DE102008052660A1

DE102008052660A1 - Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit einer zweistufigen Dotierung

Info

Publication number: DE102008052660A1
Application number: DE102008052660A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Krümberg; Ihor Dr. Melnyk; Eva-Maria Dr. Holbig; Michael Dr. Schmidt; Steffen Dr. KELLER; Peter Dr. Fath; Reinhold Dr. Schlosser
Original assignee: GP Solar GmbH
Current assignee: GP Solar GmbH
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2010-03-04
Also published as: EP2311103A1; US20110186116A1; KR20110019769A; WO2010010462A1; CN102124572A

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit einer zweistufigen Dotierung (9, 11) aufweisend die Verfahrensschritte des starken Dotierens (50) zumindest eines Teils des Solarzellensubstrats (1), des wenigstens zeitweisen Schützens von dotierten Bereichen (8), in welchen stark dotierte Bereiche (9) der zweistufigen Dotierung (9, 11) ausgebildet werden sollen, gegenüber einem Ätzmedium und des Zurückätzens (54; 62, 64; 72, 74) ungeschützter dotierter Bereiche (17) des Solarzellensubstrats (1) mittels des Ätzmediums, wobei zum Zwecke des Schützens der dotierten Bereiche Opferstrukturen (7) auf die zu schützenden Bereiche (8) aufgebracht werden (52), welche beim Zurückätzen (54; 62, 64; 72, 74) der ungeschützten dotierten Bereiche wenigstens teilweise geätzt werden (54; 62, 64; 72, 74).

Description

Bei der Solarzellenherstellung wird stets angestrebt, Solarzellen mit höheren Wirkungsgraden zu fertigen. Ein Ansatz hierfür ist der Einsatz einer zweistufigen Dotierung zur Ausbildung eines zweistufigen Emitters. Diese Vorgehensweise 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 aufgrund von Ladungsträgerrekombinationen mit Verlusten behaftet ist, wodurch der Wirkungsgrad negativ 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 Bereich eines Emitters ist vorliegend ein Emitterbereich 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 Emitterbereich wird vorliegend unter einem schwach dotierten Bereich eines Emitters eine Dotierung verstanden, die zu einem Schichtwiderstand von üblicherweise mehr als 70 Ω/sq führt. Dem Fachmann ist dabei klar, dass der genannte Wert bei tief eingetriebenen Emittern geringer ausfallen kann.
Eine zweistufige Dotierung ist nicht allein bei einem Emitter gewinnbringend einsetzbar. Beispielsweise kann ein Solarzel lensubstrat eine zweistufige Volumendotierung aufweisen oder ein Rückseitenfeld einer Solarzelle als zweistufige Dotierung ausgeführt sein. Allgemein ist der Begriff der „schwachen” Dotierung bzw. der „schwach” dotierten Bereiche, stets im Verhältnis zu dem zugehörigen stark dotierten Bereich gleicher Art zu sehen; im Falle eines schwach dotierten Bereichs eines Emitters also im Vergleich zu einem stark dotieren Bereich des Emitters, nicht hingegen in Relation zu beispielsweise einem stark dotierten Bereich eines Rückseitenfeldes.
Es ist demzufolge 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 eingangs genannten Schichtwiderstände zur Abgrenzung eines stark dotierten Bereichs eines Emitters von einem schwach dotieren Bereich eines Emitters 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 Solarzellensubstrats und einem zweistufigen Emitter aus, so wäre der Schichtwiderstand des stark dotierten Volumenbereichs des Solarzellensubstrats sehr viel höher als der Schichtwiderstand des schwach dotierten Bereichs des Emitters.
Gemäß den obigen Ausführungen sind die Schichtwiderstände bei zweistufigen Rückseitenfeldern und deren Relation zueinander 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 Solarzelle mit konventioneller, industriell angewandter Siebdrucktechnologie haben sich Schichtwiderstände von weniger als etwa 60 Q/sq unter den zu kontaktierenden Bereichen und vor mehr als etwa 60 Ω/sq zwischen den zu kontaktierenden Bereichen bewährt.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Herstellung eines zweistufigen Emitters, welcher auch als selektiver Emitter bezeichnet wird, bekannt, bei welchen nach einer flächigen, starken Emitterdiffusion die stark zu dotierenden Bereiche des Emitters mit einem ätzresistenten Lack, in der Regel eine Polymerverbindung, maskiert und die unmaskierten Bereiche zurückgeätzt werden. Nach Abschluss des Ätzvorgangs wird die Maskierung entfernt. In den zuvor maskierten Bereichen liegt nunmehr ein stark dotierter Emitterbereich vor, in den zurück geätzten Bereichen hingegen wurden stark dotierte Bereiche des Solarzellensubstrats abgeätzt, sodass lediglich eine schwache Dotierung in diesen Bereichen verbleibt. Die bei diesen Verfahren als Maskierung einsetzten ätzresistenten Polymere bzw. Polymerverbindungen sind zwar im Laufe des Solarzellenherstellungsprozesses gut handhabbar, ihre Entsorgung nach Entfernung der Maskierung ist jedoch aufwändig und infolgedessen kostenintensiv. Dies gilt in gleicher Weise für die zur Entfernung der Maskierung eingesetzten Lösungsmittel. Die verwendeten Polymerverbindungen und Lösungsmittel erfordern überdies aufwändige Schutzmaßnahmen in der Fertigung, beispielsweise einen Explosionsschutz. Derselbe Aufwand ist erforderlich für die Ausbildung anderer zweistufiger Dotierungen, beispielsweise eines zweistufigen Rückseitenfeldes.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels welchem eine Solarzelle mit einer zweistufigen Dotierung aufwandsgünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Unteransprüche.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, nach einem starken Dotieren zumindest eines Teils eines Solarzellensubstrats diejenigen dotierten Bereiche, in welchen stark dotierte Bereiche der zweistufigen Dotierung ausgebildet werden sollen, gegenüber einen Ätzmedium zu schützen, indem Opferstrukturen auf die zu schützenden Bereiche aufgebracht werden, welche bei einem nachfolgenden Zurückätzen ungeschützter dotierter Bereiche des Solarzellensubstrats mittels des Ätzmediums wenigstens teilweise geätzt werden.
