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Die
Erfindung beschäftigt sich mit:
- – Der
Herstellung von Halbleitersubstraten wie insbesondere kristalline
Siliziumhalbleitersubstraten sowie Prozessen und Methoden dafür.
- – Der Verbesserung der Kristallinität und
Reduzierung von Defekten in Halbleitersubstraten.
- – Der Fertigung von neuartigen Solarzellen mit verbessertem
Wirkungsgrad bei der Konvertierung elektromagnetischer Strahlung
in elektrische Energie, sowie neuer Solarzellenstrukturen, neuartiger
Herstellungsprozesse und Herstellungsverfahren sowie neuer Produktionsanlagen
bei der Verschaltung von Solarzellen in Solarmodulen, die es zulassen,
verbesserte Solarzellen und Solarmodule mit höherem Konvertierungs-Wirkungsgrad
und verbesserten Eigenschaften bei der Erzeugung elektrischer Energie
aus Sonnenlicht vorteilhaft einzusetzen.
- – Neuen Möglichkeiten, Solarmodule in photovoltaischen
Gesamtsystemen zur Konvertierung von Licht in elektrische Energie
(z. B. Großanlagen) vorteilhaft einzusetzen.
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Ziel
der Erfindung ist es, die Kosten – üblicherweise
angegeben als Kosten pro mit den Komponenten unter Standardbedingungen
erzeugbarer Leistung – für Energiegewinnung aus
Sonnenenergie drastisch zu reduzieren und dabei den Konvertierungs-Wirkungsgrad
für die Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in elektrische
Energie gegenüber dem Stand der Technik deutlich zu steigern.
Darunter sind entlang der Wertschöpfungskette von der Siliziumherstellung über
die Waferherstellung und Solarzellenprozessierung bis hin zur Modulfertigung
und dem Verschalten in photovoltaischen Systemen mehrere Erfindungen,
die als eigenständige Erfindungen betrachtet werden könnten
und in der jeweiligen Wertschöpfungsstufe für
sich betrachtet erhebliche Vorteile gegenüber dem Stand
der Technik bieten. Jedoch ist auch insbesondere in der Verknüpfung
der Einzelerfindungen ein erfinderischer Gehalt, der es erstmals
zuläßt, komplett neuartige und vorteilhafte Produkte
für die Photovolatik-Industrie kostengünstig herzustellen
und vorteilhaft am Markt anzubieten.
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Die
Teilerfindungen in den jeweiligen Wertschöpfunsstufen beinhalten:
Wertschöpfungsstufe: | Thema
oder Inhalt: |
Wafer | A:
Herstellen von kristallinen Wafern mit weniger Kristalldefekten |
Wafer | B:
Herstellen von Wafern mit weniger internen mechanischen Spannungen |
Wafer | C:
Herstellen von Wafern mit weniger Verunreinigungen |
Solarsilizium | D:
Entfernen von Dotierstoff aus UMG-Silizium |
Solarzelle | E:
Solarzellen mit sehr tief diffundierten Bereichen |
Solarzelle | F:
Solarzellen mit mehreren horizontalen Halbleiterübergängen
und besonderer Eignung für Halbleitermaterialien mit vergleichsweise
geringer Diffusionslänge für Minderheitsladungsträger. |
Solarzelle | G:
Solarzelle mit verbesserter Wasserstoffpassivierung durch Wasserstoffbarrieren |
Solarzelle | H:
Wafer-basierende Solarzellen mit verminderter Abschattungsempfindlichkeit
bzw. höherer AusgangsLeerlaufspannung pro Flächeneinheit
bzw. pro Wafer |
Solarmodul
Photovoltaische
Systeme | I:
Monolithisch rückseitenverschaltetes Hochspannungsmodul
mit By-Pass-Dioden für Solarzellen und Solarzellenbereiche
bzw. Konzentrator-Anwendungen |
Solarmodul | J:
Gegen Abschattungsverluste unempfindlicheres Solarmodul |
Photovoltaisches
System | K:
Hochspannungs-Systemverschaltung zur Reduktion von Widerstandsverlusten |
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Die
Teilerfindungen werden nach Beschreibung des Standes der Technik
individuell erläutert und mit Ausführungsbeispielen
beschrieben.
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Stand der Technik:
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1. Waferherstellung
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Solarzellen
und Solarmodule haben in den letzten Jahren deutlich gestiegenes
industrielles Interesse erfahren, da die photovoltaische Konversion
von Sonnenlicht in elektrische Energie an der Grenze zur Wettbewerbsfähigkeit
mit herkömmlichen Energieformen ist und derzeit durch entsprechende
Fördermaßnahmen (insbesondere in Deutschland)
der Solarenergie zum Durchbruch verholfen wird und sich deshalb
bereits heute betriebswirtschaftliche Gewinne bei der Herstellung
von Wafern, Solarzellen, Solarmodulen und photovoltaischen Gesamtsystemen
erwirtschaften lassen.
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Der überwiegende
Teil, der am Markt kommerziell erhältlichen Solarzellen
und Solarmodule, wird bislang aus Halbleitersubstraten gefertigt,
die aus hochreinem kristallinem Silizium bestehen. [
Energy
2.0 Kompendium 2008; S101] All diese Halbleitersubstrate,
die für die Herstellung kristalliner Siliziumsolarzellen
verwendet werden und die als Ausgangsmaterial für den Solarzellenprozeß auch
Wafer genannt werden, sind bislang mit einer weitgehend homogen
im Wafer verteilten Dotierung versehen. Die Dotierung ist dabei
von der Art p-Typ oder n-Typ. [
US 2008/0206123 A , Silicon feedstock for solar
cells.]
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Typische
Elemente für die Dotierung p-Typ-dotierter Si-Wafer sind
Bor, Gallium oder Indium. [PRODUCTION VIABILITY OF GALLIUM DOPED
MONOCRYSTALLINE SOLAR CELLS, Geoffrey Crabtree]
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Ebenfalls
möglich wäre eine Dotierung mit Aluminium oder
Thallium oder anderen Elementen aus derselben Hauptgruppe des Periodensystems
mit drei Valenzatomen. Allerdings wird Aluminium üblicherweise nicht
verwendet, da es bereits gemäß Phasendiagramm
bei vergleichsweise sehr niedriger Temperatur (577°C) ein
Eutektikum mit Silizium bildet und sich nicht für ein homogenes
Dotieren in den üblichen Kristallzuchtverfahren, wie Floatzone-Verfahren,
Cz-Silizium-Verfahren, multikristllinen Blockerstarrungsverfahren oder
Verfahren für bandgezogene (inkl. EFG-Verfahren) Wafer
oder Foliensilizium-Wafer eignet. Thallium wird wegen seiner mangelnden
weltweiten Verfügbarkeit und den Kosten üblicherweise
ebenfalls nicht eingesetzt.
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Typische
Elemente für die Dotierung n-Typ-dotierter Si-Wafer sind
Phosphor, Arsen, Antimon und Wismut sowie andere Elemente der fünften
Hauptgruppe mit fünf Valenzatomen. Allerdings kommt in
der Halbleiterindustrie fast ausschließlich Phosphor zum
Einsatz, da die anderen Elemente toxisch sind oder in deutlich geringerer
Häufigkeit auf der Erde vorkommen und somit mit höheren
Kosten verbunden sind, wenn sie in reiner Form gewonnen oder synthetisiert
werden sollen.
