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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Silizium-Solarzelle mit einer passivierten
p-Typ-Oberfläche
und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Silizium-Solarzelle.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Solarzellen
dienen der direkten Umwandlung von Licht in elektrischen Strom.
Hierzu werden in einem Halbleitermaterial verschiedenartig dotierte
Bereiche erzeugt, wobei an einer Grenzfläche, an der ein p-Typ-Bereich
an einen n-Typ-Bereich grenzt, ein pn-Übergang entsteht, der aufgrund
des dort vorherrschenden Potentialgefälles durch Licht generierte Ladungsträgerpaare
räumlich
trennen kann.
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Bei
der industriellen Fertigung von Silizium-Solarzellen kommt derzeit überwiegend p-Typ-Silizium als Substrat-
bzw. Basismaterial zum Einsatz. In der einfachsten Form, wie sie
beispielsweise in 3 dargestellt ist, weist eine
industriell gefertigte Solarzelle 101 ganzflächige Basisbereiche 103 und
Emitterbereiche 105 auf. Dabei liegt der n+-dotierte
Emitterbereich 105 üblicherweise
auf der dem Licht zugewandten Seite, das heißt, der Vorderseite der Solarzelle.
Der Emitter wird im industriellen Maßstab häufig über einen Phosphor-Diffusionsprozess
in einer Gasatmosphäre,
die POCl3-/N2-/O2-Gas enthält, in das Basismaterial bei
Temperaturen von typischerweise 800°C–950°C eindiffundiert. Anschließend wird
auf der Vorderseite meist eine als Antireflexschicht und Oberflächenpassivierung
dienende Dielektrikumschicht 107 aufgebracht. Nachfolgend
werden auf der Vorderseite fingerförmige Metallkontakte 109 und
auf der Rückseite
ganzflächige Aluminiumkontakte 111 aufgebracht
und anschließend
in einem Hochtemperaturschritt bei etwa 600–900°C zur Bildung eines elektrischen
Kontakts mit dem darunter liegenden Siliziumsubstrat eingefeuert.
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Im
industriellen Maßstab
wird für
das Aufbringen der Metallkontakte häufig die etablierte Siebdrucktechnologie
verwendet. Für
die Metallisierung des n+-Emitters wird
dabei meist eine Silberpartikel-haltige Paste in Form einer Fingerstruktur
auf die Solarzellenvorderseite gedruckt. Für die Bildung des Rückseitenkontakts
wird meist eine Aluminiumpartikel-haltige Paste ganzflächig auf
die Rückseite
der Solarzelle gedruckt. Nach dem Trocknen der Metallpartikel-haltigen
Pasten wird der Vorderseitenkontakt und der Rückseitenkontakt gleichzeitig
in das Siliziumsubstrat eingefeuert, was auch als „Co-Feuern” bezeichnet
wird. Dabei bildet sich einerseits ein guter Ohmscher Kontakt zwischen
der Metallisierung und dem Siliziumsubstrat, andererseits bildet
das auf der Rückseite
aufgebrachte Aluminium einen oberflächennahen, stark mit Aluminium
dotierten p+-Siliziumbereich. Dieser Bereich
wird als Rückseitenfeld oder
BSF 113 (Back Surface Field) bezeichnet und vermindert
Rekombinationsverluste an der Solarzellenrückseite, da Ladungsträger teilweise
gehemmt werden, hin zur metallisierten Rückseitenoberfläche zu diffundieren
und dort zu rekombinieren.
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Der
hauptsächliche
Grund für
die überwiegende
Verwendung von p-Typ-Silizium anstelle von n-Typ-Silizium als Basismaterial
bei der heutigen industriellen Silizium-Solarzellen-Fertigung ist unter anderem
der weit verbreitete und etablierte Prozess der Phosphordiffusion zur
Herstellung des n+-Emitters an der Solarzellen-Vorderseite.
Die hohe und stabile Ladungsträger-Lebensdauer
von n-Typ-Silizium ist jedoch ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem standardmäßig verwendeten
p-Typ-Silizium. Hohe Ladungsträger-Lebensdauern
sind eine wichtige Voraussetzung für das Erreichen höchster Wirkungsgrade.
