eine verglichen mit dem hoch dotierten Emitterbereich schwache Dotierung vorliegt, kann daher eine Wirkungsgradverbesserung erzielt werden.
Unter einem stark oder hoch dotierten Emitter ist vorliegend ein Emitter mit einem Schichtwiderstand des Emitters von weniger als etwa 70 Ω/sq zu verstehen, sodass er mittels industriell angewandter Siebdrucktechnologie kontaktierbar ist. Gegenüber diesem stark dotierten Emitter wird vorliegend unter einem schwach dotierten Emitter eine Dotierung verstanden, die zu einem Schichtwiderstand von üblicherweise mehr als 70 Ω/sq führt, wobei für dem Fachmann klar ist, dass dieser Wert bei tief eingetriebenen Emittern geringer ausfallen kann. Der Beg riff der „schwachen” Dotierung ist stets im Verhältnis zu dem zugehörigen stark dotierten Bereich gleicher Art zu sehen; im Falle eines schwach dotierten Emitterbereichs also im Vergleich zu einem stark dotierten Emitterbereich, nicht hingegen in Relation zu beispielsweise einem stark dotierten Rückseitenfeldbereich. Es ist also zu berücksichtigen, dass bei einer Solarzelle verschiedene dotierte Bereiche vorhanden sein können, die grundsätzlich jeweils für sich als zwei- oder mehrstufige Dotierung ausgeführt sein können. Beispielsweise kann ein Emitter, ein Rückseitenfeld oder die Volumendotierung des Solarzellensubstrats zwei- oder mehrstufig ausgeführt sein. Die oben genannten Schichtwiderstände zur Abgrenzung eines stark dotierten Emitterbereichs von einem schwach dotierten Emitterbereich sind daher nicht ohne Weiteres auf andere zweistufige Dotierungen übertragbar. Deren Grenze zwischen stark und schwach dotiertem Bereich kann hiervon abweichen. Geht man beispielsweise von einer Solarzelle mit einem zweistufig dotierten Volumenbereich des Siliziumsubstrats und einem zweistufigen Emitter aus, so wäre der Schichtwiderstand des stark dotierten Volumenbereichs des Siliziumsubstrats sehr viel höher als der Schichtwiderstand des schwach dotierten Emitterbereichs.
Die Schichtwiderstände bei zweistufigen Rückseitenfeldern und deren Relation zueinander sind ebenso getrennt von den Schichtwiderständen anderer dotierter Bereiche zu betrachten. Je nach Solarzellentyp und verwendeten Kontaktierungstechniken und -materialien können die Werte für die Schichtwiderstände bei zweistufigen Rückseitenfeldern variieren. Für den Fall der Kontaktierung der Solarzellen mit konventioneller, industriell angewandter Siebdrucktechnologie haben sich Schichtwiderstände von weniger als etwa 60 Ω/sq unter den zu kontaktierenden Be reichen und von mehr als etwa 60 Ω/sq zwischen den zu kontaktierenden Bereichen bewährt.
Die Herstellung zweistufiger Dotierungen ist aufwändig, weswegen sie bei einer industriellen Solarzellenfertigung selten eingesetzt wird. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein aufwandsgünstiges Verfahren zur Ausbildung einer zweistufigen Dotierung als Alternative zu bereits bekannten Verfahren zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind Gegenstand abhängiger Unteransprüche.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine aufwandsgünstig herstellbare Solarzelle mit zweistufiger Dotierung zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 17.
Den Ausgangspunkt für das erfindungsgemäße Verfahren bildet ein Halbleitersubstrat, dessen Volumen dotiert ist. Gegenwärtig finden überwiegend p-dotierte Halbleitersubstrate als Solarzellensubstrate Verwendung, insbesondere p-dotierte Siliziumsubstrate. Hieraus gefertigte Solarzellen werden üblicherweise als p-Typ-Solarzellen bezeichnet. Daneben werden zunehmend auch n-Typ-Solarzellen gefertigt, bei welchen als Ausgangspunkt ein Halbleitersubstrat, beispielsweise wiederum Silizium, dient, welches nun jedoch eine Volumendotierung des n-Typs aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist in seiner Anwendung weder auf p-Typ- noch auf n-Typ-Solarzellen beschränkt, sondern kann bei der Herstellung beider Solarzellentypen Verwendung finden. Dies ermöglicht eine Vereinheitlichung der Herstellungsprozesse für die verschiedenen Halbleitermaterialtypen.
Gemäß der Erfindung wird das Solarzellensubstrat in einem Dotierungsbereich wenigstens abschnittsweise schwach dotiert. Wie bereits oben erläutert, ist die Relation „schwach” dabei in der Regel nicht im Vergleich zu der Volumendotierung des verwendeten Solarzellensubstrats zu verstehen, sondern relativ zu einem stark dotierten Bereich derselben Art. In diesem Dotierungsbereich wird an einer Oberfläche des Solarzellensubstrats eine Diffusionsbarriere ausgebildet, in welche lokale Öffnungen eingebracht werden. In Bereichen dieser lokalen Öffnungen wird das Solarzellensubstrat stark dotiert, sodass sich eine zweistufige Dotierung mit starker Dotierung in den Bereichen lokaler Öffnungen ergibt, wogegen in dem übrigen Dotierungsbereich eine schwache Dotierung vorliegt.