Unter einem Zurückätzen ist dabei ein Ätzen zu verstehen, bei welchem das geätzte Objekt nicht vollständig entfernt wird. Es wird also nur ein Teil der ungeschützten dotierten Bereiche des Solarzellensubstrats bei dem Zurückätzen entfernt. Es verbleiben ungeschützte Bereiche, welche nach wie vor dotiert sind, jedoch ist die Dotierstoffkonzentration infolge des Zurückätzens geringer.
Bei den Opferstrukturen handelt es sich um Materialien, welche während des Zurückätzens von einem verwendeten Ätzmedium angegriffen, also geätzt werden. In welcher Weise die Opferstrukturen während des Zurückätzens geätzt werden ist unerheblich. Beispielsweise kann das Ätzen der Opferstrukturen in einem oberflächigen Materialabtrag oder aber auch nur in einer Aufrauung der Oberfläche oder einem punktuellen Ätzen bestehen.
Die Schutzwirkung der Opferstrukturen bestehen darin, dass während des Zurückätzens zunächst sie angegriffen, d. h. geätzt, werden und nicht die dotierten Bereiche, auf welchen sie angeordnet sind. Je nach gewählten Materialien für das Ätzmedium und für die Opferstrukturen und in Abhängigkeit von der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Opferstrukturen in anderen Formen auszubilden. Werden die Opferstrukturen beispielsweise in ähnlichem Umfang von dem verwendeten Ätzmedium angegriffen wie ungeschützte Bereiche des Solarzellensubstrats, so sind die Opferstrukturen in größerer Dicke auszubilden als bei einer Materialwahl für Ätzmedium und Opferstrukturen, bei welcher die Opferstrukturen von dem verwendeten Ätzmedium deutlich weniger stark angegriffen werden als die ungeschützten Bereiche des Solarzellensubstrats. Maßgeblich ist, die unterhalb der Opferstrukturen gelegenen Bereiche hinreichend lange vor dem Einfluss des Ätzmediums zu schützen, sodass sich der gewünschte Unterschied in der Dotierstoffkonzentration in den geschützten und ungeschützten dotierten Bereichen des Solarzellensubstrats einstellt, d. h. die stark dotierten Bereiche eine im gewünschten Umfang stärkere Dotierung aufweisen als die Mangels eines Schutzes im Ergebnis schwächer dotierten Bereiche des Solarzellensubstrats.
Durch den Einsatz von Opferstrukturen anstelle von Ätzbarrieren wird das Spektrum der zum Schutz von dotierten Bereichen des Solarzellensubstrats verwendbaren Materialien erheblich erweitert. Infolgedessen kann auf den Einsatz aufwändig zu entsorgender Maskierungen sowie aufwändig zu entsorgender Lösungsmittel für die Entfernung der Maskierung verzichtet werden. Überdies können aufwändige Schutzmaßnahmen in der Fertigung, beispielsweise ein Explosionsschutz wie ihn ätzresistente Maskierungen und zugehörige Lösungsmittel erfordern, unterbleiben.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung werden die Opferstrukturen aus im Wesentlichen anorganischen Materialien gebildet. D. h., ihr Gehalt an anorganischen Substanzen ist derart ausgestaltet, dass die ausgebildeten Opferstrukturen mittels anorganischer Ätzmedien bzw. Lösungsmittel geätzt bzw. gelöst werden können. Es können somit grundsätzlich auch organische Substanzen enthalten sein, sofern diese nicht den Einsatz von anorganischen Lösungsmitteln bedingen. Somit können die aufgebrachten Materialien beispielsweise organische Bestandteile enthalten, die das Aufbringen der Materialien auf das Solarzellensubstrat erleichtern. Diese können entweder in der letztlich gebildeten Opferstruktur verbleiben, sofern das beschriebene Verhalten gegenüber Ätzmedien bzw. Lösungsmitteln gewährleistet ist. Alternativ können Sie vor dem Zurückätzen in einem Stabilisierungsschritt ausgetrieben werden. So können beispielsweise Pasten organische Bestandteile enthalten, die ein Aufbringen der Materialien zur Ausbildung der Opferstrukturen mittels Drucken der Paste, insbesondere mittels Siebdruck, erleichtern. Diese werden dann jedoch in einem Temper- oder Sinterschritt vor dem Zurückätzen ausgegast, verbrannt oder anderweitig reduziert.
Da in der Halbleitertechnologie in großem Umfang anorganische Materialien Verwendung finden, im Bereich der Solarzellenfertigung insbesondere Silizium, sind benötigte anorganische Technologien bereits vorhanden und erprobt, insbesondere Technologien zur Applizierung und Entfernung anorganischer Materialien. Auch stehen entwickelte und erprobte Gerätschaften für die industrielle Fertigung zur Verfügung.