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Bei
der Herstellung von Silizium-Wafern wird bei allen üblichen
Verfahren das Halbleitermaterial zunächst aus einer Siliziumschmelze
erstarren lassen. Bei Verfahren wie dem Fz-Si, Cz-Si oder den multikristallinen
Blockguß oder Blockerstarrungsverfahren werden die Wafer
nach dem Erstarren des Silizium- Material und Abkühlen auf
Temperaturen im Bereich von Raumtemperatur in Siliziumsäulen
gesägt und diese in Wafer aufgesägt, so daß sich
großflächige Scheiben aus Silizium ergeben, deren
Dicke üblicherweise sehr klein gegenüber den anderen
Scheibenabmessungen ist und insbesondere klein gegenüber
der Dicke der Blöcke aus denen diese Scheiben geschnitten
werden. Dagegen werden bandgezogenen Si-Wafer oder auch Foliensilizium-Wafer
direkt in nahezu der Dicke erstarren lassen, in der sie später
als Wafer zur Verfügung stehen. Allen Verfahren gemeinsam
sind langsame Abkühlprozesse, die dafür sorgen
sollen, daß sich nah Erstarren der Schmelze möglichst
wenig kristalline Defekte, wie Versetzungslinien oder Korngrenzen,
bzw. keine hohen mechanischen Spannungen durch Temperaturgradienten
im erstarrenden Material ausbilden, die negative Eigenschaften der
hergestellten Wafer zur Folge haben.
[Bulk multicrystalline
silicon growth for photovoltaic (PV) application bei Wu et al.,
Journal of Crystal Growth, Volume 310, Issues 7–9, April
2008, Pages 2178–2184]
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Ferner
ist es inzwischen Stand der Technik, daß auch Silziumwafer
mit den oben angegebenen Herstellverfahren hergestellt werden können,
die nicht auf hochreines Halbleiter-Siliziummaterial zurückgreifen, sondern
so genanntes UMG-Silizium (up-grated metallurgical grade silicon)
als Ausgangs-Rohstoff einsetzen. Trotz diverser Reinigungsverfahren,
die Kennern der Branche bekannt sind, weißt dieses Ausgangsmaterial gegenüber
Halbleiter-Silizium noch deutlich erhöhte Konzentrationen
an Verunreinigungen und insbesondere Verunreinigungen mit den Dotierstoffelementen
auf, da sich diese nur unzureichend aus Siliziumschmelzen entfernen
lassen. Folglich haben Wafer, die aus UMG-Silizium hergestellt werden üblicherweise
deutlich höhere Dotierstoff-Konzentrationen, als dies sonst
für die Solarzellenherstellung der Fall ist.
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2. Solarzellen
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Der überwiegende
Teil der derzeit industriell gefertigten Solarzellen [M.
A. Green, Silicon Solar Cells, ISBN 0 7334 0994 6] basiert
auf kristallinen Silizium-Wafern als Ausgangsmaterial für
die Solarzellenfertigung. Ausgehend von homogen p-dotierten oder
n-dotierten Ausgangswafern werden typischerweise folgende Prozeßschritte
zur Herstellung einer industriellen Solarzelle verwendet:
- • naß- oder trockenchemische
Reinigungsverfahren für die Oberflächenreinigung
der Halbleiterbauelemente (in verschiedenen Prozesstadien)
- • Aufrauhungs-, Strukturierungs-, Texturierungs-, Polier-Verfahren,
zum Entfernen möglicher Schäden vom Wafer-Schneidprozess,
zur Vermeidung von ungewünschtem Lichtaustritt aus dem
Wafer sowie zur Besseren Lichteinkopplung bzw. Lichtausbeute innerhalb
des Wafers
- • im Wesentlichen flächige oder lokale oberflächennahe
Ausbildung von dotierten Bereichen im großflächigen
Halbleiterbauelement durch Diffusion von Dotierstoffatomen oder
oberflächennahes Legieren mit Dotierstoffatomen
- • Passivieren von Oberflächen und Defekten
im Volumen des Halbleiterbauelementes zur Vermeidung oder Reduktion
der Rekombinationsaktivität von Kristalldefekten, bzw.
dem Entfernen von Verunreinigungen aus dem Halbleiterbauelement
- • Aufbringen von leitfähigen Kontakten – zumeist
Metallkontakten – die es zulassen, erzeugte und über
einen Halbleiterübergang gelangte und somit getrennte Ladungsträger
in einem externen Stromkreis mit möglichst geringen Widerstandsverlusten
abzugreifen
- • Trennung parasitärer p-n-Halbleiterübergänge
zwischen hoch dotierten benachbarten Bereichen umgekehrter Polarität
(insbesondere im Bereich der Waferkanten).
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Folgende
Abbildung (1) zeigt zwei typische Beispiele
für bislang industriell gefertigte Solarzellen:
Links:
p-Typ Si Wafer, n-Typ Dotierung auf Vorderseite; Passivierschicht
auf Vorderseite; lokaler Metallkontakt auf Vorderseite; p-Typ-Dotierung
= ”Back Surface Field” (BSF); optionale Passivierschicht
auf Rückseite; lokale oder flächige Metallkontakte
auf Rückseite
Rechts: n-Typ Wafer, n-Typ-Dotierung
als „Front Surface Field” (FSF) auf der Vorderseite;
Passivierschicht auf der Vorderseite; p-dotierter Bereich auf der
Rückseite mit Passivierschicht und lokalem oder flächigem
Metallkontakt; BSF-Dotierbereich auf der Rückseite mit
lokalem oder flächigem Metallkontakt; Trennung zwischen stark
n-dotierten und stark p-dotierten oberflächennahen Bereichen
der Rückseite mit optionaler Passivierschicht in diesen
Bereichen.
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Typische
industriell gefertigte Solarzellen, die oben genannte oder ähnliche
Strukturen aufweisen, stellen oft einen Kompromiß aus erreichbarem
Wirkungsgrad und wirtschaftlich sinnvollen Herstellkosten dar. Durch
kontinuierliche Weiterentwicklung von Solarzellen ist inzwischen
ein Punkt erreicht, bei dem oft die Materialqualität des
Wafers den Wirkungsgrad limitiert, da nicht alle erzeugten Ladungsträger – mit
der durch die Qualität des Halbleitermaterials begrenzten
Diffusionslänge für Minderheitsladungsträger – auch
den Halbleiterübergang erreichen. Insbesondere bei multikristallinen
Materialien ist die Diffusionslänge oft limitiert und nicht
ein Vielfaches der Strecke, die die Minderheitsladungsträger
zurücklegen müssen, um zu einem p-n-Halbleiterübergang
zu gelangen. Da die Halbleiterübergänge üblicherweise
oberflächennah sind, gilt die Waferdicke als entscheidend
dafür, welche Strecke Minderheitsladungsträger
mindestens zurücklegen müssen, ohne vorher an
Störstellen im kristallinen Siliziumwafer zu rekombinieren.
Ferner werden industrielle Solarzellen, die vom links dargestellten
Typ gefertigt werden, oft stark durch Abschattungsverluste und Rekombinationsverluste
an der Solarzellenvorderseite dominiert.
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3. Solarmodule
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Die
meisten industriell aus auf Wafer basierenden Solarzellen hergestellten
Solarmodule zeichnen sich dadurch aus, daß die Metallkontakte
der Solarzellen-Vorderseiten und die, der Solarzellen-Rückseiten durch
Lötverfahren mit leitfähigen Metallbändchen
seriell oder parallel miteinander verbunden werden [S. R. Wenham
et. al., Applied Photovoltaics, ISBN-13: 978-1-84407-401-3].