Die beschriebene Diffusionsbarriere wird thermisch aufgewachsen, beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht auf einem Siliziumsubstrat, oder mittels einer chemischen oder physikalischen Abscheidung aus einer Dampfphase (CVD bzw. PVD) auf die Oberfläche des Solarzellensubstrats aufgebracht. Hierbei handelt es sich um Prozessschritte, die bei der Solarzellenfertigung bereits seit geraumer Zeit in industriellem Maßstab eingesetzt werden, beispielsweise zur Passivierung der Oberflächen der Solarzellen oder zur Ausbildung einer Antireflexionsbeschichtung, und daher im Detail bekannt sowie aufwandsgünstig in den Fertigungsprozess integrierbar sind.
Das Einbringen der lokalen Öffnungen erfolgt bevorzugt mittels Laserstrahlverdampfen, Sägen, Wasserstrahlschneiden oder Ätzen. Die Vor- und Nachteile dieser Technologien sind bekannt, da sie bereits anderweitig bei der Solarzellenherstellung eingesetzt werden, beispielsweise um p-n-Übergänge zu trennen, das Halbleitersubstrat mit einer Oberflächenstruktur zu versehen oder schlichtweg das Siliziumsubstrat auf das gewünschte Format zurechtzuschneiden. Je nach gefertigtem Solarzellentyp und dessen Eigenheiten kann daher auf das am besten geeignete Mittel zurückgegriffen werden.
Bei dem Einbringen der lokalen Öffnungen wird für gewöhnlich die Kristallstruktur des Siliziumsubstrats geschädigt. Diese Schädigungen wirken im Betrieb der Solarzelle als Wirkungsgrad verringernde Rekombinationszentren. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, dass die lokalen Öffnungen nach deren Einbringung überätzt werden. Sofern die Öffnungen mittels Ätzen eingebracht werden, erfolgt dies vorzugsweise simultan mit dem Einbringen der Öffnungen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung wird ein Dielektrikum, vorzugsweise Siliziumdioxid oder ein anderes Glas, als Diffusionsbarriere aufgebracht. Unter einem Glas ist hierbei auch Phosphor- oder Borglas zu verstehen, wie es im Rahmen an sich bekannter Phosphor- oder Bor-Diffusionsvorgänge an der Oberfläche des Halbleitersubstrats, insbesondere des Siliziumsubstrats, entsteht. Phosphor- und Borglas kann als Diffusionsbarriere auch unabhängig von Diffusionsvorgängen mittels CVD- oder PVD-Verfahren aufgebracht werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass vor dem schwachen Dotieren in dem Dotierungsbereich als Diffusionsbarriere ein Dotierstoff, beispielsweise Phosphor oder Bor oder eine eines dieser Elemente aufweisende Verbindung, enthaltendes Glas oder ein Dotierstoff enthaltendes Oxid oder Nitrid aufgebracht wird und im Weiteren zur Ausbildung der schwachen Dotierung Dotierstoff aus der Diffusionsbarriere heraus in das Solarzellensubstrat eindiffundiert wird, beispielsweise durch Tempern der Diffusionsbarriere. Als Dotierstoff enthaltendes Oxid kann beispielsweise ein Phosphor oder Bor enthaltendes Siliziumdioxid Verwendung finden. Als Dotierstoff enthaltendes Nitrid kann zum Beispiel Phosphor oder Bor enthaltendes Silziumnitrid zum Einsatz kommen.
Temperschritte können, insbesondere bei hohen Temperaturen, mit negativen Auswirkungen auf den Wirkungsgrad der fertigen Solarzelle verbunden sein, da sie einen Eintrag von Verunreinigungen in das Solarzellensubstrat oder die Umlagerung von Verunreinigungen im Solarzellensubstrat begünstigen können. In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung erfolgt daher das schwache Dotieren gemeinsam mit dem starken Dotieren in einem gemeinsamen Temperschritt. Beispielsweise kann das schwache Dotieren durch Eindiffusion von Dotierstoff aus zuvor aufgebrachtem dotierstoffhaltigem Glas oder Oxid während einer konventionellen POCl₃- oder BBr₃-Diffusion in einer Röhre erfolgen. Hierbei bewirkt die Röhrendiffusion die starke Dotierung in den Bereichen lokaler Öffnungen. Da die Röhrendiffusion bei hohen Temperaturen durchgeführt wird, üblicherweise im Bereich zwischen 700°C und 1200°C, erfolgt gleichzeitig die Eindiffusion von Dotierstoff aus dem dotierstoffhaltigen Glas in das Solarzellensubstrat, was die schwache Dotierung im übrigen Dotierungsbereich bewirkt.
In einer anderen Ausführungsvariante kann zum Zwecke des starken Dotierens eine dotierstoffhaltige Paste auf die Solarzellensubstratoberfläche aufgedruckt werden, nachdem die lokalen Öffnungen eingebracht worden sind. Dies kann mittels jeglicher bekannter Drucktechnologie, wie beispielsweise Sieb-, Stempel-, Rollen- oder Spritzendruck, erfolgen. Das Aufschleudern oder das Aufsprühen einer dotierstoffhaltigen Lösung stellen weitere Ausführungsmöglichkeiten dar.
Eine Ausgestaltungsvariante der Erfindung sieht vor, dass in Bereichen lokaler Öffnungen Dotierstoff tiefer in das Solarzellensubstrat hineingetrieben wird als in dem übrigen Dotierungsbereich. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Temperaturführung während des starken Dotierens bewerkstelligt werden, welche in der Literatur unter anderem als „drive in” beschrieben ist. Dotanden der schwachen Dotierung können in einem Ausführungsbeispiel währenddessen durch das Glas, in welchem sie als Dotierstoff enthalten sind an der Eindiffusion in das Solarzellensubstrat derart behindert sein, sodass sie weniger tief eindiffundieren. In dieser Weise können für die jeweiligen Solarzellentypen vorteilhafte Dotierungsprofile, insbesondere vorteilhafte Emitterprofile, ausgebildet werden.