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Bei
einem auf n-Typ-Silizium-Basismaterial beruhenden Solarzellen-Fertigungsprozess
muss der Emitter p-Typ-dotiert werden. Im Labormaßstab werden
solche p+-Emitter meist durch Eindiffusion von
Bor bei sehr hohen Temperaturen von bis zu 1100°C erzeugt. Für eine Fertigung im industriellen Maßstab wurden
Fertigungsprozesse untersucht, bei denen eine Aluminium-haltige
Paste mittels Siebdruck auf der Solarzellen-Rückseite aufgedruckt und anschließend eingefeuert
wurde. Der entstehende p+-dotierte oberflächennahe
Bereich wirkt hierbei nicht als BSF wie bei p-Typ-Solarzellen, sondern stellt
einen rückseitigen
Emitter der n-Typ-Solarzelle bereit.
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Bei
den oben geschilderten herkömmlichen Solarzellen-Konzepten
ist die Solarzellen-Rückseite, das
heißt
das p+-dotierte BSF im Falle einer p-Typ-Substrat-Solarzelle
bzw. der p+-dotierte Emitter im Falle der n-Typ-Substrat-Solarzelle,
im allgemeinen ganzflächig
metallisiert. Dies erlaubt einerseits einen guten elektrischen Kontakt
mit dem Siliziumsubstrat und geringe Leistungsverluste aufgrund von
Serienwiderständen
innerhalb der Metallkontakte. Andererseits wurde jedoch erkannt,
dass metallisierte Bereiche einer Siliziumoberfläche als starke Rekombinationszentren
wirken können.
Das Erreichen hoher und höchster
Wirkungsgrade setzt bei Solarzellen jedoch voraus, dass die Rekombination von
Ladungsträgern
sowohl innerhalb der Solarzelle wie auch an den Oberflächen der
Solarzelle möglichst
gering sein soll. Mit anderen Worten soll die Wahrscheinlichkeit,
mit der Minoritätsladungsträger insbesondere
zur Oberfläche
der Solarzelle gelangen und dort rekombinieren können und somit nicht zur Energieerzeugung
beitragen können,
möglichst gering
sein.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
kann daher ein Bedarf an einer Silizium-Solarzelle und an einem
Verfahren zum Fertigen einer solchen Silizium-Solarzelle bestehen,
bei der ein im Vergleich zu herkömmlichen
Silizium-Solarzellen erhöhtes
Wirkungsgradpotential erreicht werden kann. Insbesondere sollen
dabei industriell einsetzbare Fertigungsschritte wie beispielsweise
die Siebdrucktechnologie eingesetzt werden können. Ferner kann ein Bedarf
daran bestehen, sowohl bei n-Typ- als auch bei p-Typ-Solarzellen
Wirkungsgradverluste aufgrund von Oberflächenrekombination zu minimieren.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Herstellen einer Silizium-Solarzelle vorgeschlagen. Das Verfahren
weist zumindest die nachfolgenden Prozessschritte auf: Bereitstellen
eines Siliziumsubstrates; Ausbilden einer Aluminiumhaltigen Schicht
an einer Oberfläche
des Siliziumsubstrates; Einfeuern der Aluminiumhaltigen Schicht
in einem Hochtemperaturschritt, um einen Aluminium-dotierten p+-Siliziumbereich
an der Oberfläche
des Siliziumsubstrates zu bilden; Entfernen von Rückständen der
Aluminium-haltigen Schicht durch Ätzen; teilweises Rückätzen des
Aluminium-dotierten p+-Siliziumbereichs
an der Oberfläche
des Siliziumsubstrates; Abscheiden einer Dielektrikumschicht an
der rückgeätzten p+-Siliziumoberfläche; und Ausbilden von Metallkontakten an
der Dielektrikumschicht zur elektrischen Kontaktierung der rückgeätzten Oberfläche durch
die Dielektrikumschicht hindurch.
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Mögliche Merkmale
und Vorteile von Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung von Silizium-Solarzellen werden im Anschluss detaillierter
beschrieben.
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Bei
dem bereitgestellten Siliziumsubstrat kann es sich um einen mono-
oder multikristallinen Siliziumwafer, der eine p-Typ-Grunddotierung
oder eine n-Typ-Grunddotierung aufweist, handeln. Alternativ können auch
entsprechende Siliziumdünnschichten
als Substrat dienen.