Dabei ist es üblich, die meisten Solarzellen seriell miteinander
zu verbinden, um höhere Ausgangsspannungen der Module und
damit geringere Widerstandsverluste zu ermöglichen. Nachteile
bei dieser Verschaltungsweise sind:
- • Vorder-
und Rückseiten benachbarter Solarzellen müssen
durch die Metallbändchen im Modulverbund dauerhaft beständig
verbunden werden. Dies wird durch die Temperaturzyklen, denen die
Module im Laufe ihrer garantierten Lebensdauer unterliegen und die
damit verbundenen mechanischen Belastungen durch unterschiedliche
Ausdehnungskoeffizienten der Materialien im Modulverbund erschwert,
zumal die aufgelöteten Verbinder-Bändchen aus
Metall möglichst wenig Teile der Solarzellenoberfläche
abdecken dürfen.
- • Kostengünstige Kontaktierungsverfahren für
Solarzellen, die Metallpasten-Kontakte verwenden, machen oft Kompromisse,
was die mechanische und chemische Stabilität der Kontakte
beim Löten, bzw. im Modulverbund angeht.
- • Es treten vergleichsweise hohe Serienwiderstandsverluste
im Solarmodul auf, da die Verbinder zwischen den Solarzellen nur
einen Kompromiß aus Anforderungen an Leitfähigkeit,
Lötbarkeit und geringe Abschattung der Solarzellenoberflächen
darstellen.
- • Metallkontakte für ausschließlich
rückseitenkontaktierte Solarzellen können bislang
oft nur mit kostenintensiven Verfahren hergestellt werden.
- • Höhere Modulspannungen zur Reduzierung von
Widerstandsverlusten sind nur begrenzt realisierbar und bergen Risiken
zu Kurzschlüssen oder Leckstrompfaden innerhalb der Solarzellen
und oder den Solarmodulmaterialien.
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4. Photovoltaische Gesamtsysteme
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Die
Anlagengröße für einzelne Photovoltaiksysteme
ist in einer der bislang am weitesten verbreiteten Anwendungen (Privatkunden) üblicherweise
durch die vorhandenen geeigneten Dachflächen begrenzt.
Allerdings konnte in den letzten Jahren auch ein Trend zu großflächigen
Freiflächenanlagen festgestellt werden, der hin zu immer
größeren Gesamtleistungen der Gesamtanlage führt.
Es ist aus Wirtschaftlichkeitsgründen sinnvoll, dabei möglichst
viele Module und oder auch Konzentrator-Modulen zusammen zu schalten.
Dabei ergeben sich bei bisher am Markt verfügbaren Solarmodulen
deutliche Grenzen in der maximalen Anzahl der Module, die in einem
Strang seriell verbunden werden können, da andernfalls
die Systemspannung zu hoch wird und die Gefahr zu Kurzschluß und
oder Leckstrompfaden in den Solarmodulen mit zunehmender Systemspannung
wächst. Andererseits wäre es aus Wirtschaftlichkeitsgründen
wünschenswert, höhere Spannungen zu verwenden,
um den Stromfluß und die Widerstandsverluste in den Modulsträngen
zu minimieren und längere Kabelstrecken mit kleineren Querschnitten
verwenden zu können.
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Der
Stand der Technik wurde hier nur im Wesentlichen wiedergegeben,
um im Anschluß Unterschiede der durch die Erfindung abgedeckten
Lehre zum Stand der Technik deutlich machen zu können.
Es wurde dabei kein Anspruch auf Vollständigkeit in der
Darstellung erhoben. Hierzu ist es unumgänglich, einschlägige
Literatur zu Rate zu ziehen. Wo notwendig, werden in den Einzelbeschreibungen
der Erfindungen nochmals Verweise auf den Stand der Technik gemacht.
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Erfindungsgemäße Lehren:
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Im
Folgenden werden die Teilerfindungen gemäß den
bereits oben tabellarisch aufgelisteten Themenüberschriften
erläutert. Das Zusammenspiel der einzelnen Erfindungen
in einem integralen Fertigungsverfahren und die sich daraus ergebenden
zusätzlichen Vorteile werden im Anschluss erläutert.
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A: Herstellen von kristallinen Wafern
mit weniger Kristalldefekten
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Alle
bislang bekannten Verfahren zur Herstellung kristalliner Halbleiterwafer
für die Solarzellenfertigung sowie die Herstellung anderer
Halbleiterbauelemente verwenden Schmelzverfahren, in denen der Halbleiterschmelze
Dotierstoffe in ausreichender Konzentration zugesetzt werden, um
am Ende des Wafer-Herstellprozesses, Wafer (großflächige
dünne Platten aus Halbleitermaterial) mit einer großen
Grundfläche (100 mm bis 300 mm in x- und y-Richtung sind
typisch) und einer geringen Dicke im Bereich von 50 μm
bis 500 μm, noch typischer im Bereich von 100 μm
bis 300 μm mit einer im Volumen des Wafers nahezu homogenen
Verteilung der Dotierstoffe zu erzielen.
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Im
folgenden wird in vielen Fällen das Herstellen von Halbleiterbauelementen
am Beispiel von Solarzellen erläutert. Die Begriffe Halbleiterbauelement
und Solarzelle werden deshalb synonym verwendet, und es ist klar,
daß es viele weitere vorteilhafte Anwendungen für
andere Halbleiterbauelemente als Solarzellen gibt. Ferner wird im
Folgenden oft ausschließlich Silizium als Halbleitermaterial
für Solarzellen diskutiert. Auch hier werden die Begriffe
Halbleiter und Silizium synonym verwendet, so daß neben
Silizium viele weitere Halbleitermaterialien vorteilhaft mit den
Verfahren gemäß der Erfindung prozessiert und
verwendet werden können.
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Überwiegend
wird bei der Waferherstellung Bor oder Gallium bei p-dotierten Wafern
bzw. Phosphor bei n-dotierten Wafern der Siliziumschmelze zugesetzt,
so daß sich die Gleichverteilung der Dotierstoffe im Wafer
bzw. den kristallinen Siliziumblöcken ergibt.
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Beim
Abkühlen aus der Schmelzphase erstarren nicht alle Bereiche
des aufgeschmolzenen Halbleitermaterials gleichzeitig. Dadurch kann
es zu erheblichen mechanischen Spannungen aufgrund von Temperaturgradienten
innerhalb des Kristallgitters kommen. Es ist dabei bekannt, daß diese
mechanischen Spannungen kristalline Defekte im Silizium, die von
einer einkristallinen Struktur abweichen, begünstigen.
So entstehen Versetzungslinien und Korngrenzen im erstarrenden Siliziummaterial,
um die erwähnten mechanischen Spannungen im Kristallgitter
beim Erstarren und Abkühlen abzubauen. Diese Kristalldefekte
(wie beispielsweise Versetzungslinien) stellen dabei einen energetisch
günstigeren Zustand für den Siliziumkristall dar,
bis schließlich beim Abkühlen Temperaturen erreicht
werden, bei denen mechanische Spannungen nicht mehr weiter abgebaut
werden können, da die Sprödigkeit des Materials
es bei diesen vergleichsweise niedrigen Temperaturen nicht mehr
zuläßt.