Wie oben bereits dargelegt wurde, kann der Emitter einer Solarzelle vorteilhaft als zweistufige Dotierung ausgeführt werden. Es hat sich allerdings gezeigt, dass nicht nur eine zweistufige Ausgestaltung der Emitterdotierung Vorteile mit sich bringt. Die Ausgestaltung eines Rückseitenfeldes der Solarzelle, häufig auch als „back surface field” bezeichnet, als zweistufige Dotierung kann ebenfalls Wirkungsgradverbesserungen mit sich bringen. In diesem Fall werden in dem zu dem Rückseitenfeld gehörigen Dotierungsbereich dort starke Dotierungen vorgesehen, wo im Weiteren die Metallkontakte des Rückseitenkontaktes anzubringen sind. In den übrigen, zwischen den Rückseitenkontakten gelegenen Gebieten des zu dem Rückseitenfeld gehörigen Dotierungsbereichs wird hingegen schwach dotiert.
Die lokal starke Dotierung unter den Rückseitenkontakten wirkt als lokal besonders stark ausgeprägtes Rückseitenfeld und verhindert effizient die Diffusion von Minoritätsladungsträgern zu den Rückseitenkontakten und damit deren Rekombination an diesen. Die schwache Dotierung im zu dem Rückseitenfeld gehörigen Dotierungsbereich erhöht die Querleitfähigkeit in diesem Dotierungsbereich. Jeder dieser Effekte ermöglicht weitere Wirkungsgradverbesserungen.
In einer Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann die schwache Dotierung des Rückseitenfeldes zudem zur Überkompensation eines rückseitig aufgebrachten Emitters verwendet werden. Ein derartiger rückseitiger Emitter entsteht beispielsweise, wenn die Rückseite des Solarzellensubstrats ungeschützt einer Emitterdiffusion aus einer Gasphase ausgesetzt wird.
Eine andere Variante der Erfindung geht aus von einem Solarzellensubstrat, bei welcher eine Überkompensation eines rückseitigen Emitters nicht erforderlich ist. Hier wird die Volumendotierung des Solarzellensubstrats als schwache Dotierung im zu dem Rückseitenfeld gehörigen Dotierungsbereich verwendet.
Das Zusammenwirken eines als zweistufige Dotierung ausgeführten Emitters wie auch eines als zweistufige Dotierung ausgeführten Rückseitenfeldes ermöglicht besonders starke Wirkungsgradverbesserungen. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltungsvariante der Erfindung sieht daher diese Kombination vor.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, dass bei wenigstens einem Einbringen einer lokalen Öffnung in die Diffusionsbarriere Teile des Solarzellensubstrats entfernt werden. Dies erfolgt derart, dass die lokale Öffnung bis in das Solarzellensubstrat hineinreicht. Ein in der lokalen Öffnung anzubringender Metallkontakt wird vorteilhaft in einem in das Solarzellensubstrat hineinreichenden Abschnitt der lokalen Öffnung angeordnet. Bevorzugt werden dieser Abschnitt sowie der Metallkontakt dabei derart ausgestaltet, dass der Metallkontakt großteils, bevorzugt vollständig, in dem in das Solarzellensubstrat hineinreichenden Abschnitt angeordnet werden kann. Auf diese Weise sind vorteilhaft Solarzellen mit vergrabenen Kontakten, sogenannten „buried contacts” herstellbar. Bei diesem Solarzellentyp sind Abschattungsverluste durch die Metallkontakte verringert, was zu einer Wirkungsgradverbesserung führt. Zudem sind die Metallkontakte gegen mechanische Beanspruchung geschützt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Gleichwirkende Elemente sind hierin, soweit dies zweckmäßig erscheint, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1: Schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem ein zweistufiger Emitter ausgebildet wird.
2: Die Ausbildung eines Rückseitenfeldes mittels einer zweistufigen Dotierung.
3: Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem ein zweistufiger Emitter ausgebildet wird.
4: Eine Ausgestaltungsvariante der Erfindung zur Herstellung einer Solarzelle mit vergrabenen Kontakten und einem zweistufigen Emitter.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens, bei welchem ein zweistufiger Emitter ausgebildet wird. Bei diesem wird zunächst auf einem schwach dotierten Dotierungsbereich 20 eines im Vergleich zu dem Dotierungsbereich 20 mit entgegengesetzter Polarität volumendotierten Solarzellensubstrats 10 eine Diffusionsbarriere 12 abgeschieden 102. Auf eine Darstellung einer mit einem resultierenden pn-Übergang verbundenen Verarmungszone wird in der Darstellung aller Ausführungsbeispiele zu Gunsten der besseren Übersichtlichkeit verzichtet. Als Diffusionsbarriere 12 kann ein Glas Verwendung finden. Sofern Silizium als Material für das Solarzellensubstrat gewählt wird, bietet sich die Verwendung eines Silikatglases als Diffusionsbarriere 12 an. Beispielsweise kann der Dotierungsbereich mittels einer Phosphor- oder Bordiffusion aus der Gasphase schwach dotiert worden sein und ein dabei entstandenes Phosphor- oder Borglas nun als Diffusionsbarriere Verwendung finden. Alternativ besteht die Möglichkeit, nach erfolgter schwacher Dotierung des Dotierungsbereichs 20 eine Diffusionsbarriere 12 aufzubringen, beispielsweise wiederum in Form eines Glases, insbesondere eines der bereits genannten Gläser oder auch in Form von Siliziumdioxid.