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Die
Aluminium-haltige Schicht kann beispielsweise dadurch ausgebildet
werden, dass eine Aluminiumpartikel-haltige viskose Paste großflächig auf
die zu beschichtende Oberfläche
aufgedruckt wird, beispielsweise im Siebdruckverfahren. Die Siebdruckpaste
kann dabei neben Aluminiumpartikeln auch Glasfritte und Lösungsmittel
enthalten. Vorzugsweise wird die zu beschichtende Oberfläche, bei
der es sich um die Rückseitenoberfläche des
Siliziumsubstrats handeln kann, ganzflächig beschichtet.
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Alternativ
zur Siebdrucktechnologie kann die Oberfläche auch mit anderen Verfahren
beschichtet werden. Beispielsweise kann eine Aluminium-haltige Schicht
durch Aufdampfen oder Aufsputtern von Aluminium erzeugt werden.
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Die
derart auf der Siliziumoberfläche
abgeschiedene Aluminium-haltige Schicht wird nachfolgend in einem
Hochtemperaturschritt eingefeuert. Der Hochtemperaturschritt erfolgt
dabei bei Temperaturen oberhalb der eutektischen Temperatur von 577°C. Beispielsweise
kann die Aluminium-haltige Schicht in einem Durchlaufofen eingefeuert
werden, bei dem das mit der Aluminium-haltigen Schicht versehene
Siliziumsubstrat auf einem Gürtel
durch eine beheizte Zone wandert und für eine Dauer von wenigen Sekunden
bis hin zu wenigen Minuten einer erhöhten Temperatur von 600–900°C ausgesetzt
ist. Bei solchen Temperaturen bildet Aluminium mit Silizium eine
eutektische Phase, das heißt,
eine flüssige Siliziumphase,
in der ein gewisser Anteil von Aluminium gelöst ist. Beim Abkühlen nach
dem Hochtemperaturschritt wachst aus dem flüssigen Eutektikum ein mit Aluminium
p-dotierter Siliziumbereich
von einigen Mikrometern Tiefe epitatkisch auf dem Siliziumsubstrat.
Auf der Oberfläche
dieses Aluminium-dotierten Siliziumbereichs erstarrt das restliche
Aluminium-Silizium-Eutektikum und darüber wiederum das verbliebene
Aluminium.
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Die
Rückstände der
verbliebenen Aluminium-haltigen Schicht, inklusive des Aluminium-Silizium-Eutektikums,
werden anschließend
durch chemisches Ätzen
entfernt. Hierzu können
sowohl flüssige Ätzlösungen wie
auch reaktive Gase verwendet werden, die Aluminium ätzen. Beispielsweise
können
die Aluminiumrückstände in einer
hoch konzentrierten Salzsäurelösung (HCl)
nasschemisch weggeätzt, das
heißt
möglichst
rückstandsfrei
entfernt werden.
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Die
auf diese Weise freigelegte und aufgrund des darin gelösten Aluminiums
hoch p-dotierte oberflächennahe
Region des zuvor erzeugten Aluminium-dotierten p+ Siliziumbereichs
wird anschließend oberflächlich rückgeätzt. Auch
dies kann sowohl in einer Ätzlösung als
auch in einem reaktiven Gas erfolgen. Beispielsweise kann eine hochkonzentrierte
Kaliumhydroxidlösung
(KOH) verwendet werden. Der Aluminium-dotierte Siliziumbereich kann
beispielsweise um 0,1 μm
bis 5 μm
zurückgeätzt werden. Nach
dem Rückätzen soll
jedoch eine ausreichende Schichtdicke des Aluminium-dotierten p+ Siliziumbereichs verbleiben, um als BSF
bzw. als Emitter dienen zu können.
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Optional
kann das Wegätzen
der Aluminium-haltigen Schicht und das Rückätzen des Aluminium-dotierten
Siliziumbereichs auch in einem gemeinsamen Ätzschritt durchgeführt werden.
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Auf
die derart rückgeätzte Oberfläche wird anschließend eine
Dielektrikumschicht abgeschieden. Wie weiter unten in Bezug auf
bevorzugte Ausführungsformen
detaillierter beschrieben, kann die Dielektrikumschicht verschiedene
vorteilhafte Eigenschaften aufweisen und mittels verschiedener Verfahren
abgeschieden werden. Die Dielektrikumschicht kann insbesondere überall dort
abgeschieden werden, wo zuvor der Aluminium-dotierte Siliziumbereich
erzeugt wurde. Vorzugsweise wird die Dielektrikumschicht ganzflächig auf
der gesamten rückseitigen
Oberfläche
des Siliziumsubstrats abgeschieden. Alternativ kann die Dielektrikumschicht
auch derart erzeugt werden, dass sowohl die rückseitige als auch die vorderseitige
Oberfläche
des Siliziumsubstrats gleichzeitig beschichtet werden.