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Es
ist ferner auch bekannt, daß die Bildung von Versetzungslinien
und andern Kristalldefekten durch die Anwesenheit von Verunreinigungen
im Silizium beim Abkühlvorgang begünstigt wird.
Deshalb ist es möglich, die Bildung von Versetzungen und
anderen kristallinen Defekten bei Verwendung identischer Abkühlparameter
deutlich zu reduzieren, wenn die Anwesenheit von hohen Verunreinigungskonzentrationen
im Silizium vermieden werden kann.
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Gemäß der
hier erläuterten Lehre ist es jedoch möglich,
die Verunreinigungskonzentration beim Erstarren von Silizium für
Solarzellen-Wafer drastisch zu reduzieren. Es genügt dabei,
auf die Zugabe von Dotierstoffen komplett zu verzichten, die üblicherweise
den größten Teil der im Silizium vorhandenen Verunreinigungen
darstellen. Stattdessen soll das Ausgangssilizium (typischerweise
sehr hoher Reinheit) in nahezu intrinsischer Reinheit und Form,
das heißt ohne nennenswerte Dotierung aus der Schmelze
erstarren. Damit sinkt die Wahrscheinlichkeit zur Ausbildung von
kristallinen Defekten im Silizium, wie beispielsweise Versetzungslinien,
Leerstellen, interstitiellem Silizium, Korngrenzen und anderen punkt-linien-
oder flächenförmigen Kristalldefekten erheblich.
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Das
weiterhin erforderliche Dotieren von Halbleiterbereichen, um funktionsfähige
Halbleiterbauelemente wie Solarzellen herstellen zu können,
soll statt dessen in einem zweiten Verfahrensschritt erfolgen, der vorzugsweise
zwischen Waferherstellung und eigentlichem Solarzellen-Fertigungsprozess
erfolgt.
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So
soll in einem zweiten Verfahrensschritt – üblicherweise
nach einem Reinigungsverfahren, das oberflächennahe Verunreinigungen
oder Kristalldefekte, wie sie beim Schneiden der Wafer entstehen
können, beseitigt – Dotierstoff mit den Oberflächen
oder Teilen der Oberflächen, der so hergestellten Wafer
(mit weniger kristallinen Defekten) in Berührung gebracht
werden oder dorthin transportiert werden (z. B. über die
umgebende Gasatmosphäre) oder an diesen Oberflächen
derart umgewandelt werden, daß von diesen Oberflächenbereichen
ausgehend anschließend Dotierstoffatome mit Wärmebehandlungsverfahren
wie Diffusion, lokalem Schmelzen oder Legieren oder Kombinationen
daraus bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleitermaterials – wie
beispielsweise Silizium – ins Halbleitermaterial eingetrieben
werden kann. Dabei kann es, ja nach Anwendung und herzustellendem
Halbleiterbauelement sehr vorteilhaft sein, keine homogene Dotierung über
den Wafer hinweg zu erzeugen, sondern lokal unterschiedliche Dotierstoffkonzentrationen über die
drei Raumdimensionen des Wafers hinweg zu erzeugen (siehe Solarzellenherstellung).
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Ferner
kann es aus wirtschaftlichen Gründen sehr vorteilhaft sein,
die Wafer aus nahezu intrinsischem Halbleitermaterial für
die angesprochene Temperaturbehandlung zum Eintreiben von Dotierstoffatomen
so zueinander anzuordnen, daß auf vergleichsweise geringem
Volumen sehr viele Wafer gleichzeitig bearbeitet werden können.
Hierfür eignen sich beispielsweise stapelförmige
Anordnungen der Wafer.
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Ferner
kann es sehr vorteilhaft sein, für den Temperaturbehandlungsschritt
zum gezielten Eintreiben von Dotierstoffatomen in den zuvor undotierten
oder nahezu intrinsischen Halbleiter zuvor die Oberfläche
oder Teile der Oberfläche des Wafers zunächst
zu reinigen und oder dann durch geeignete Schichten und Verfahren zu
maskieren, so daß während der nachfolgenden Temperaturbehandlung
die Oberflächen vor möglicherweise im Ofenraum
vorhandenen Verunreinigungen geschützt sind. Geeignete
Schichten sind beispielsweise ausreichend dicke Siliziumoxid-Schichten,
die mit den bekannten Verfahrensweisen erzeugt werden können
und die, falls gewünscht zumindest partiell als Diffusionsbarriere
wirken können. Es ist beispielsweise auch möglich, diese
Siliziumoxidschichten selektiv an manchen Stellen der Waferoberfläche
zu öffnen. Auch hierfür kommen mehrere in der
Literatur beschriebene Verfahren in Frage, wie beispielsweise Laserablation,
selektives Ätzen mit lokal aufgebrachten Ätzmedien,
Maskieren mit anschließendem Ätzen in den Öffnungen
der Maskierung etc.
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Es
kommen aber auch andere geeignete Schichten zur flächigen
oder partiellen Maskierung der Oberflächen in Frage. Dies
sind beispielsweise dielektrische Schichten, wie Siliziumnitrid,
Siliziumoxinitrid, Siliziumcarbid, Diamant, Aluminiumoxid oder andere
aus der Halbleiterherstellung bekannte Schichten, die bei der Temperaturbehandlung
möglichst wenig Verunreinigungen – insbesondere
keine metallischen Verunreinigungen – ins Halbleitermaterial
eindringen lassen sollen. Teile der Oberfläche des Halbleiters
oder die kompletten Halbleiteroberflächen können
natürlich auch durch Aufbringen einer Dotierfilmschicht
oder Dotierstoffquelle während der Temperaturbehandlung
vor externen Verunreinigungen geschützt werden. Dabei kann
die Dotierstoffquelle gleichzeitig während der Temperaturbehandlung
die Dotierstoffe bereit stellen, die in den Halbleiter eingetrieben
werden sollen.
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Als
Dotierstoffatome für den Temperaturbehandlungsschritt zum
Eintreiben von Dotierstoffatomen in den nahezu intrinsischen Halbleiter
(nach Wafer-Herstellung) kommen alle Dotierstoffatome in Frage,
die zum Dotieren von Halbleitern verwendet werden können.
Insbesondere kommen aber auch die Dotierstoffatome in Frage, die
sich für das Dotieren aus einer Schmelze heraus nicht eignen.
Dies ist beispielsweise bei Silizium der Dotierstoff Aluminium.
Aluminium statt Bor für die Dotierung von Silizium zu verwenden,
hat einen weiteren erheblichen Vorteil, da der Atomradius von Bor
deutlich kleiner, als der von Silizium und der Atomradius von Aluminium
sehr viel ähnlicher dem von Silizium ist. So sorgt beispielsweise
das Dotieren mit Bor für die p-Dotierung von Silizium dafür,
daß schon aufgrund der stark unterschiedlichen Atomradien
erhebliche mechanische Spannungen im Siliziummaterial entstehen.
Dies kann nun durch die im Anschluß an das Waferherstellen erfolgende
Temperaturbehandlung und die damit einhergehende Aluminium-Dotierung
vermieden werden, da Aluminium (bei deutlich geringeren Temperaturen
als Bor eingetrieben) zu geringeren Spannungen im Material führt
und die Bildung von neuen Versetzungslinien oder anderen kristallinen
Defekten bei diesen vergleichsweise niedrigeren Temperaturen komplett
oder nahezu komplett vermieden werden kann.