Im Weiteren werden lokale Öffnungen 16 in die Diffusionsbarriere 12 eingebracht 104. In den vorliegend geschilderten Ausführungsbeispielen erfolgt dies stets mittels einer Laserstrahlung, mit welcher die Diffusionsbarriere 12 lokal verdampft wird. Alternativ können die Öffnungen 16 in allen Fällen mittels den an sich bekannten Technologien des Wassserstrahlschneiden, Ätzens oder Sägens eingebracht werden. Die Wahl des Mittels zum Einbringen lokaler Öffnungen 16 in die Diffusionsbarriere 12 kann daher an bestehende Prozessausstattungen und den zu fertigenden Solarzellentyp angepasst werden.
Durch die lokalen Öffnungen 16 wird im Folgenden Dotierstoff in das Solarzellensubstrat eingebracht und somit in den lokalen Öffnungen 16 das Solarzellensubstrat 10 stark dotiert 106. In den übrigen Bereichen des Dotierungsbereichs 20 ist die Oberfläche des Solarzellensubstrats 10 gegen eine Eindiffusion weiteren Dotierstoffes in das Solarzellensubstrat 10 durch die Diffusionsbarriere 12 geschützt. Infolgedessen werden stark dotierte Bereiche 20a und schwach dotierte Bereiche 20b ausgebildet. In den stark dotierten Bereichen 20a werden die Dotanden zudem tiefer in das Solarzellensubstrat eingetrieben, sodass sich ein durch die gestrichelte Linie in 1 schematisch wiedergegebenes zweistufiges Emitterprofil einstellt. In der Darstellung der 1 wird davon ausgegangen, dass während des starken Dotierens 106 kein Dotierstoff an die Rückseite oder die Seitenkanten des Solarzellensubstrats gelangt. Andernfalls wäre an diesen Stellen die starke Dotierung später zumindest teilweise zu entfernen oder überzukompensieren.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird im Weiteren die Diffusionsbarriere 12 entfernt 108, beispielsweise mittels eines nasschemischen Ätzschritts. Nachfolgend werden vorderseitige Metallkontakte 22 auf das Solarzellensubstrat 10 aufgebracht 110, wobei diese über den stark dotierten Bereichen 20a angeordnet werden. Das Aufbringen kann grundsätzlich auf alle an sich bekannten Arten erfolgen, insbesondere mittels eines Druckverfahrens wie Sieb-, Rollen-, Stempel- oder Spritzendruck. Zudem ist ein direktes Platieren, sei es elektrisch oder stromlos, denkbar, bei welchem die Metallkontakte ohne vorheriges Aufbringen einer Keimschicht ausgebildet werden. Auch besteht die Möglichkeit, die Kontakte aufzudampfen, gegebenenfalls mit einem anschließenden, an sich bekannten Platierungsschritt zur Vergrößerung des Querschnitts der Metallkontakte 22. Zur Verminderung der Reflexion einfallenden Lichts wird die Oberfläche des Solarzellensubstrats 10 zudem in an sich bekannter Weise mit einer Antireflexionsbeschichtung 24 versehen. Anstatt die Diffusionsbarriere 12 vor dem Aufbringen 110 der Metallkontakte zu entfernen, besteht die Möglichkeit, diese zunächst auf dem Solarzellensubstrat zu belassen und hierdurch sicherzustellen, dass die aufzubringenden Kontakte allenfalls in Bereichen der lokalen Öffnungen 16 mit der Oberfläche des Solarzellensubstrats 10 in Berührung kommen. Die Anordnung und Ausrichtung der Metallkontakte 22 über den stark dotierten Bereichen 20a kann auf diese Weise gewährleistet werden.
Während das Ausführungsbeispiel der 1 ein Verfahren zur Herstellung eines zweistufigen Emitters illustriert, erläutert 2 beispielhaft die Ausbildung eines zweistufigen Rückseitenfeldes. Den Ausgangspunkt für ein Verfahren zur Ausbildung eines zweistufigen Rückseitenfeldes kann das Solarzellensubstrat im Zustand am Ende des Verfahrens nach 1 bilden, wie dies beispielhaft in der 2 dargestellt ist. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
Gemäß der Darstellung der 2 wird zunächst ein dotierstoffhaltiges Glas 26 auf die Rückseite des Solarzellensubstrats 10 aufgebracht 112. Hierzu wird das Glas 26 mittels CVD oder PVD auf der Rückseite des Solarzellensubstrats abgeschieden, sodass ein dem Rückseitenfeld zuzuordnender Dotierungsbereich 28 bedeckt ist. Daneben ist ein thermisches Aufwachsen, beispielsweise eines Oxides, insbesondere eines Siliziumdioxides, denkbar. Auch das Aufbringen eines dotierstoffhaltigen Nitrides, insbesondere eines Siliziumnitrides ist denkbar. Analog zum Einbringen 104 der Öffnungen 16 in die vorderseitige Diffusionsbarriere 12 werden in die rückseitige Diffusionsbar riere 26 lokale Öffnungen 30 eingebracht 114. Dies erfolgt wiederum mittels Laserstrahlung 14, wobei, wie oben erörtert, alternativ andere Technologien Verwendung finden können.