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Die
Dielektrikumschicht soll hauptsächlich zur
Passivierung der rückgeätzten Oberfläche dienen.
Sie kann aber auch weitere Aufgaben erfüllen. Beispielsweise kann sie
als Antireflexschicht oder als Rückseitenspiegel
für die
Solarzelle dienen.
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Anschließend werden
an der Dielektrikumschicht Metallkontakte ausgebildet, die die rückgeätzte Oberfläche des
Siliziumsubstrats durch die Dielektrikumschicht hindurch elektrisch
kontaktieren soll. Beispielsweise können die Metallkontakte in
Siebdrucktechnik unter Verwendung einer Silberpartikel-haltigen
Paste aufgedruckt werden und anschließend durch die Dielektrikumschicht
hindurchgefeuert werden. Alternativ kann die Dielektrikumschicht
partiell lokal geöffnet
werden, z. B. linien- oder punktförmig, sodass die Metallisierung
das darunter liegende Siliziumsubstrat durch die Öffnungen
hindurch kontaktieren kann. Die Metallkontakte können als fingerförmiges Grid
ausgebildet sein, sodass die Rückseite nicht
ganzflächig
sondern nur lokal elektrisch kontaktiert wird. Dadurch verringert
sich die mit Metallkontakten in Kontakt stehende Oberfläche des
Siliziumsubstrates und somit auch die dort auftretende Rekombination.
Zwischen den fingerförmigen
Kontakten ist die Siliziumoberfläche
durch die Dielektrikumschicht gut passiviert.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die gesamte Fertigungssequenz zur
Herstellung der Solarzelle noch weitere Fertigungsschritte umfassen
kann wie z. B. Reinigungsschritte, Ätzschritte, Texturierungsschritte,
Diffusionsschritte, Beschichtungsschritte, Getterschritte etc, wie
sie z. B. für
herkömmliche
Fertigungsverfahren bekannt sind.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Dielektrikumschicht Wasserstoff-haltig.
Mit anderen Worten ist in die Dielektrikumschicht atomarer oder
molekularer Wasserstoff eingelagert. Der Wasserstoffanteil sollte
wenigstens 1at%, vorzugsweise wenigstens 2at% und stärker bevorzugt
wenigstens 5at% betragen. Der in der Dielektrikumschicht enthaltene
Wasserstoff kann beispielsweise in einem nachfolgenden Hochtemperaturschritt
an die Grenzfläche
zwischen der Dielektrikumschicht und dem Aluminium-dotierten p+ Siliziumbereich diffundieren und dort,
beispielsweise durch Sättigen
von freien Bindungen („Dangling
Bonds”), passivierend
wirken.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist die Dielektrikumschicht Siliziumnitrid
(SiNx) und/oder Aluminiumoxid (Al2O3) auf. Es hat
sich herausgestellt, dass mit solchen Dielektrika beschichtete hoch
Aluminium-dotierte Siliziumoberflächen eine besonders geringe
Oberflächenrekombination
aufweisen. Außerdem
kann insbesondere Siliziumnitrid in einer Weise abgeschieden werden,
dass besonders viel Wasserstoff darin enthalten ist. Hierzu kann
die Dielektrikumschicht beispielsweise mit Hilfe von plasmaunterstützter Gasphasenabscheidung
(PECVD – Plasma
Enhanced Chemical Vapour Deposition) abgeschieden werden. Zum Beispiel
wird Siliziumnitrid beim Beschichten mittels PECVD nicht-stöchiometrisch
abgeschieden und enthält
einen hohen Anteil an Wasserstoff. Aluminiumoxid mit sehr gut passivierenden
Eigenschaften kann beispielsweise mit Atomlagenabscheidung (ALD – Atomic
Layer Deposition) abgeschieden werden. Es können auch Doppelschichten aus
einer dünnen
Al2O3-Schicht und
einer dickeren SiNx-Schicht verwendet werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nach dem Abscheiden der Dielektrikumschicht
ein Hochtemperaturschritt derart durchgeführt, dass Wasserstoff aus der
Dielektrikumschicht an die Grenzfläche mit dem darunter liegenden
Aluminium-dotierten Siliziumbereich diffundiert. Bei dem Hochtemperaturschritt
kann es sich beispielsweise um den Feuerschritt handeln, mit dem nachfolgend
aufgebrachte Metallkontakte durch die Dielektrikumschicht hindurch
hin zu dem Siliziumsubstrat durchgefeuert werden. Der Feuerschritt
kann somit durch die gleichzeitig auftretende Wasserstoff-Diffusion