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B: Herstellen von Wafern mit weniger internen
mechanischen Spannungen
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Mit
dem unter A beschriebenen Verfahren ist es möglich, einerseits
zunächst beim Kristallwachstum durch den weitgehenden Verzicht
auf absichtlich eingebrachte Dotierstoffe in der Siliziumschmelze
beim Abkühlen bereits deutlich weniger Spannungen im Halbleitermaterial
einzulagern.
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Das
Reduzieren von Spannungen hat nicht nur den Vorteil, daß damit
die Entstehung von kristallinen Defekten deutlich verringert werden
kann. Gleichzeitig erhöht sich die mechanische Stabilität
der Wafer, wenn die im Silizium eingebauten Spannungen reduziert
werden können. Der Wafer wird somit weniger spröde
und läßt sich besser und mit geringerer Bruchrate
handhaben. Dies ist von besonderem Interesse bei Wafern, die sehr
hohe innere Spannungen haben, wie beispielsweise bei bandgezogenen
multikristallinen Siliziumwafern – wie beispielsweise nach
dem EFG-Verfahren hergestellten Wafern – oder bei Foliensilizium-Wafern – wie
beispielsweise nach dem RGS-Verfahren hergestellten oder auf Substraten
aus der Schmelze durch Tauchprozesse hergestellten Wafern. Diese
Wafer erfahren sehr hohe Temperaturgradienten beim Abkühlen
aus der Schmelze. Die Temperaturgradienten bilden sich insbesondere
auch innerhalb des Volumens des späteren Wafers beim Abkühlen
aus, so daß durch das vergleichsweise rasches Abkühlen
bei bandgezogenen Siliziumwafern oder Foliensilizium-Wafern im Vergleich
zu aus Siliziumblöcken (Fz-Si, Cz-Si, mc-Si-Blöcke)
geschnittenen Wafern auf engstem Raum große thermisch verursachte
Spannungen auftreten. Diese Verspannungen begünstigen nicht
nur kristalline Defekte im Halbleitermaterial sondern auch eine
Verformung der Oberflächen der Wafer – so genanntes
,buckling' entsteht. Als Folge dieser Verformung der Wafer zum Spannungsabbau innerhalb
des kristallinen Wafers, kommt es also auch zu welligen Oberflächen
der Wafer. Insbesondere bei EFG-Wafern oder so genannten ,string
ribbon' Wafern kann diese Welligkeit je nach Abkühlbedingungen
deutlich über einem Millimeter bei großflächigen
Wafern betragen. Die Folge sind Komplikationen beim weiteren Bearbeiten
und Handhaben der Wafer sowie möglicherweise höhere
Bruchraten der Wafer. Dies gilt es weitgehend zu vermeiden.
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Sofern
es also nicht oder nur begrenzt gelingt Wafer durch das Vermeiden
von absichtlich der Schmelze zugesetzten Dotierstoffatomen bereits
in ihrer mechanischen Stabilität deutlich zu verbessern
und die möglicherweise vorhandene Welligkeit der Wafer
in ausreichendem Maße zu unterdrücken, ergibt
in der thermischen Nachbehandlung der Wafer eine große
Chance weitere deutliche Verbesserungen zu erzielen. Dabei gilt
es die Prozeßzeit, die Prozeßtemperatur und die
Abkühlraten bei der Temperaturbehandlung geeignet anzupassen.
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Generell
gilt daß bei höheren Temperaturen und oder bei
längeren Prozeßzeiten sowie bei langsameren Abkühlraten
jeweils bessere Erfolge im Beseitigen von mechanischen Spannungen
im Material erzielt werden. Es gilt jedoch diese Parameter mit den
Anforderungen zur vorzugsweise gleichzeitigen Ausbildung der Dotierbereiche
und Anforderungen an Durchsatz und Prozeßkosten aus Wirtschaftlichkeitsgründen
abzugleichen und gemeinsam zu optimieren.
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Dabei
scheint es erneut vorteilhaft, möglichst viele Wafer auf
möglichst engem Volumen zu verdichten. Insbesondere kommen
dafür Waferanordnungen wie Stapel in Frage, bei der Wafer
sich im Wesentlichen entlang ihrer Flächen berühren.
Diese Anordnung läßt ferner zu, daß wellige
Wafer in geeigneter Anzahl aufeinander gestapelt werden, und mit
Gewichten beschwert oder durch Hilfsmittel in anderer Weise komprimiert werden.
Die Hilfsmittel sollen dabei vorzugsweise aus für Halbleiterprozesse
hochreinen Materialien bestehen, die keine unerwünschten
Verunreinigungen in die Wafer bringen. Diese Hilfsmittel können
damit gleichzeitig zum Schutz der äußersten Wafer
der Stapelanordnung dienen. Idealerweise bestehen diese Hilfsmittel
zumindest im Kontakt mit dem Waferstapel aus Platten mindestens ähnlicher
Größe und aus vorzugsweise demselben Material
wie die Wafer. Wird der Stapel während der Temperaturbehandlung
bei geeigneten Prozeßparametern durch das Eigengewicht
der Wafer, durch zusätzliche Gewichte oder andere Mittel
komprimiert, bilden sich wellige Oberflächen zurück
und es entstehen makroskopisch ebenere Wafer – ähnlich
derer die aus erstarrten Halbleiterblöcken geschnitten
oder gesägt werden – und die erheblich geringere
interne mechanische Spannungen aufweisen. Diese Wafer lassen sich
in den Folgeprozessen des Solarzellenprozesses erheblich leichter
prozessieren und handhaben. Ferner kann mit derart vorbehandelten
Wafern die Bruchrate entlang der kompletten Prozeßkette
deutlich reduziert werden. Und auch beim Einbau dieser Wafer in
Solarmodule geht die Bruchrate erheblich zurück, so daß sich
insgesamt signifikante Kostenvorteile durch die zusätzliche
Temperaturbehandlung ergeben.
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Durch
diese Verbesserungen ist es gleichzeitig möglich, auch
beispielsweise bei bandgezogenen Wafern, deutlich dünnere
Wafer herzustellen und zu verarbeiten. Das Reduzieren von im Wafer
vorhandenen Spannungen reduziert das Bruchrisiko für derart
behandelte Wafer und erhöht somit die Produktionsausbeute. insbesondere
bei bandgezogenen Wafern, wie beispielsweise bei EFG-Wafern oder
Foliensilizium-Wafern erhöht sich die Ausbeute durch die
zusätzliche Vorbehandlung der Wafer signifikant. Dünne
EFG-Wafer können zum Beispiel zunächst nach der
Kristallisation eine höhere gemittelte Welligkeit aufweisen,
die die Ausbeute beim Prozessieren dieser Wafer entlang der Prozeßkette
bis hin zum Solarmodul deutlich senkt.
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Mit
dem vorgeschlagenen Verfahren ist es möglich, EFG-Wafer
beliebiger Dicke in ihrer Welligkeit so zu reduzieren, daß sie
sich nicht merklich von gesägten Wafern aus multikristallinen
Blockgußverfahren unterschieden.
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Es
sei darauf hingewiesen, daß es nahezu unmöglich
ist, die Welligkeit von bandgezogenen Wafern bereits während
des Ziehverfahrens völlig zu unterdrücken, da
hierzu sehr langsame Abkühlraten erforderlich wären,
die einerseits im Widerspruch zu der Anforderung, eines schnellen
Abkühlens direkt nach dem Austritt aus der Schmelze sind
und andererseits die Konstruktion von Ziehanlagen mit sehr langen
Nachheizbereichen erfordern würde, die keinen wirtschaftlich
vorteilhaften Einsatz dieser Technologie erlauben würden.