Vorzugsweise wird als Opferstruktur ein Glas vorgesehen, beispielsweise Siliziumdioxid. Dieses kann in Form einer Paste mit organischen Zusätzen, die ein Sieb- oder Spritzendrucken dieser Paste ermöglichen, auf das Solarzellensubstrat aufge bracht und die Opferstruktur in einem nachfolgenden Sinterschritt ausgebildet werden.
An im Wesentlichen anorganischen Materialien besteht eine große Auswahl, beispielsweise kann alternativ oder ergänzend zu Siliziumdioxid Boraxglas Verwendung finden.
In einer Ausgestaltungsvariante der Erfindung werden die Opferstrukturen aus einem Material gebildet, welches eine bei niedrigen Temperaturen schmelzende Substanz aufweist, sodass die Opferstruktur durch Erhitzen auf das Solarzellensubstrat aufgeschmolzen werden kann. Dies hat jedoch bei einer möglichst niedrigen Temperatur zu erfolgen, da anderenfalls zum einen eine Beeinträchtigung des Dotierprofils in dem Solarzellensubstrat erfolgen kann, andererseits die Gefahr eines Verunreinigungseintrags in das Solarzellensubstrat besteht, was sich beides negativ auf den Wirkungsgrad der gefertigten Solarzelle auswirken kann. Das verwendete Material sollte daher bei einer Temperatur unterhalb von 800°C, vorzugsweise unterhalb von 600°C, aufschmelzbar sein.
Eine bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass als Material für die Ausbildung der Opferstrukturen eine Paste aufgebracht wird. Dies erfolgt vorzugsweise mittels eines an sich bekannten Druckverfahrens wie Sieb-, Rollen- oder Spritzendruck und ermöglicht eine einfache und genaue Aufbringung der Opferstrukturen. Zudem können bereits in der Solarzellenfertigung eingesetzte und erprobte Technologien zum Einsatz kommen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung werden die Opferstrukturen vor dem Schritt des Zurückätzens thermisch behandelt, vorzugsweise getempert, gesintert oder geschmolzen. Je nach eingesetzten Materialien für die Opfer strukturen bringt dies unterschiedliche Vorteile mit sich. Bei Verwendung von Pasten zur Aufbringung der Opferstruktur kann beispielsweise, wie oben dargelegt, durch ein Tempern ein organischer Bestandteil der Paste ausgegast, verbrannt oder anderweitig reduziert werden. Die thermische Behandlung kann weiterhin zur Verfestigung der Opferstrukturen dienen, sodass diese gegenüber einem eingesetzten Ätzmedium widerstandsfähiger sind. Zudem kann die Haftung der Opferstrukturen auf den zu schützenden Bereichen ausgebildet bzw. verbessert werden. Bei Verwendung eines Glases, beispielsweise Siliziumdioxid, kann durch die thermische Behandlung ein geschlossener Glaskörper lokal auf den zu schützenden Bereichen mit einer geschlossenen Oberfläche ausgebildet und zugleich mittels Verschmelzen mit dem Solarzellensubstrat, beispielsweise einem Siliziumsolarzellensubstrat, mit diesem verbunden werden.
Als Ätzmedium für das Zurückätzen ungeschützter dotierter Bereiche kann grundsätzlich sowohl ein Ätzplasma wie auch eine Ätzlösung Verwendung finden. Bevorzugt wird eine Ätzlösung verwendet, welche Salpetersäure und Flusssäure enthält. Diese Ätzlösung hat sich insbesondere bei Siliziumsolarzellensubstraten bewährt und ätzt beispielsweise auch eine aus siliziumdioxidhaltigem Glas gebildete Opferstruktur. Der benötigte gleichmäßige Abtrag des Solarzellensubstrats wird durch prozesstechnisch einstellbare Bedingungen wie Temperatur, Konzentration, Durchflussrate und Zusammensetzung sowie Wassergehalt bestimmt und gewährleistet.
Eine Ausgestaltungsvariante der Erfindung sieht vor, dass das Zurückätzen beendet wird, bevor die Opferstrukturen zumindest stellenweise vollständig abgeätzt sind. Auf diese Weise wird verhindert, dass unter den Opferstrukturen liegende Bereiche angegriffen werden. Die verbleibenden Opferstrukturen werden vorteilhafterweise sodann in einem nachfolgenden Verfahrens schritt entfernt. Im Falle von siliziumdioxidhaltigen Opferstrukturen kann dies beispielsweise mit Hilfe einer Flusssäurelösung erfolgen. Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante werden verbliebene, glashaltige Opferstrukturenreste mit einer Ätzlösung entfernt, welche 1 bis 10 Flusssäure enthält. Einer solchen Ätzlösung werden die Opferstrukturenreste während einer Zeit im Bereich von 1 bis 10 Minuten ausgesetzt, wobei sich die Ätzlösung auf einer Temperatur im Bereich von 20 bis 80°C befindet. Ein solcher weiterer Ätzschritt zur Entfernung der verbliebenen Opferstrukturenreste ist einfach in eine automatische Fertigungslinie integrierbar, was häufig als Inline-Fähigkeit bezeichnet wird, und hat sich insbesondere bei Siliziumsolarzellensubstraten und glashaltigen Opferstrukturen bewährt.