auch einen passivierenden Effekt haben.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden die Metallkontakte durch lokales
Aufbringen einer Metallpartikel-haltigen viskosen Paste auf die
Dielektrikumschicht und anschließendes Durchfeuern der Metallpartikel-haltigen Paste
durch die Dielektrikumschicht hindurch ausgebildet. Die Paste kann
dabei beispielsweise Aluminiumpartikel oder vorzugsweise Silberpartikel
enthalten. Ferner können
Glasfritte, die das Durchdringen der Paste durch die Dielektrikumschicht
unterstützen können, sowie
Lösungsmittel
in der Paste enthalten sein. Die Pasten können lokal, beispielsweise
fingerförmig,
aufgedruckt werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die Aluminiumhaltige Schicht durch
Aufbringen einer Aluminiumpartikel-haltigen Paste ausgebildet.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die Metallpartikelhaltige Paste
für die
Bildung der Metallkontakte und/oder die Aluminiumpartikel-haltige
Paste für
die Bildung der Aluminium-haltigen Schicht mittels Siebdruck aufgebracht.
Siebdruck ist in der industriellen Solarzellen-Fertigung ein etabliertes
Verfahren, so dass die einzelnen Prozessschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
einfach im industriellen Maßstab
umgesetzt werden können.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Silizium-Solarzelle
vorgeschlagen, die ein Siliziumsubstrat, einen Aluminium-dotierten
Siliziumbereich an einer Oberfläche
des Siliziumsubstrats, eine Dielektrikumschicht auf dem Aluminium-dotierten
Siliziumbereich und Metallkontakte an der Dielektrikumschicht zur
elektrischen Kontaktierung des Aluminium-dotierten Siliziumbereichs
durch die Dielektrikumschicht hindurch aufweist.
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Eine
solche Silizium-Solarzelle kann insbesondere durch das oben in Bezug
auf den ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschriebene Fertigungsverfahren
hergestellt werden.
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Die
Dielektrikumschicht grenzt vorzugsweise direkt an den darunter liegenden
Aluminiumdotierten p+ Siliziumbereich des
Siliziumsubstrats an. Mit anderen Worten soll zwischen der Dielektrikumschicht und
dem darunter liegenden Aluminium-dotierten Siliziumbereich keine
zusätzliche
Schicht beispielsweise in Form von Aluminiumrückständen vorhanden sein sondern
die Dielektrikumschicht soll direkt am Siliziumsubstrat anliegen.
Auf diese Weise kann die Dielektrikumschicht besonders gut als Oberflächenpassivierung
dienen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist der Aluminiumdotierte p+ Siliziumbereich eine maximale Konzentration
von Aluminium von weniger als 1 × 1019 cm–3 auf.
Das Aluminium-Dotierprofil zeigt in der Regel ein breites Maximum
von ca. 2 – 6 × 1018 cm–3 in einer Tiefe von
einigen Mikrometern sowie einen scharfen Peak in der Aluminium-Dotierkonzentration
an der Oberfläche mit
einer typischen Aluminum-Konzentration
von ca. 6 – 10 × 1018 cm–3. Es hat sich herausgestellt,
dass derart stark mit Aluminium dotierte Siliziumbereiche schwer
passivierbar sind. Indem, wie weiter oben in Bezug auf das Fertigungsverfahren
beschrieben, die oberste Schicht des Aluminium-dotierten p+ Siliziumbereichs rückgeätzt wird, kann die maximale
Aluminiumkonzentration innerhalb des p+ Siliziumbereichs erheblich
reduziert werden, was sich vorteilhaft auf die Passivierbarkeit
der Oberfläche
mit einem Dielektrikum auswirken kann.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist die Dielektrikumschicht Siliziumnitrid
auf. Insbesondere Siliziumnitrid, das mittels PECVD hergestellt
wurde und nach dem Abscheiden einen hohen Wasserstoffanteil aufweist,
hat sich als vorteilhaft für
die Oberflächenpassivierung erwiesen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
sind die Metallkontakte als Siebdruckkontakte ausgeführt. Solche
Siebdruckkontakte lassen sich in einfacher Weise industriell herstellen
und durch eine darunter liegende dielektrische Schicht hindurchfeuern.