Im Weiteren wird im Ausführungsbeispiel der 2 eine dotierstoffhaltige Paste 32 auf die rückseitige Diffusionsbarriere 26 aufgedruckt 116. Hierbei werden die lokalen Öffnungen in der rückseitigen Diffusionsbarriere 26 mit der Paste 32 gefüllt. Der Typ des Dotierstoffes in der rückseitigen Diffusionsbarriere 26 stimmt mit dem in der Paste 32 wie auch mit dem Typ der Volumendotierung des Solarzellensubstrats 10 überein. Bei einem nachfolgenden Tempern 118 diffundieren Dotanden aus der in den lokalen Öffnungen 30 vorgesehenen Paste 32 in das Solarzellensubstrat 10 ein, während abseits der lokalen Öffnungen 30 dem Dotierstoff aus der Paste 32 eine Eindiffusion in das Solarzellensubstrat 10 durch die Diffusionsbarriere 26 verwehrt oder zumindest erheblich erschwert ist. In diesen Bereichen diffundiert während des Temperns 118 jedoch Dotierstoff aus dem dotierstoffhaltigen Glas 26, also aus der Diffusionsbarriere 26, in das Solarzellensubstrat ein. Die Konzentrationen in der Paste 32 und der rückseitigen Diffusionsbarriere 26 sind derart zu wählen, dass bei einem nachfolgenden Tempern 118 aus einer unmittelbar an das Solarzellensubstrat 10 angrenzenden Pastenfläche deutlich mehr Dotierstoff in das Solarzellensubstrat 10 gelangt als aus einer gleich großen, unmittelbar an das Solarzellensubstrat 10 angrenzenden Fläche dotierstoffhaltigen Glases 26. Dies resultiert in stark dotierten Bereichen 34a in an die lokalen Öffnungen 30 angrenzenden Gebieten und schwach dotierten Bereichen 34b in den übrigen Gebieten des zu dem Rückseitenfeld gehörigen Dotierungsbereichs 28. Damit liegt ein zweistufiges Rückseitenfeld vor. Infolgedessen ergibt sich ein zweistufiges Rückseitenfeld mit einem in der 2 durch die gestrichelte Linie an der Rück seite des Solarzellensubstrats schematisch angedeuteten Dotierungsprofil.
In der in 2 dargestellten Kombination mit dem zweistufigen Emitter aus 1 erhält man auf diese Weise eine Solarzelle mit zweistufigem Emitter und zweistufigem Rückseitenfeld, sodass bei einem Solarzellensubstrat hinreichender Qualität ein gesteigerter Wirkungsgrad erzielt werden kann. Die dotierstoffhaltige Paste 32 kann bei geeigneter Pastenwahl, beispielsweise einer Aluminium enthaltenden Paste im Falle einer p-Typ Volumendotierung des Solarzellensubstrats 10, zudem als Rückkontakt verwendet werden. In jedem Fall ist es nicht erforderlich, die Paste 32 flächendeckend auf die Rückseite des Solarzellensubstrats 10, bzw. die Diffusionsbarriere 26 des Rückseitenfeldes aufzudrucken. Dies vereinfacht zwar den Druckvorgang, da eine Ausrichtung nicht erforderlich ist, doch ist grundsätzlich das Einbringen der Paste 32 in die lokalen Öffnungen 30 ausreichend.
Es sei an dieser Stelle nochmals erwähnt, dass das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Ausbildung eines zweistufigen Rückseitenfeldes nicht an eine Voranstellung der Verfahrensschritte der 1 gebunden ist, sondern eine eigenständige Ausgestaltungsvariante der Erfindung darstellt. Im Zusammenwirken mit einem zweistufigen Emitter lassen sich jedoch besonders vorteilhafte Wirkungen erzielen.
In diesem Zusammenhang ist bemerkenswert, dass in der Darstellung der 2 zwar beispielhaft davon ausgegangen wird, dass der Dotierungsbereich 20a, 20b des Emitters sich nur entlang der Vorderseite des Solarzellensubstrats 10 erstreckt, das Ausführungsbeispiel der 2 jedoch an der Rückseite auch eine Überkompensation einer sich über die gesamte Ober fläche des Solarzellensubstrats 10 erstreckenden schwachen Dotierung 20b des Emitters ermöglicht, wie er sich z. B. bei einer schwachen Dotierung mittels einer POCl₃-Röhrendiffusion ergeben kann, sofern Rückseite und Kanten des Solarzellensubstrats dabei nicht maskiert werden.
2 zeigt die Ausbildung eines zweistufigen Rückseitenfel des ausgehend von einem bereits bestehenden zweistufigen Emitter. Wie oben dargelegt wurde, ist dies nicht zwingend erforderlich. Es ist stattdessen denkbar, dass zumindest einer zu dem Emitter gehörigen dotierten Bereiche 24a, 24b während des Temperns 118 gemeinsam mit den stark und schwach dotierten Bereichen des Rückseitenfeldes 34a, 34b ausgebildet werden. Das Tempern 118 stellt in solch einem Fall einen Kodiffusionsschritt dar. Ein derartiger Kodiffusionsschritt gestaltet sich schwierig, wenn der Schritt des starken Dotierens 106 in den lokalen Öffnungen 16 mittels einer Röhrendiffusion ausgeführt wird. Für die Realisierung eines Kodiffusionsschritts wird daher bevorzugt neben der dotierstoffhaltigen Paste 32 der Rückseite auch auf der Vorderseite des Solarzellensubstrats eine dotierstoffhaltige Paste mit Dotierstoff entgegengesetzten Typs als Dotierstoffquelle verwendet.