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C: Herstellen von Wafern mit weniger Verunreinigungen
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Mit
den unter A und B beschriebenen Verfahren ist es möglich,
zunächst beim Herstellen der Wafer weitgehend die Konzentration
von Verunreinigungen im Wafer zu reduzieren. Da der absichtlich
eingebrachter Dotierstoff völlig vermieden werden kann,
reduziert sich die Verunreinigungskonzentration auf die Verunreinigungen,
die bereits im Silizium-Ausgangsmaterial nicht vermieden werden
konnten und auf Verunreinigungen die beim Kristallzucht-Prozess
nicht vermieden werden können und in den Halbleiter gelangen.
Dies sind beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Fe,
W, Cr, V und andere Elemente, die jedoch üblicherweise
in deutlich geringerer Konzentration, als die üblicherweise
bei Kristallzuchtverfahren eingebrachten Dotierstoffe, in den Halbleiter
gelangen. Welche Verunreinigung dominiert, hängt vom jeweiligen
Kristallzuchtverfahren ab. Bei EFG-Silizium ist dies beispielsweise üblicherweise
Kohlenstoff, der sich aus den Tiegelwänden in die Siliziumschmelze
löst. Dabei kann nicht ausgeschlossen werden, daß das
Lösen von Verunreinigungen in der Halbleiterschmelze durch
die Anwesenheit von Dotierstoffatomen in der Schmelze begünstigt
wird. Bor hat einen Atomradius in ähnlicher Größenordnung
wie der von Kohlenstoff. Da jedoch Kohlenstoff vier Valenzelektronen
besitzt, läßt sich Kohlenstoff energetisch günstiger
ins Siliziumkristallgitter einbinden als Bor. Damit läßt sich
Kohlenstoff neben der üblichen Aufnahme in die Schmelze über
die Löslichkeit in Silizium gemäß Phasendiagramm
auch über einen Substitutionsmechanismus, bei dem es den
Platz von Bor-Dotierstoffatomen einnimmt, ins erstarrende Silizium
einbinden.
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Mit
anderen Worten, kann mit hoher Wahrscheinlichkeit die Verunreinigungskonzentration
mit anderen Verunreinigungselementen, die nicht im Halbleiter-Ausgangsmaterial
vorhanden waren, aber beispielsweise aus Tiegelwänden heraus
oder aus der Prozeßatmosphäre in den Halbleiter
gelangen können, dadurch reduziert werden, daß die
absichtliche Zugabe von Dotierstoffen in die Siliziumschmelze vermieden
wird.
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Zusätzlich
können Verunreinigungen, die beim Kristallwachstum in den
Wafer gelangt sind, in dem nachfolgenden Temperaturbehandlungsschritt
zum Eintreiben der Dotierstoffatome in den nahezu intrinsischen
Halbleiter wieder aus dem Halbleiter entfernt werden. Dies gilt
insbesondere auch bei metallischen Verunreinigungen, die sich bekanntermaßen
sehr nachteilig auf die Eigenschaften von Halbleiterbauelementen wie
Solarzellen auswirken können, da sie als Rekombinationszentren
für Minderheitsladungsträger wirken.
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Dabei
ist bekannt, daß sich beispielsweise beim Eindiffundieren
von Phosphor derartige Verunreinigungen an den Oberflächen
der Halbleiter einsammeln lassen. Das Einsammeln von Verunreinigungen
ist jedoch oft insbesondere bei Halbleitermaterialien mit hohen
Dichten an kristallinen Defekten – wie beispielsweise Versetzungslinien
oder Korngrenzen – behindert, da sich Verunreinigungen,
wie beispielsweise metallische Verunreinigungen, bevorzugt an kristallinen
Defekten anlagern und dann nicht mehr ausreichend mobil sind. Dies
ist besonders nachteilig, wenn kristalline Defekte wie Versetzungslinien,
Versetzungslinien-Cluster oder Korngrenzen im Inneren oder Volumen
des Halbleiterbauelementes unter flachem Winkel zu den Oberflächen des
Halbleiterbauelementes verlaufen. In diesem Fall haben Verunreinigungen
im Volumen des Halbleitermaterials – wie beispielsweise
metallische Verunreinigungen – kaum eine Chance, während
der Temperaturbehandlung die Oberflächen des Halbleiterbauelementes
zu erreichen und dort angesammelt oder eingesammelt zu werden. Man
nennt Verfahren, bei denen Verunreinigungen oder Defekte an den
Halbleiterbauelement-Oberflächen eingesammelt werden auch
externe Getter-Verfahren. Dabei kommen neben Phopshor-Gettern auch
andere, in der Literatur beschriebene Materialien zum Einsammeln
der Verunreinigungen in stark dotierten Oberflächen oder
in Schichten oder Gasen oder Flüssigkeiten, die mit dem
Halbleiter in Kontakt sind, in Frage. Beispielhaft sei hier noch
Aluminium-Gettern, Chlor-Gettern oder Oxidieren der Oberflächen
genannt.
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Interessant
ist dabei zu wissen, daß manche Verunreinigungen eher auf
die eine Form des Getterns ansprechen, als auf die andere. So ist
zum Beispiel sofort verständlich, daß die Affinität
von Verunreinigungen zu phosphorreichen Gebieten im Silizium sicherlich
eine andere ist als zu aluminiumreichen Gebieten im Silizium, da
diese Elemente aufgrund der unterschiedlichen Anzahl an Valenzelektronen
völlig unterschiedlich in das Silizium-Kristallgitter eingebunden
sind und somit unterschiedliche Einfangquerschnitte und Bindungsenergien
zum Einfangen bzw. Binden von Verunreinigungen zur Verfügung
stehen.
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Da
beim Kristallisationsprozeß weitgehend auf das absichtliche
Dotieren des Halbleitermaterials verzichtet wurde, sind, wie bereits
in A–C erwähnt, weniger kristalline Defekte im
Wafer vorhanden. Somit ist die Wahrscheinlichkeit für externes
Gettern bereits erhöht. Da es nun gilt, das Volumen des
Halbleiterwafers durch die anschließende Temperaturbehandlung
nahezu komplett zu dotieren (mit unterschiedlichen Dotierstoffen zur
Erzeugung von p-n Halbleiterübergängen, wie in
den folgenden Abschnitten zur Solarzellenherstellung beschrieben
werden wird), besteht die Möglichkeit, während
dieser Prozesse nahezu alle Verunreinigungen im Halbleitermaterial
zunächst zu mobilisieren und anschließend zu Gettern.
Dabei können die Temperatur-Zeitverläufe so gewählt
werden, daß einerseits das Volumen des Wafers, bzw. Bereiche
des Volumens des Wafers im selben Prozeßschritt in gewünschter
Form dotiert werden. Andererseits soll der Temperatur-Zeit-Verlauf
bei der Temperaturbehandlung so gewählt werden, daß das
Gettern oder unschädlich machen von Verunreinigungen möglichst
effektiv ist und sich betriebswirtschaftlich vorteilhafte Solarzellenprozesse
verwirklichen lassen. Interessanterweise besteht mit dem vorgeschlagenen
Verfahren nicht nur die Möglichkeit zu externem Gettern, sondern
auch zu wirksamem internem Gettern. Dabei werden Verunreinigungen
im Inneren des Halbleitervolumens angereichert und unschädlich
gemacht. Da nämlich kristalline Defekte wie Korngrenzen,
Versetzungslinien oder andere im Volumen des Halbleiters anwesende
Defekte – sofern sie nach der Kristallisation von intrinsischem
Halbleitermaterial überhaupt noch vorhanden sind – auch
für Dotierstoffatome eine erhöhte Affinität
aufweisen und zudem oft Kanäle mit erhöhter Diffusionswahrscheinlichkeit
für diese Dotierstoffatome darstellen, ist es möglich,
im Umfeld dieser kristallinen Defekte erhöhte Konzentrationen
an Dotierstoffen im Vergleich zum Volumen des Halbleiters anzusammeln.