Die Siebdruckkontakte weisen aufgrund der darin eingelagerten Metallpartikel
und Glasfritte eine typische, stark unebene Struktur auf.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform weist
der Aluminium-dotierte p+-Bereich ein Dotierprofil
auf, wie es sich bei epitaktischer Flüssigphasenabscheidung aus einer
eutektischen Aluminium-Siliziumphase ergibt. Dieses Dotierprofil
zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass sich die höchste Aluminiumkonzentration
nicht wie bei einem Diffusionsprofil an der Oberfläche befindet
sondern einige Mikrometer tief im Innern.
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Nachfolgend
werden eine zugrunde liegende Idee und Vorteile der Erfindung zusammengefasst.
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Das
Verfahren gemäß dem ersten
Aspekt und die Solarzelle gemäß dem zweiten
Aspekt der vorliegenden Erfindung können auf der nachfolgenden
Idee beruhend angesehen werden: Zur Herstellung der Solarzelle wird
eine Aluminium-haltige Schicht an einer Oberfläche des Siliziumsubstrats abgeschieden
und nachfolgend eingefeuert, um einen Aluminium-dotierten p+-leitenden Siliziumbereich zu bilden. Dieser
Aluminium-dotierte Siliziumbereich kann, im Falle eines p-Typ-Siliziumsubstrats,
als BSF dienen bzw., im Fall eines n-Typ-Siliziumsubstrats, als Emitter dienen.
Im Gegensatz zur herkömmlichen Solarzellenfertigung
sollen die an der Oberfläche
des Siliziumsubstrates verbleibenden Rückstände der Aluminium-haltigen
Schicht jedoch nicht als Metallkontakt verwendet werden. Stattdessen
werden diese Rückstände, inklusive
des sich beim Hochtemperaturschritt ausbildenden Aluminium-Silizium-Eutektikums,
in einem Ätzschritt
entfernt. Zusätzlich
wird der zuvor gebildete Aluminium-dotierte Siliziumbereich in einem
weiteren Ätzschritt
teilweise entfernt, das heißt,
zurückgeätzt. Auf
die derart von Aluminium-Rückständen und
von einer stark dotierten, oberflächennahen Aluminium-dotierten
Siliziumschicht befreiten Oberfläche
des Siliziumsubstrats wird anschließend eine Dielektrikumschicht
beispielsweise in Form einer wasserstoffhaltigen Siliziumnitridschicht
abgeschieden, die zur Oberflächenpassivierung
dienen kann. Zur Bildung von Metallkontakten kann anschließend an
der Dielektrikumschicht eine weitere Metallschicht aufgebracht werden,
beispielsweise in Form eines fingerartigen Metallgrids, und die Metallkontakte
können
in einem nachfolgenden Hochtemperaturschritt durch die darunter
liegende Dielektrikumschicht lokal hindurchgefeuert werden. Auf
diese Weise kann einerseits ein elektrischer Kontakt zu dem darunter
liegenden Aluminiumdotierten Siliziumbereich des Siliziumsubstrats
gebildet werden und andererseits Wasserstoff aus der Dielektrikumschicht
zu Defekten an der Grenzfläche
zwischen Substrat und Dielektrikumschicht diffundieren und diese
dort passivieren.
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Das
vorgeschlagene Konzept ermöglicht
einerseits die Bildung eines großflächigen p+-BSFs bzw.
eines großflächigen p+-Emitters, vermeidet jedoch, dass dieses
BSF bzw. dieser Emitter großflächig metallisiert
ist. Rückstände der
zuvor großflächig aufgebrachten
Aluminiumhaltigen Schicht werden hierzu ebenso wie oberflächennahe
Bereiche des zuvor gebildeten Aluminium-dotierten p+ Siliziumbereichs
vor dem Abscheiden der passivierenden Dielektrikumschicht weggeätzt.