3 illustriert ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Den Ausgangspunkt bildet hier ein Solarzellensubstrat 11, dessen Oberfläche zunächst zumindest teilweise strukturiert wird. Derartige Oberflächenstrukturierungen bzw. Oberflächentexturierungen dienen einer weiteren Verringerung der Oberflächenreflexion des Solarzellensubstrats. Wie der 3 entnehmbar ist, ermöglicht die Erfindung auch die Ausbildung zweistufiger Dotierungen bei Solarzellensubstraten 11 mit einer Oberflächenstruktur bzw. Oberflächentextur.
Wiederum wird zunächst in einem Dotierungsbereich 43 eine Diffusionsbarriere 42, hier in Form eines dotierstoffhaltigen Glases 42, mittels CVD oder PVD aufgebracht 122 oder thermisch aufgewachsen 122, beispielsweise ein Phosphor- oder Borglas. Analog wie in dem Ausführungsbeispiel der 1 werden nachfolgend lokale Öffnungen 16 in die Diffusionsbarriere 42 mittels Laserstrahlung 14 eingebracht 104, wobei wiederum andere Technologien zum Einsatz kommen können. Im Weiteren wird eine dotierstoffhaltige Lösung 18 auf die Diffusionsbarriere 42 und die lokalen Öffnungen 16 aufgesprüht 126 oder anderweitig aufgebracht. Die Dotierstoffkonzentration in der Lösung 18 und in dem Glas 42 sind wiederum derart ausgelegt, dass bei einem nachfolgenden Tempern 128 aus einer unmittelbar an das Solarzellensubstrat 11 angrenzenden Fläche der Lösung 18 deutlich mehr Dotierstoff in das Solarzellensubstrat 11 gelangt als aus einer gleich großen, unmittelbar an das Solarzellensubstrat 11 angrenzenden Fläche dotierstoffhaltigen Glases 42. Infolgedessen ergeben sich erneut stark dotierte Bereiche 43a in an die lokalen Öffnungen 16 angrenzenden Gebieten und schwach dotierte Bereiche 43b in übrigen Gebieten des Dotierungsbereichs 43 und somit eine zweistufige Dotierung. Zudem wird der Dotierstoff in den stark dotierten Bereichen 43a auch hier tiefer in das Solarzellensubstrat 11 eingetrieben, sodass sich das in 3 schematisch durch die gestrichelte Linie dargestellte Emitterprofil ergibt.
4 zeigt eine Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dieses geht aus von dem Solarzellensubstrat 10, bei welchem zunächst ein Dotierungsbereich 44 schwach dotiert wird. Dies kann beispielsweise durch Aufspinnen oder Aufsprühen eine Phosphorsäurehaltigen Lösung verbunden mit einem anschließenden Temperschritt erfolgen. Eine Röhrendiffusion auf Basis von POCl₃ oder BBr₃ ist wiederum ebenfalls denkbar, wobei in diesen Fällen entgegen der Darstellung in der 4 an der gesamten Oberfläche des Solarzellensubstrat ein Dotierstoffeintrag erfolgte, sofern keine Maskierungsmaßnahmen ergriffen werden. Dies hätte jedoch auf die weiteren Verfahrensschritte nur insoweit Einfluss, dass dieser Dotierstoffeintrag an der Rückseite zumindest teilweise entfernt oder überkompensiert werden müsste und etwaige Kurzschlüsse vom Emitter zu einem Rückseitenkontakt zu entfernen wären.
Als nächsten Verfahrensschritt zeigt 4 die Abscheidung einer Diffusionsbarriere an der Oberfläche des Solarzellensubstrats 10 in dem Dotierungsbereich 44. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als Diffusionsbarriere 46 eine Siliziumdioxidschicht 46 thermisch aufgewachsen. Eine Abscheidung mittels CVD oder PVD ist jedoch grundsätzlich ebenfalls denkbar, weswegen die Siliziumdioxidschicht 46 in 4 vereinfacht nur an der Vorderseite dargestellt ist. Bei einem thermischen Aufwachsen wird hingegen streng genommen an jeder ungeschützten Siliziumoberfläche des Siliziumsubstrats eine Siliziumdioxidschicht ausgebildet, insbesondere an den Kanten des Solarzellensubstrats.
Es folgt ein Einbringen 134 von lokalen Öffnungen 47 in die Diffusionsbarriere 46. Dies erfolgt wiederum mittels Laserstrahlung 14, wobei auch hier, wie oben beschrieben, andere Technologien Verwendung finden können. Bei dem Einbringen 134 der Öffnungen 47 werden die Öffnungen 47 jedoch nicht nur bis zur Oberfläche des Solarzellensubstrats 10 vorangetrieben. Vielmehr werden auch Teile des Solarzellensubstrats 10 entfernt, sodass die Öffnungen 47 bis in dessen Volumen hineinreichen. Zur Vermeidung von Ladungsträgerrekombinationen an während des Laserstrahlverdampfens erzeugten Kristallschäden schließt sich zudem ein Ätzvorgang an, bei welchem zumindest die lokalen Öffnungen 47 überätzt werden 134. Werden die lokalen Öffnungen 47 mittels Sägen eingebracht, ist ein solches Überätzen ebenfalls vorteilhaft. Soll ein Laser- oder Sägeschadenätzen erfolgen, so ist es vorteilhaft, wenn die Diffusionsbarriere während dieses Ätzvorganges gleichzeitig als Ätzbarriere dienen kann. Dies ist z. B. der Fall, wenn ein Phosphorglas als Diffusionsbarriere und eine KOH enthaltende Lösung zum Laser- bzw. Sägeschadenätzen eingesetzt wird. Werden die lokalen Öffnungen 47 in das Solarzellensubstrat eingeätzt, ist ein zusätzliches Überätzen in der Regel nicht erforderlich. Ein Laserschaden- oder Sägeschadenätzen ist offensichtlich in den übrigen geschilderten Ausführungsbeispielen ebenfalls vorteilhaft.