Somit können hier Bereiche mit erhöhter Dotierstoffkonzentration
ausgebildet werden und – ähnlich wie bei einem
BSF oder FSF – können beispielsweise die Minderheitsladungsträger
(beispielsweise einer Solarzelle) durch ein elektrisches Feld effektiv
von diesen Bereichen abgeschirmt werden, so daß diese erst
gar nicht zu den Bereichen mit erhöhter Rekombinations-Wahrscheinlichkeit – diese
ergeben sich durch das Einlagern von intern im Halbleitervolumen
eingesammelten Verunreinigungen bzw. die Abweichungen von der üblichen
Kristallinität des Halbleiters – vordringen können,
sondern zurück in ungeschädigte Bereiche des Halbleiterkristalls
gedrängt werden.
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Die
vorgeschlagene Methode zum Dotieren der Halbleiterbauelemente nach
der Kristallisation ermöglicht also, den Halbleiter wirksam
von Verunreinigungen zu befreien, bzw. vor rekombinationsaktiven
Defekten zu schützen.
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Interessant
ist es auch, bei der Wahl des Temperatur-Zeitverlaufes für
die Wärmebehandlung zum Dotieren der Wafer zu berücksichtigen,
daß im Halbleiter nicht nur Verunreinigungen vorhanden
sein können, die interstitiell oder ins Kristallgitter
des Halbleiters eingebunden sind, sondern auch Präzipitatbereiche
von Verunreinigungen in denen sich die jeweiligen Verunreinigungen
in erhöhter Konzentration aufhalten. Um diese Verunreinigungen
effektiv einsammeln zu können, falls die Präzipitatbereiche
auch als Rekombinationszentren wirken, ist es erforderlich, die
Präzipitate erst bei geeigneter Temperatur zu lösen,
um sie sodann anschließend als interstitielle oder ins
Kristallgitter eingebundene Verunreinigungen einsammeln und unschädlich
machen zu können. Auch dies ist bei geeigneter Wahl des
Temperatur-Zeit-Verlaufes und bei Kenntnis der Verunreinigungen,
die als Präzipitat vorliegen, mit dem vorgeschlagenen Verfahren
möglich.
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D: Entfernen von Dotierstoff aus UMG-Silizium:
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Aufgrund
einer Verknappung der am Markt erhältlichen Mengen an hochreinem,
halbleitertauglichem oder insbesondere solarzellentauglichem Silizium
und aufgrund einer über das Angebot hinaus gestiegenen Nachfrage
nach diesem Silizium sowie der damit erheblich angestiegenen Kosten
für derartiges Silizium, wurden intensiv Anstrengungen
unternommen, um auch auf alternativen Wegen Silizium für
solarzellentaugliche Prozesse zu entwickeln.
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Üblicherweise
ist diesen alternativen Silizium-Materialien gemeinsam, daß sie
im Vergleich zu halbleitertauglichem Reinstsilizium höhere
Verunreinigungskonzentrationen aufweisen und angepaßte
Prozesse bei der Kristallisation und der Solarzellenherstellung
erfordern. Derzeit werden erstmals größere Mengen
so genannten UMG-Siliziums (up-grated metalurgical grade) am Markt
verfügbar. Diese Materialien weisen üblicherweise
akzeptable Konzentrationen an metallischen Verunreinigungen auf,
da diese vergleichsweise einfach durch zusätzliche Maßnahmen
beim Schmelzen und der Kristallisation (teilweise mehrfaches Aufschmelzen und
Kristallisieren) aus dem Halbleitermaterial entfernt werden können.
Anders jedoch ist es mit dem Niveau an Verunreinigungen mit Dotierstoffen.
Hier sind die Konzentrationen oft sehr hoch und erfordern angepaßte Solarzellenprozesse
oder führen zu Wirkungsgrad- und Stabilitätseinbußen
bei den Solarzellen im Modulverbund. Vorteilhaft wäre es,
auch die hohen Dotierstoffkonzentrationen in UMG-Silizium zu reduzieren.
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Da
es also nicht möglich ist, UMG-Silizium in der in A–C
vorgeschlagenen Verfahrensweise zu Wafern zu prozessieren, da das
Material nicht in intrinsischer Ausgangsqualität vorliegt,
gilt es eine andere Strategie zur Verbesserung der Materialqualität
bezüglich Kristallinität, Verunreinigungs- und
Defekt-Reduzierung sowie der Verbesserung der mechanischen Stabilität
(Reduktion im Kristallgitter eingebauter mechanischer Spannungen)
zu verfolgen. Hierbei kann es auch vorteilhaft und sinnvoll sein,
die bei der Kristallisation entstandenen Wafer zunächst
zu Reinigen, so daß Verunreinigungen und Schäden
in den oberflächennahen Gebieten des Wafers, wie sie beispielsweise
beim Schneiden der Wafer entstehen, entfernt werden. Anschließend
ist es weiterhin vorteilhaft, die so erhaltenen Wafer zunächst
so zu verdichten, daß auf vergleichsweise kleinem Volumen
eine hohe Stückzahl an Wafern gleichzeitig Folgeprozessen
zur Temperaturbehandlung zugeführt werden können.
Hierzu kann es vorteilhaft sein, stapelförmige Anordnungen
von Wafern zu bilden und gegebenenfalls auch dafür zu sorgen,
daß diese Stapel komprimiert oder durch Gewichte belastet
werden, falls wellige Wafer wie beispielsweise bandgezogene Wafer
eingesetzt werden. Um Verunreinigungen aus mit UMG-Silizium hergestellten
Wafern gezielt zu entfernen, ist es zunächst vorteilhaft,
zu wissen, welche Verunreinigungen und Defekte in den Wafern den
maximal erzielbaren Wirkungsgrad und die erzielbare Ausbeute bei
der Herstellung von Solarzellen limitieren. Sind dies eher kristalline
Defekte, wie Versetzungen oder Korngrenzen, bzw. metallische Verunreinigungen
im Halbleiter oder mechanische Verspannungen bzw. eine Oberflächenwelligkeit,
so genügt es vermutlich, die Waferanordnung einem angepaßten
Temperatur-Zeit-Profil auszusetzen, um diese Defekte wie in A–C
beschrieben zu reduzieren. Es ist dabei nicht unbedingt erforderlich,
eine Dotierstoffquelle an Oberflächen der Wafer oder Teilbereichen
dieser Oberflächen anzubieten. Aber dies hängt davon
ab, welche Solarzellenstruktur gefertigt werden soll.
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Typische
Prozeßtemperaturen bei der Temperaturbehandlung zur Verbesserung
der Materialqualität dieser Wafer können ebenso
wie bei den in A–C besprochenen Temperaturbehandlungen
zwischen 577°C (dem eutektischen Punkt von Silizium mit
Aluminium) und 1407°C (dem Schmelzpunkt von Silizium gewählt werden.