Bei einer anderen Ausgestaltungsvariante der Erfindung werden die Opferstrukturen während des Zurückätzens vollständig entfernt. Da das Ätzmedium erst dann an die stark zu dotierenden Bereiche gelangt, wenn die Opferstrukturen bereits entfernt sind, stellt sich dennoch eine zweistufige Dotierung ein, da die ungeschützten Bereiche bereits von Beginn an dem Ätzmedium ausgesetzt waren und daher stärker zurückgeätzt sind. Es ergibt sich somit auch hier eine zweistufige Dotierung. Vorteilhafterweise entfällt jedoch der gesonderte Verfahrensschritt des Entfernens der Opferstrukturenreste.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass zum Zwecke des Zurückätzens zumindest in ungeschützten dotierten Bereichen des Solarzellensubstrats aus Material des Solarzellensubstrats eine poröse Schicht ausgebildet und nachfolgend entfernt wird. Das Ausbilden der porösen Schicht erfolgt vorzugsweise durch Ätzen, besonders bevorzugt durch ein nasschemisches Ätzen von zumindest Teilen des Solarzellensubstrats. Wird beispielsweise ein Solarzellensubstrat aus Silizium verwendet, so wird demnach zumindest auf den späteren hochohmigen Bereichen einer zweistufigen Dotierung, also auf denjenigen Bereichen, welche nicht durch Opferstrukturen geschützt sind, poröses Silizium ausgebildet. Wie beschrieben erfolgt dies vorzugsweise durch ein nasschemisches Ätzen. Das poröse Silizium wird also aus dem Siliziummaterial des Solarzellensubstrats gebildet.
Die Ausbildung einer porösen Schicht und anschließende Ätzung, d. h. Entfernung, derselben ermöglicht ein homogeneres Zurückätzen der ungeschützten dotierten Bereiche. Wird beispielsweise ein Emitter als zweistufige Dotierung ausgeführt, so führt dies zu einem höherwertigen Emitter, welcher letztlich Solarzellen mit höheren Wirkungsgraden ermöglicht. Die Möglichkeit des homogeneren Ätzens ist insbesondere bei multikristallinen Solarzellensubstraten vorteilhaft, da hier eine Vielzahl eingesetzter Ätzlösungen Korngrenzen zwischen den Körnern des Solarzellensubstrats stärker ätzen als die Körner selbst und teilweise auch Körner mit verschiedenen Orientierungen unterschiedlich stark geätzt werden.
Bevorzugt wird die poröse Schicht mittels einer basischen Ätzlösung entfernt, vorzugsweise mit einer Ätzlösung welche Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid und/oder Ammoniumhydroxid enthält. Es hat sich gezeigt, dass mit diesen Ätzlösungen ein besonders homogenes Zurückätzen, insbesondere von Siliziumsolarzellensubstraten, möglich ist. Das Zurückätzen poröser Schichten mit den genannten Ätzlösungen liefert dabei homogenere Ätzergebnisse als die Verwendung der genannten Ätzlösungen ohne vorherige Ausbildung einer porösen Schicht.
Wird das Zurückätzen in Verbindung mit der Ausbildung einer porösen Schicht realisiert und sollen die Opferstrukturen während des Zurückätzens vollständig entfernt werden, so sieht eine bevorzugte Ausgestaltungsvariante der Erfindung vor, dass die Opferstrukturenreste zusammen mit der porösen Schicht entfernt werden. Auf diese Weise entfällt ein gesonderter Verfahrensschritt zur Entfernung der Opferstrukturenreste.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung wird ein Emitter oder ein Rückseitenfeld als zweistufige Dotierung ausgeführt. Ein solcher zweistufiger Emitter wird häufig als selektiver Emitter, ein zweistufiges Rückseitenfeld als Back-Surface-Field bezeichnet.
Es hat sich gezeigt, dass die Erfindung vorteilhaft bei Solarzellensubstraten aus Silizium einsetzbar ist, welche gegenwärtig in der industriellen Fertigung bereits im großen Maßstab verwendet werden. Dementsprechend sieht eine Ausführungsvariante vor, dass ein Solarzellensubstrat aus Silizium verwendet wird, vorzugsweise ein kristallines und besonders bevorzugt ein multikristallines Siliziumsolarzellensubstrat.
Werden Solarzellensubstrate aus Silizium eingesetzt, so hat es sich als zweckmäßig erwiesen, zur Ausbildung der Opferstrukturen Materialien einzusetzen, welche Glas in Form einer Siliziumverbindung enthalten. Beispielsweise können siliziumdioxidhaltige Materialien oder silikatglashaltige Materialien eingesetzt werden. Zum Zwecke des Zurückätzens von Opferstrukturresten hat sich in diesem Fall die oben beschriebene 1 bis 10-%-ige Flusssäurelösung und der ebenfalls oben beschriebene weitere Ätzschritt zur Entfernung der Opferstrukturenreste besonders bewährt. Zudem hat sich gezeigt, dass eine poröse Siliziumschicht mit den oben erörterten basischen Ätzlösungen komfortabel entfernt werden kann.
Eine Solarzelle mit einem für Solarzellen mit zweistufiger Dotierung, insbesondere einem zweistufigen Emitter, typischen Wirkungsgrad, sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufwandsgünstig herstellbar. Insbesondere können Solarzellen mit einem zweistufigen Emitter und/oder einem zweistufigen Rückseitenfeld aufwandsgünstig hergestellt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Soweit zweckmäßig, sind hierin gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1: Schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2: Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem eine poröse Schicht ausgebildet wird, in schematischer Darstellung.