An das Einbringen der lokalen Öffnungen 47 und Laserschadenätzen 134 schließt sich ein starkes Dotieren 136 in den lokalen Öffnungen 47 an. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt dies mittels einer Gasphasendiffusion, beispielsweise einer POCl₃- oder BBr₃-Röhrendiffusion, wobei die Kanten und die Rückseite des Solarzellensubstrats 10 dem Dotierstoff nicht ausgesetzt werden. Dies kann beispielsweise durch eine Maskierung dieser Bereiche erfolgen. Zudem besteht die Möglichkeit, die Solarzellensubstrate in einem verwendeten Diffusionsofen Rückseite an Rückseite anzuordnen und auf diese Weise einen Dotierstoffeintrag an der Rückseite des Solarzellensubstrats zu verhindern oder zumindest zu verringern. Der Dotierstoffeintrag an den Kanten des Solarzellensubstrats könnte nachfolgend mittels an sich bekannten Verfahren der Kantenisolation, z. B. Lasertrennen oder Rückseitenätzen, entfernt werden.
In Folge des starken Dotierens 136 finden sich in an die lokalen Öffnungen 47 angrenzenden Gebieten des Solarzellensubstrats 10 stark dotierte Bereiche 44a, in den übrigen Gebieten des Dotierungsbereichs 44 hingegen schwach dotierte Bereiche, sodass eine zweistufige Dotierung und damit ein zweistufiger oder selektiver Emitter vorliegt. Zudem wird der Dotierstoff in den stark dotierten Bereichen 44a tiefer in das Solarzellensubstrat 10 eingetrieben als in den schwach dotierten Bereichen 43b, sodass sich ein durch die gestrichelte Linie in 4 schematisch angedeutetes Dotierungsprofil, im vorliegenden Fall ein Emitterprofil, ergibt.
Gemäß der Darstellung in der 4 werden im Weiteren die Diffusionsbarriere 46 entfernt 138, beispielsweise durch Ätzen, und Metallkontakte 48 in die lokalen Öffnungen 47 eingebracht 138. Wie bereits im Zusammenhang mit 1 erläutert, kann es vorteilhaft sein, die Diffusionsbarriere 46 während des Einbringens der Metallkontakte, beispielsweise durch Siebdruck einer metallhaltigen Paste oder durch stromgetriebene oder stromlose Abscheideverfahren, zunächst auf dem Solarzellensubstrat zu belassen. In beiden Fällen erhält man aufwandsgünstig Solarzellen mit zumindest teilweise vergrabenen Kontakten.
Gemäß der 4 sind die Metallkontakte 48 vollständig in einem in das Solarzellensubstrat 10 hinein reichenden Abschnitt 45 der lokalen Öffnungen 47 angeordnet. Auf diese Weise wird eine Abschattung der lichtempfindlichen Vorderseite des Solarzellensubstrats 10, bzw. der fertigen Solarzelle, durch die Metallkontakte 48 weitgehend vermieden.
Der Fachmann erkennt, dass durch Kombination von Verfahrensschritten verschiedener Ausführungsbeispiele weitere Ausges taltungsvarianten gebildet werden können. So kann beispielsweise ein Siliziumdioxid nicht nur im Ausführungsbeispiel der 4 als Diffusionsbarriere Verwendung finden, sondern grundsätzlich auch im Ausführungsbeispiel der 1. Weiterhin können im Rahmen der Ausbildung eines zweistufigen Emitters beschriebene Verfahrensschritte in analoger Weise zur Ausbildung eines zweiseitigen Rückseitenfeldes verwendet werden und umgekehrt. Zudem können Verfahren zur Ausbildung eines zweistufigen Emitters mit Verfahren zur Ausbildung eines zweistufigen Rückseitenfeldes kombiniert werden, sodass sich Solarzellen ergeben, die sowohl ein zweistufiges Rückseitenfeld wie auch einen zweistufigen Emitter aufweisen. So ist beispielsweise das Verfahren nach 2 nicht nur mit dem Verfahren gemäß 1 kombinierbar, sondern auch mit den Verfahren gemäß 3 oder 4. Dotierungen mit mehr als zwei Dotierungsstufen sind durch mehrfache Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens realisierbar.