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Aufgrund
der Tatsache, dass die Solarzellenrückseite vorzugsweise nicht
ganzflächig
sondern gridförmig
metallisiert ist, kommt es auch nicht zu dem insbesondere bei dünnen Solarzellen
gefürchteten
Durchbiegen der Solarzellen nach dem Einfeuern der Metallkontakte.
Außerdem
ist die Solarzelle beidseitig lichtempfindlich, was für Spezialanwendungen, bei
denen z. B. ein Teil des Sonnenlichts von einem hinter der Solarzelle
befindlichen Reflektor auf die Solarzellenrückseite geleitet wird, von
Vorteil sein kann.
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Alternativ
kann die Rückseite
auch mit einem Punktmuster metallisiert werden und diese Punktkontakte
durch die Dielektrikumschicht durchgefeuert werden. Nach dem Feuerschritt
wird die Rückseite dann
ganzflächig
metallisiert, z. B. durch aufdampfen einer Metallschicht. In Kombination
mit dem Dielektrikum kann diese Metallschicht sehr gute Reflexionseigenschaften
im Infraroten ausbilden und so den Fotostrom der Solarzelle erhöhen.
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Das
Konzept kann unter Einsatz bekannter und erprobter Fertigungstechniken
wie z. B. der Siebdrucktechnologie realisiert werden. Somit kann
bei der Fertigung der Solarzellen eine hohe Zuverlässigkeit
erreicht werden. Außerdem
kann das Konzept in einfacher Weise durch Umrüsten bereits bestehender Fertigungslinien
genutzt werden.
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Mit
Hilfe des Konzeptes lassen sich sowohl Solarzellen auf p-Typ Siliziumwafern
mit frontseitigem n+-Typ Emitter und rückseitigem
p+-BSF als auch Solarzellen auf n-Typ Siliziumwafern
mit rückseitigem
p+-Typ Emitter fertigen. Aufgrund der mit dem
vorgeschlagenen Konzept erreichbaren guten Oberflächenpassivierung
können
dabei sehr hohe Offene-Klemmen-Spannungen Voc,
erreicht werden. Im Labormaßstab
wurden bereits Solarzellen mit einer Voc von
etwa 650 mV gefertigt.
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Es
wird angemerkt, dass die Ausführungsformen,
Merkmale und Vorteile der Erfindung teilweise in Bezug auf das erfindungsgemäße Solarzellenherstellungsverfahren
und teilweise in Bezug auf die erfindungsgemäße Solarzelle beschrieben 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 auch jeweils analog auf die Solarzelle
bzw. das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren übertragen werden
können
und umgekehrt. Insbesondere können
die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen auch in beliebiger
Weise untereinander kombiniert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann
aus der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen,
die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen ist, und unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Siliziumsolarzelle
auf Basis von p-Typ-Silizium.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Siliziumsolarzelle
auf Basis von n-Typ-Silizium.
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3 zeigt
eine herkömmliche
Siliziumsolarzelle.
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Alle
Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Mit
Bezug auf die in 2 dargestellte Solarzelle gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend das erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung einer Solarzelle beispielhaft erläutert. Es
handelt sich dabei um eine Solarzelle auf Basis eines p-Typ-Siliziumwafers
mit frontseitigem n+-Emitter.
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Nach
vorbereitenden Prozessschritten wie einem Ätzschritt zum Entfernen von
Sägeschäden in einem
Siliziumwafer und zum Erzeugen einer Oberflächentextur, wird in einem Siliziumsubstrat 2 an
der Vorderseite angrenzend an einen Basisbereich 3 ein flächiger Emitter 5 durch
eine POCl3-Diffusion erzeugt. Auf der Vorderseite
wird dann eine als Antireflexschicht dienende Dielektrikumschicht 19 erzeugt. Die
Rückseite
der Solarzelle 1 wird mittels Siebdruck mit einer Aluminium-Paste
bedruckt und anschließend
bei Temperaturen von 750–900°C für 1–30 Sekunden
beispielsweise in einem konventionellen, in der Industrie eingesetzten
Durchlauffeuerofen gefeuert. Bei diesem Prozess wird ein Aluminium-dotierter p+-leitender Siliziumbereich 13 gebildet,
der als BSF für
die Solarzelle wirkt. Die ganzflächig
metallisierte p-leitende Rückseitenoberfläche wird
anschließend nasschemisch
für die
Passivierung vorbereitet, indem die verbleibende Al-Siebdruckpaste
zusammen mit dem sich im Feuerprozess bildenden Al-Si-Eutektikum
z. B. in einer auf ca. 100°C
erhitzten 37%igen Salzsäurelösung entfernt
wird und der Aluminium-dotierte Siliziumbereich 13 um 0,1–5 μm in 50%iger KOH
Lösung
rückgeätzt wird.