3: Schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem wiederum eine poröse Schicht ausgebildet wird.
4: Solarzelle mit zweistufigen Dotierungen gemäß dem Stand der Technik in schematischer Darstellung.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Den Ausgangspunkt bildet hierin ein Solarzellensubstrat 1, welches an seiner Vorderseite mit einer Texturierung 5 versehen ist. Die Vorderseite ist dabei diejenige großflächige Seite des Solarzellensubstrats 1, welche bei Verwendung der Solarzelle dem einfallenden Licht ausgesetzt wird. Eine solche Texturierung 5 erhöht den Wirkungsgrad infolge einer Verringerung der Reflexion des einfallenden Lichts an der Oberfläche der fertigen Solarzelle, ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Sie illustriert vorliegend aber, dass das erfindungsgemäße Verfahren unter anderem auf texturierte Solarzellensubstrate anwendbar ist. Zwar wird die Erfindung vorliegend anhand einseitig lichtempfindlicher Solarzellen, so genannter Monofacialzellen, erläutert, doch ist sie offensichtlich bei der Herstellung von beidseitig lichtempfindlichen Bifacialzellen gleichermaßen verwendbar.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Ausführungsbeispiel der 1 zunächst die Vorderseite des Solarzellensubstrats stark dotiert 50, sodass ein dotierter Bereich 3 ausgebildet wird. Eine solche starke Dotierung kann beispielsweise durch Eindiffusion eines Dotierstoffes aus der Gasphase, insbesondere eine POCl₃- oder eine BBr₃-Diffusion, erfolgen. Grundsätzlich kann jedoch auch jede andere an sich bekannte Dotierungstechnologie Verwendung finden.
Im Weiteren werden Opferstrukturen 7 auf zu schützende Bereiche 8 aufgebracht und gesintert 52. Dies kann beispielsweise durch Siebdrucken einer glashaltigen, insbesondere einer siliziumdioxidhaltigen Paste erfolgen, welche nachfolgend gesintert wird, um organische Lösungsmittel auszutreiben und eine Glasstruktur auf das Solarzellensubstrat aufzubringen, bei Bedarf kann diese Glasschicht auch auf das Solarzellensubstrat 1 aufgeschmolzen werden.
Die aufgebrachten Opferstrukturen 7 überdecken die zu schützenden Bereiche 8 und verhindern auf diese Weise, dass ein Ätzmedium mit diesen zu schützenden Bereichen 8 in Kontakt kommt. Diese zu schützenden Bereiche 8 sind dabei diejenigen Bereiche, in welchen stark dotierte Bereiche einer zweistufigen Dotierung ausgebildet werden sollen.
Nachfolgend werden die ungeschützten dotierten Bereiche 17 zurückgeätzt 54. Wie der Darstellung der 1 entnommen werden kann, werden dabei jedoch nicht nur die ungeschützten dotierten Bereiche 17 zurückgeätzt, sondern die Opferstrukturen 7 erfahren ebenfalls einen Materialabtrag, sodass von diesen lediglich Opferstrukturreste 13 verbleiben. Die unter den Opferstrukturen 7 gelegenen und dadurch geschützten Bereiche erfahren hingegen keinen Materialabtrag. Infolgedessen ist dort die anfänglich ausgebildete starke Dotierung weiterhin vorhanden und bildet den stark dotierten Bereich 9 der zweistufigen Dotierung. In den ungeschützten dotierten Bereichen 17 hingegen ist infolge des Zurückätzens die Dotierstoffkonzentration geringer, sodass hier die schwach dotierten Bereiche 11 der zweistufigen Dotierung vorliegen.
Bei dem Solarzellensubstrat 1 aus 1 könnte es sich beispielsweise um ein Siliziumsolarzellensubstrat handeln, bei welchem Opferstrukturen aus Siliziumdioxid ausgebildet wurden. Das Zurückätzen erfolgte in diesem Beispiel unter Verwendung. einer Silizium ätzenden Lösung und könnte beispielsweise vorteilhaft unter Verwendung einer Ätzlösung erfolgen, welche Salpetersäure und Flusssäure enthält. Diese würde auch die aus Siliziumdioxid gebildeten Opferstrukturen wie in 1 dargestellt abtragen. Wie viel Material von den ungeschützten dotierten Bereichen abzutragen ist, richtet sich nach dem gewünschten Dotierungsprofil. In der Praxis hat sich ein Ätzabtrag von etwa 10 bis 200 nm bewährt.
Nach dem Zurückätzen 54 der ungeschützten dotierten Bereiche werden in dem Ausführungsbeispiel der 1 die Opferstrukturreste 13 entfernt 56. Unter anderem in dem im vorigen Absatz geschilderten Beispiel eines Siliziumsolarzellensubstrats, kann dies mit einer Flusssäure enthaltenden Lösung erfolgen. Hierfür hat sich eine 1 bis 10%ige Flusssäurelösung bewährt, welcher zumindest die Opferstrukturen bei einer Temperatur von etwa 20 bis 80°C für etwa 1 bis 10 Minuten ausgesetzt werden. Dieser Lösung kann ohne unverhältnismäßige Beeinträchtigung der starken neuen wie auch der schwach dotierten Bereiche 11 der zweistufigen Dotierung auch das gesamte Solarzellensubstrat ausgesetzt werden. Bei Verwendung der flusssäurehaltigen Lösung lässt sich der weitere Verfahrensschritt des Entfernens 56 der Opferstrukturreste 13 einfach in Fertigungslinien integrieren. Die so genannte Inline-Fähigkeit dieses weiteren Ätzschrittes ist demzufolge gegeben.