10: Solarzellensubstrat
11: Solarzellensubstrat mit strukturierter Oberfläche
12: Diffusionsbarriere
14: Laserstrahlung
16: lokale Öffnungen
18: dotierstoffhaltige Lösung
20: Dotierungsbereich
20a: stark dotierter Bereich
20b: schwach dotierter Bereich
22: Metallkontakt
24: Antireflexionsbeschichtung
26: dotierstoffhaltiges Glas
28: Dotierungsbereich Rückseitenfeld
30: lokale Öffnungen
32: dotierstoffhaltige Paste
34a: stark dotierter Bereich
34b: schwach dotierter Bereich
42: dotierstoffhaltiges Glas
43: Dotierungsbereich
43a: stark dotierter Bereich
43b: schwach dotierter Bereich
44: Dotierungsbereich
44a: stark dotierter Bereich
44b: schwach dotierter Bereich
45: in Solarzellensubstrat hineinreichender Abschnitt der lokalen Öffnung
46: Siliziumoxid
47: lokale Öffnungen
48: Metallkontakt
102: Abscheidung Diffusionsbarriere auf schwach dotiertem Dotierungsbereich
104: Einbringen lokaler Öffnungen in Diffusionsbarriere
106: starkes Dotieren in den lokalen Öffnungen
108: Entfernen Diffusionsbarriere
110: Aufbringen vorderseitige Metallkontakte und Antireflexbeschichten
112: Aufbringen dotierstoffhaltiges Glas auf Rückseite
114: Einbringen lokaler Öffnungen in die rückseitige Diffusionsbarriere
116: Aufdrucken dotierstoffhaltige Paste
118: Tempern
120: Strukturieren Solarzellensubstratoberfläche
122: Aufbringen dotierstoffhaltiges Glas auf Vorderseite
126: Aufsprühen dotierstoffhaltige Lösung
127: Tempern
132: Schwaches Dotieren des Dotierungsbereichs
134: Einbringen lokaler Öffnungen in Diffusionsbarriere und Solarzellensubstrat, Laserschadenätzen
136: starkes Dotieren in lokalen Öffnungen
138: Entfernen Diffusionsbarriere und Einbringen Metallkontakte in lokale Öffnungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 97/13280 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit einer zweistufigen Dotierung (20a, 20b; 34a, 34b; 44a, 44b), bei welchem – ein Dotierungsbereich (20; 28; 44) eines Solarzellensubstrats (10; 11) wenigstens abschnittsweise schwach dotiert wird (132); – in dem Dotierungsbereich (20; 28; 44) an einer Oberfläche des Solarzellensubstrats (10; 11) eine Diffusionsbarriere (12; 26; 42) ausgebildet wird (102; 122); – in die Diffusionsbarriere (12; 26; 42) lokale Öffnungen (16; 30; 47) eingebracht werden (104; 114; 134); – das Solarzellensubstrat (10; 11) in Bereichen der lokalen Öffnungen (16; 30; 47) stark dotiert wird (106; 136); dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriere (12; 26; 42) thermisch aufgewachsen oder mittels einer chemischen oder physikalischen Abscheidung aus einer Dampfphase auf die Oberfläche des Solarzellensubstrats aufgebracht wird (102; 122).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Öffnungen (16; 30; 47) mit einem Mittel aus der Gruppe umfassend Laserstrahlverdampfen (14), Sägen, Wasserstrahlschneiden und Ätzen eingebracht werden (104; 114; 134).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Einbringen (104; 114; 134) der lokalen Öffnungen (16; 30; 47) entstandene Schäden in einer Kri stallstruktur des Solarzellensubstrats durch Überätzen der lokalen Öffnungen (16; 30; 47) zumindest teilweise beseitigt werden (134).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Dielektrikum (46), vorzugsweise Siliziumnitrid, Siliziumdioxid (46) oder ein Glas, als Diffusionsbarriere (46) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem schwachen Dotieren (118; 128) in dem Dotierungsbereich (28; 43) als Diffusionsbarriere (26; 42) ein Dotierstoff enthaltendes Glas (26; 42), ein Dotierstoff enthaltendes Oxid oder ein Dotierstoff enthaltendes Nitrid aufgebracht wird und das schwache Dotieren durch Diffusion von Dotierstoff aus der Diffusionsbarriere (26; 42) heraus in das Solarzellensubstrat (10; 11) hinein realisiert wird (118; 128).
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das schwache Dotieren in einem gemeinsamen Temperschritt zusammen mit dem starken Dotieren erfolgt (118; 128).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das starke Dotieren (106; 136) mittels einer Röhrendiffusion erfolgt, vorzugsweise mittels einer POCl₃- oder einer BBr₃-Diffusion.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke des starken Dotierens eine dotierstoffhaltige Lösung (18) auf die Oberfläche des Solarzellensubstrats (10) aufgesprüht oder aufgesponnen wird (126).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke des starken Dotierens eine dotierstoffhaltige Paste (32) auf die Oberfläche des Solarzellensubstrats (10) aufgedruckt wird (116).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Bereichen der lokalen Öffnungen (16; 30; 47) Dotierstoff tiefer in das Solarzellensubstrat (10) eingetrieben wird (106; 118; 136) als in dem übrigen Dotierungsbereich (20b; 34b; 44b).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Emitter (20a, 20b; 43a, 43b; 44a, 44b) der Solarzelle mittels einer zweistufigen Dotierung ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückseitenfeld (34a, 34b) der Solarzelle mittels einer zweistufigen Dotierung ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Volumendotierung des Solarzellensubstrats (10) als schwache Dotierung der zweistufigen Dotierung des Rückseitenfeldes verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Metallkontakt (48) der Solarzelle in einer lokalen Öffnung (47) angeordnet wird (138).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei wenigstens einem Einbringen (134) einer lokalen Öffnung (47) in die Diffusionsbarriere (46) Teile des Solarzellensubstrats (10) derart entfernt werden, dass diese lokale Öffnung (47) bis in das Solarzellensubstrat (10) hineinreicht.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Metallkontakt (48) der Solarzelle großteils, vorzugsweise vollständig, in einem in das Solarzellensubstrat (10) hineinreichenden Abschnitt (45) einer lokalen Öffnung (47) angeordnet wird (138).
Solarzelle mit einer zweistufigen Dotierung dadurch gekennzeichnet, dass diese mit dem Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche hergestellt ist.