Die derart gereinigte Siliziumoberfläche des BSF kann dann mit einer
Dielektrikumschicht 15 aus Siliziumnitrid (SiNx)
im PECVD-Verfahren beschichtet werden. Für die elektrische Kontaktierung
des Emitters 5 wie auch des Aluminium-dotierten Siliziumbereichs 13 des
BSF wird eine Ag-Fingerstruktur mittels Siebdruck auf die mit den
Dielektrikumschichten 15, 19 beschichteten Halbleiteroberflächen aufgebracht
und bei einem Hochtemperaturfeuerschritt bei ca. 750–900°C durch die
SiNx-Schichten gefeuert. Bei diesem Hochtemperaturschritt
kann es zu einer Diffusion von in den Dielektrikumschichten 15, 19 enthaltenem
Wasserstoff an die Grenzfläche
mit dem angrenzenden Siliziumsubstrat und somit zu einer effektiven
Oberflächenpassivierung
kommen.
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2 zeigt
eine alternative Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Solarzelle 51.
Es handelt sich dabei um eine Solarzelle auf Basis eines n-Typ-Siliziumwafers
mit rückseitigem
p+-Emitter.
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Auf
die rückseitige
Oberfläche
eines Siliziumsubstrates 52 wird eine Al-haltige Paste
aufgedruckt und eingefeuert. Es bildet sich ein als p+-dotierter
Emitter 55 wirkender Aluminium-dotierter Siliziumbereich 63 angrenzend
an die Basis 53. Überschüssiges Aluminium
wird dann in HCl weggeätzt und
der Emitter 55 in KOH zurückgeätzt. Anschließend werden
Siliziumnitridschichten 65, 69 auf Vorder- und
Rückseite
abgeschieden. Danach werden Vorder- und Rückseitenkontakte 59 aufgedruckt
und eingefeuert.
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Ein
Vorteil des vorgestellten Verfahrens ist, dass die volle Passivierwirkung
der SiNx-Schicht auf der p-leitenden, Al-dotierten
Siliziumoberfläche
häufig
erst nach einem kurzen Hochtemperaturschritt erreicht wird. Die
Passivierwirkung kann vorteilhaft gleichzeitig mit dem elektrischen
Kontaktieren der Vorder- und der Rückseite der Solarzelle industrienah
in einem einzigen Feuerschritt, also mittels Co-Feuern, erreicht
werden.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Solarzelle ist, dass aufgrund
der über
die gesamte Solarzellenfläche
ausgedehnten Emitter- bzw. BSF-Gebiete kein lateraler Stromfluss
auftritt, so dass kaum Einschränkungen
bezüglich
des spezifischen Widerstandes des Siliziumsubstrats bestehen und
damit auch relativ hochohmige Siliziumsubstrate verwendet werden
können.
Hochohmiges Silizium weist in der Regel erheblich höhere Ladungsträgerlebensdauern
auf als niederohmiges Material, was zu erhöhten Solarzellenwirkungsgraden
führen
kann.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil der erfindungsgemäßen Solarzelle
ist, dass sie beidseitig lichtempfindlich ausgebildet werden kann
und daher auch für
Spezialanwendungen eingesetzt werden kann, z. B. in Aufständerungen
mit einem Reflektor hinter der Solarzelle, der einen Teil der Sonneneinstrahlung
auf die Rückseite
der Solarzelle lenkt.
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Abschließend wird
darauf hingewiesen, dass die Begriffe „umfassen”, „aufweisen” etc. das Vorhandensein weiterer
Elemente nicht ausschließen.
Der Begriff „ein” schließt auch
das Vorhandensein einer Mehrzahl von Gegenständen nicht aus. Die Bezugszeichen
in den Ansprüchen
dienen lediglich der besseren Lesbarkeit und sollen den Schutzbereich
der Ansprüche
in keiner Weise einschränken.