Gemäß der Darstellung der 1 werden im Weiteren Kontakte 15 auf die stark dotierten Bereiche 9 der zweistufigen Dotierung, welche aus den stark dotierten Bereichen 9 und den schwach dotierten Bereichen 11 gebildet ist, aufgebracht 58. Vor dem Aufbringen 58 der Kontakte 15 können offensichtlich zusätzliche Schritte der Oberflächenbehandlung durchgeführt werden. Beispielsweise kann eine Passivierung der zweistufigen Dotierung 9, 11 bzw. bei entsprechender Ausbildung des selektiven Emitters 9, 11, mittels einer Passivierungsschicht erfolgen und/oder eine Antireflexionsbeschichtung aufgebracht werden. Als Passivierungsschicht kommt beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht in Frage, eine Antireflexionsbeschichtung könnte beispielsweise mittels einer Siliziumnitratabscheidung realisiert werden.
Die Kontakte 15 können zum Beispiel in an sich bekannter Weise durch Aufdrucken metallhaltiger Pasten aufgebracht werden. Hierfür kommen grundsätzlich alle gängigen Druckverfahren in Frage, insbesondere Sieb-, Stempel- oder Spritzendruck. Grundsätzlich können die Kontakte 15 auch auf andere Weise aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufdampfen, doch ist dies in der Regel mit einem erhöhten Fertigungsaufwand verbunden.
2 illustriert in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wiederum wird zunächst ein Solarzellensubstrat 1 stark dotiert 50 und infolgedessen ein dotierter Bereich 3 ausgebildet. Im Unterschied zur Darstellung der 1 findet hier jedoch ein Solarzellensubstrat 1 ohne Texturierung Verwendung. Eine solche könnte jedoch ohne weiteres vorgesehen werden.
Im Weiteren werden wiederum zunächst Opferstrukturen 7 auf das Solarzellensubstrat aufgebracht 52 und, soweit erforderlich, thermisch behandelt, insbesondere gesintert 52.
Zum Zwecke des Zurückätzens ungeschützter dotierter Bereiche 17 wird in diesem Ausführungsbeispiel zunächst eine poröse Schicht 19 aus Solarzellensubstratmaterial ausgebildet 62. Dies kann beispielsweise durch Ätzen dieser Bereiche 17 erfolgen. Bevorzugt wird zur Ausbildung der porösen Schicht 19 aus Solarzellensubstratmaterial eine nasschemische Ätzlösung eingesetzt, in welche das Solarzellensubstrat zumindest teilweise eingetaucht wird. Im dargestellten Fall der 2 wurde die Oberseite des Solarzellensubstrats einer solchen Ätzlösung ausgesetzt. Infolgedessen wurde die poröse Schicht 19 in den ungeschützten dotierten Bereichen 17 ausgebildet. Jedoch die Opferstrukturen 7 wurden im vorliegenden Ausführungsbeispiel ebenfalls von dieser nasschemischen Ätzlösung zur Ausbildung der porösen Schicht 19 angegriffen. Dies resultiert in den Ätzschäden 21 an den Opferstrukturen 7.
Welcher Art diese Ätzschäden 21 an Opferstrukturen sind, hängt von der Materialwahl für die Opferstrukturen und von der Zusammensetzung der Ätzlösung zur Ausbildung der porösen Schicht 19 ab. So kann beispielsweise ein gleichmäßiger, flächiger Abtrag der Opferstrukturen 7 erfolgen, während in den ungeschützten dotierten Bereichen 17 des Solarzellensubstrats 1 poröse Schichten 19 ausgebildet werden. Denkbar ist auch noch, dass die verwendete Ätzlösung poröse Schichten sowohl in den ungeschützten dotierten Bereichen 17 ausbildet, als auch die Ätzschäden 21 an den Opferstrukturen poröser Art sind. Dies wäre insbesondere der Fall, wenn die Opferstrukturen 7 aus dem gleichen Material gebildet sind wie das Solarzellensubstrat 1. Von der Materialwahl hängt zudem die Ätzgeschwindigkeit an den Opferstrukturen 7 und den ungeschützten dotierten Bereichen 17 ab, welche voneinander abweichen können.
Im Weiteren wird die poröse Schicht 19 entfernt 64. Im dargestellten Ausführungsbeispiel der 2 erfolgt gleichzeitig ein Abtrag an den Opferstrukturen, sodass lediglich Opferstrukturreste 23 verbleiben. Unter diesen Opferstrukturresten 23 sind in Folge des Schutzes durch die Opferstrukturen 7 nach wie vor stark dotierte Bereiche 9 vorhanden. In den ungeschützten dotierten Bereichen 17 hingegen liegt wiederum infolge des Materialabtrags nur noch eine schwache Dotierung vor, sodass die resultierenden schwach dotierten Bereiche 11 zusammen mit den stark dotierten Bereichen 9 die gewünschte zweistufige Dotierung bilden.
Analog dem Ausführungsbeispiel der 1 werden im Weiteren die Opferstrukturreste 23 mit Hilfe eines weiteren Ätzschritts entfernt 56. Wie oben beschrieben, können sich im Weiteren zusätzliche bekannte Verfahrensschritte anschließen, beispielsweise das Aufbringen einer oberflächenpassivierenden Schicht oder einer Antireflexbeschichtung. Im Weiteren werden wiederum Kontakte 15 auf die stark dotierten Bereiche 9 der zweistufigen Dotierung 9, 11 aufgebracht 58.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens illustriert 3. Ausgangspunkt bildet erneut ein Solarzellensubstrat 1 ohne Texturierung, welche jedoch ohne weiteres vorgesehen sein kann. Zunächst wird wiederum das Solarzellensubstrat 1 an der Vorderseite stark dotiert 50. In allen Ausführungsbeispielen ist eine Beschränkung der starken Dotierung auf eine Teilfläche des Solarzellensubstrats 1 nicht zwingend erforderlich. Grundsätzlich kann sich der stark do tierte Bereich 3 auch über die gesamte Oberfläche des Solarzellensubstrats erstrecken. In diesem Fall wäre er jedoch zu einem späteren Zeitpunkt an geeigneten Stellen mittels einer Eindiffusion von Dotierstoff des entgegen gesetzten Typs überzukompensieren oder teilweise zu entfernen.
Ähnlich wie in den Fällen der Ausführungsbeispiele in den 2 und 3 werden im Weiteren Opferstrukturen 7 auf das Solarzellensubstrat 1 aufgebracht. Zum Zwecke des Zurückätzens ungeschützter dotierter Bereiche 17 wird im Weiteren wiederum eine poröse Schicht 19 ausgebildet 72. Die Materialwahl ist dabei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel derart erfolgt, dass das zur Ausbildung der porösen Schicht 19 eingesetzte Ätzmedium, insbesondere eine Ätzlösung, die Opferstrukturen 7 flächig ätzt, sodass diese während des Ausbildens der porösen Schicht 19 abgetragen werden. Im Falle eines Solarzellensubstrates 1 aus Silizium, könnte dies beispielsweise durch Verwendung von Siliziumdioxid als Opferstruktur und den Einsatz einer flusssäurehaltigen Ätzlösung zur Ausbildung der porösen Schicht 19 erfolgen.
In dem geschilderten Fall hängt es somit von der Ätzdauer und der Dicke der Opferstrukturen 7 ab, ob bei Beendigung des Ätzvorgangs zum Ausbilden 72 der porösen Schicht 19 noch Reste der Opferstrukturen 7 vorliegen oder nicht. Im in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist dies nicht der Fall. Durch das zum Ausbilden 72 der porösen Schicht 19 eingesetzte Ätzmedium wurden die Opferstrukturen 7 vollständig abgetragen. Infolgedessen sind die vormals durch die Opferstrukturen 7 geschützten Bereiche 25 angeätzt worden. D. h. es wurde hier eine poröse Schicht ausgebildet, welche jedoch wesentlich dünner ist als die poröse Schicht 19 in den ungeschützten dotierten Bereichen 17.
In Folge werden bei dem nachfolgenden Entfernen 74 der porösen Schicht 19 auch die angeätzten, vormals geschützten dotierten Bereiche 25 entfernt. Da diese jedoch wesentlich dünner sind als die porösen Schichten 19 in den ungeschützten dotierten Bereichen 17 erfolgt hier ein geringerer Materialabtrag, was letztlich darauf zurückzuführen ist, dass Ätzmedien, insbesondere Ätzlösungen, eingesetzt werden, welche poröse Schichten 19, 25 schneller Ätzen als Bereiche in welchen das Solarzellensubstrat 1 nach wie vor massiv vorliegt. Als solche Ätzlösungen haben sich, insbesondere bei Siliziumsolarzellensubstraten, basische Ätzlösungen bewährt, insbesondere solche, welche Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid und/oder Ammoniumhydroxid enthalten.
Im Ergebnis verbleiben im Ausführungsbeispiel der 3 somit stark dotierte Bereiche 9 dort, wo vor dem Entfernen der porösen Schicht die angeätzten, vormals geschützten dotierten Bereiche 25 lagen. In den ungeschützten dotierten Bereichen 17 hingegen, in welchen eine vergleichsweise dicke poröse Schicht ausgebildet wurde, liegen nach dem Entfernen der porösen Schicht lediglich noch schwach dotierte Bereiche 11 vor, welche zusammen mit den stark dotierten Bereichen 9 die gewünschte zweistufige Dotierung bilden.
Im Weiteren können, wie bereits oben dargelegt, weitere an sich bekannte Verfahrensschritte zur Verbesserung des Wirkungsgrades eingefügt werden, insbesondere eine Passivierung der Oberfläche oder die Ausbildung einer Antireflexionsbeschichtung. Weiterhin werden Kontakte 15 in analoger Weise wie in den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 aufgebracht 58.
Im Übrigen wird das Solarzellensubstrat in an sich bekannter Weise zu einer Solarzelle weiterverarbeitet. Dies gilt in gleicher Weise für die Ausführungsbeispiele der 1 und 2, welche den Solarzellenherstellungsprozess ebenfalls nicht in seiner Gesamtheit wiedergeben. Die weiteren Verfahrensschritte, beispielsweise zur Ausbildung eines Rückkontaktes, sind dem Fachmann jedoch bekannt, sodass auf deren Darstellung an dieser Stelle verzichtet werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhaft zur Herstellung von Solarzellen mit selektiven Emittern oder zweistufigen Rückseitenfeldern verwendbar.
4 zeigt eine Solarzelle 80 gemäß dem Stand der Technik, welche sowohl einen selektiven Emitter wie auch ein zweistufiges Rückseitenfeld aufweist. Der selektive Emitter 82, 84 wird dabei gebildet aus den stark dotierten Emitterbereichen 82 und den schwach dotierten Emitterbereichen 84. In ähnlicher Weise wird das zweistufige Rückseitenfeld 86, 88 gebildet aus den stark dotierten Bereichen 86 des Rückseitenfeldes und den schwach dotierten Bereichen 88 des Rückseitenfeldes. Die jeweiligen stark dotierten Bereiche 82, 86 sind mit Kontakten 90 versehen.

1: Solarzellensubstrat
3: dotierter Bereich
5: Texturierung
7: Opferstrukturen
8: zu schützende Bereiche
9: stark dotierter Bereich der zweistufigen Dotierung
11: schwach dotierter Bereich der zweistufigen Dotierung
13: Opferstrukturrest
15: Kontakte
17: ungeschützte dotierte Bereiche
19: poröse Schicht aus Solarzellensubstratmaterial
21: Ätzschäden an Opferstruktur
23: Opferstrukturreste
25: angeätzte, vormals geschützte dotierte Bereiche
50: starkes Dotieren
52: Aufbringen und Sintern von Opferstrukturen
54: Zurückätzen ungeschützter, dotierter Bereiche
56: Entfernen Opferstrukturreste
58: Aufbringen Kontakte
62: Ausbilden poröse Schicht
64: Entfernen poröse Schicht
72: Ausbilden poröse Schicht
74: Entfernen poröse Schicht
80: Solarzelle
82: stark dotierter Emitterbereich
84: schwach dotierter Emitterbereich
86: stark dotierter Bereich des Rückseitenfeldes
88: schwach dotierter Bereich des Rückseitenfeldes
90: Kontakte

Claims

Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit einer zweistufigen Dotierung (9, 11) aufweisend folgende Verfahrensschritte: – starkes Dotieren (50) zumindest eines Teils des Solarzellensubstrats (1); – wenigstens zeitweises Schützen von dotierten Bereichen (8), in welchen stark dotierte Bereiche (9) der zweistufigen Dotierung (9, 11) ausgebildet werden sollen, gegenüber einem Ätzmedium; – Zurückätzen (54; 62, 64; 72, 74) ungeschützter dotierter Bereiche (17) des Solarzellensubstrats (1) mittels des Ätzmediums; dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke des Schützens der dotierten Bereiche Opferstrukturen (7) auf die zu schützenden Bereiche (8) aufgebracht werden (52), welche beim Zurückätzen (54; 62, 64; 72, 74) der ungeschützten dotierten Bereiche wenigstens teilweise geätzt werden (54; 62, 64; 72, 74).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferstrukturen (7) aus im Wesentlichen anorganischen Materialien gebildet werden, vorzugsweise aus einem Glas.
Verfahren einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferstrukturen (7) aus einem Material gebildet werden, welches wenigstens eine Substanz aus der Gruppe umfassend Siliziumdioxid und Boraxglas aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferstrukturen (7) aus einem Material gebildet werden, welches eine bei Temperaturen unterhalb von 800°C, vorzugsweise unterhalb von 600°C, schmelzende Substanz aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Ausbildung der Opferstrukturen (7) eine Paste aufgebracht wird (52), vorzugsweise mittels eines Druckverfahrens.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferstrukturen (7) vor dem Schritt des Zurückätzens (54) thermisch behandelt werden (52), vorzugsweise getempert, gesintert (52) oder geschmolzen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ätzmedium eine Ätzlösung verwendet wird, welche Salpetersäure und Flusssäure enthält.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zürückätzen (54; 62, 64) beendet wird, bevor die Opferstrukturen (7) zumindest stellenweise vollständig abgeätzt sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Zurückätzen (54; 62, 64) verbliebene Opfer strukturenreste (13) in einem weiteren Ätzschritt entfernt werden (56), vorzugsweise mit einer Flusssäure enthaltenden Ätzlösung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferstrukturen (7) während des Zurückätzens (72, 74) vollständig abgeätzt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke des Zurückätzens (62, 64) zumindest in ungeschützten, dotierten Bereichen (17) des Solarzellensubstrats (1) aus Material des Solarzellensubstrats (1) eine poröse Schicht (19) ausgebildet wird (62, 72), vorzugsweise durch Ätzen, besonders bevorzugt durch nasschemisches Ätzen, und die poröse Schicht (19) nachfolgend entfernt wird (64, 74).
Verfahren nach Anspruch 11 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferstrukturenreste (13) zusammen mit der porösen Schicht (19) entfernt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Schicht (19) mit einer basischen Ätzlösung abgeätzt wird (64, 74), vorzugsweise mit einer Ätzlösung, welche zumindest eine Substanz aus der Gruppe umfassend Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid und Ammoniumhydroxid aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Solarzellensubstrat (1) aus Silizium verwendet wird, vorzugsweise ein kristallines und besonders bevorzugt ein multikristallines Siliziumsolarzellensubstrat.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Emitter (82, 84) oder ein Rückseitenfeld (86, 88) als zweistufige Dotierung (82, 84, 86, 88) ausgeführt wird.
Solarzelle (80) gefertigt mit einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.