Typische Prozeßzeiten erstrecken sich von wenigen Minuten
bis hin zu wenigen Tagen, je nachdem wie viele Wafer in einem typischen
Prozeßvolumen verdichtet werden können, so daß sich
am Ende noch ein betriebswirtschaftlich sinnvoller industrieller
Produktionsprozeß mit gewünschtem Durchsatz (typischerweise > 1000 Wafer/h) darstellen
läßt. Zum Einsatz für die Temperaturbehandlung
kommen beispielsweise Kammeröfen, wie sie für
die Kristallisation multikristalliner Siliziumblöcke heute
schon eingesetzt werden, aber auch andere System wie beispielsweise
Hochtemperatur-Durchlauföfen, sofern diese nur die gewünschten
Prozeßtemperaturen, Reinheitsanforderungen für
Halbleiterbauelemente-Herstellung und Prozeßatmosphären
reproduzierbar in den gewünschten Prozessen bereitstellen
können.
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Mit
derartigen Verfahren ist es beispielsweise auch möglich
bei Wafern, wie mit UMG-Silizium hergestellten Wafern die Dotierstoffkonzentration
im entsprechenden Halbleitermaterial – wie beispielsweise
B, P, Al, Ga oder anderen Dotierstoffelementen in Silizium – deutlich
zu reduzieren. Hierzu kann bei entsprechend gewählter Prozeßatmosphäre
der entsprechende Dotierstoff von den Oberflächen der Halbleiterbauelemente ausgehend
verdampft oder abgedampft werden, wenn die Prozeßgas-Atmosphäre
sowie Temperatur und Zeit der Temperaturbehandlung nur geeignet
gewählt werden. Im Gegensatz zu Wafern, die beispielsweise
aus Siliziumschmelzen durch geeignete Verfahren wie dem EFG-Verfahren
gezogen werden bzw. im Gegensatz zu Wafern aus herkömmlichen
Kristallisationsverfahren steht hierfür lange Prozeßzeiten
eine sehr hohes Verhältnis von Oberfläche zum
Volumen des erstarrten Halbleitermaterials bei hohen Temperaturen
für Verdampfungsprozesse zur Verfügung. Je nach
Dampfdruck der entsprechenden Verunreinigung, die es aus dem Halbleiter
zu verdampfen gilt, sollte die Prozeßtemperatur und Prozeßatmosphäre
gewählt werden. In jedem Fall sollte aber sichergestellt
bleiben, daß die verdichteten Anordnungen wie Waferstapel
nicht bei der Temperaturbehandlung auf- oder zusammenschmelzen.
Als Prozeßatmosphäre kommen je nachdem, welche
Verunreinigung es zu verdampfen gilt, inerte Gasatmosphären
wie beispielsweise Argon, oxidierende Gasatmosphären wie
beispielsweise Sauerstoff enthaltende Atmosphären oder
reduzierende bzw. ätzende Atmosphären, die beispielsweise
Wasserstoff, Chlor oder Chlorverbindungen bzw. Fluor oder Fluorverbindungen
enthalten können, in Frage. Die Anwendung ist auch nicht
auf das Entfernen von Dotierstoffen aus dem Halbleitermaterial beschränkt,
sondern kann auch angepaßt werden, um alle anderen im Halbleiter
bei der entsprechenden Prozeßtemperatur mobilen Verunreinigungen
zu entfernen, die einen entsprechenden Dampfdruck aufweisen, daß sie
abgedampft oder in eine oberflächennahe Schicht wie beispielsweise
Siliziumoxid eingebunden werden können. Ferner ist diese
Anwendung nicht darauf beschränkt, daß alle Oberflächen
der Wafer oder Halbleiterbauelemente der Atmosphäre direkt
ausgesetzt werden. Vielmehr ist auch möglich, daß Teile
der Oberfläche durch geeignete Schichten wie beispielsweise
Siliziumoxid maskiert bzw. mit Dotierstoffilmen versehen werden.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, die Prozesse in einer
Atmosphäre durchzuführen, die gleichzeitig als
Dotierstoffquelle für das Halbleitermaterial dient.
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Es
gibt aber eine weitere Möglichkeit, Verunreinigungen in
UMG-Silizium deutlich zu reduzieren. Bekannt ist, daß bei
Bandziehverfahren wie beispielsweise dem EFG-Verfahren oder ,string
ribbon Verfahren' zur Herstellung von Silizium-Wafern Verunreinigungen
bevorzugt innerhalb der Si-Schmelze verbleiben und sich dort anreichern
und nur zu einem deutlich geringeren Anteil über Segregationsprozesse
in die erstarrenden dünnwandigen Halbleiterplatten gelangen.
Der Unterschied in der Konzentration der Verunreinigungen innerhalb
der Halbleiterschmelze im Tiegel zu der Verunreinigungskonzentration
in den bandgezogenen Wafern kann sich dabei um viele Größenordnungen
(typisch 100-mal bis 10000-mal mehr Verunreinigungen in der Schmelze)
unterscheiden.
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Somit
ist es auch möglich, die Verunreinigungskonzentration in
Wafern, die aus UMG-Silizium hergestellt werden, um mehrere Größenordnungen
gegenüber dem Ausgangs-UMG-Siliziummaterial abzusenken. Dies
ist von besonderem Interesse, um auch die Dotierstoffkonzentration
in UMG-Si-Wafern erheblich zu reduzieren, wenn Verdampfungsprozesse
bei den der Kristallisation folgenden Hochtemperaturbehandlungsschritten,
wie sie zuvor beschrieben wurden, nicht ausreichen.
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Da
gutes am Markt erhältliches UMG-Silizium bereits sehr weitgehend
von metallischen Verunreinigungen gereinigt ist, handelt es sich
bei UMG-Silizium um eine ideales Ausgangsmaterial für die
Herstellung bandgezogener Wafer. Die für UMG-Si typischen,
sehr hohen Dotierstoff-Verunreinigungskonzentrationen können
drastisch abgesenkt werden, wenn keine weiteren Dotierstoffe der
Schmelze zugeführt werden. Bandziehverfahren wie beispielsweise
das EFG-Verfahren sind also ideale Reinigungsverfahren für
UMG-Si.
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Es
ist nach Anwendung der Bandziehverfahren für UMG-Ausgangs-Siliziummaterial
möglich, mit diesen Wafern mit dann sehr niedriger oder
nahezu intrinsischer Silizium-Dotierung wie in A–C beschrieben
weitere Temperaturbehandlungsschritte durchzuführen, um
die Materialqualität weiter zu verbessern und vorteilhafte
Halbleiterbauelemente wie Solarzellen daraus herzustellen.
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Ebenso
ist es aber auch denkbar, Bandziehverfahren wie das EFG-Verfahren
als reine Reinigungsverfahren für UMG-Silizium zu verwenden
und gegebenenfalls sogar mehrfach die Kristallisationsprozesse zu wiederholen,
um Verunreinigungen im UMG-Si um weitre Größenordnungen
zu reduzieren. Dabei werden nicht nur Dotierstoffverunreinigungen
drastisch reduziert, sondern auch die Konzentration anderer Verunreinigungen
wie beispielsweise metallischen Verunreinigungen kann um mehrere
Größenordnungen abgesenkt werden, je nachdem wie
groß die Segregationskoeffizienten der einzelnen Verunreinigungselemente
im Halbleitermaterial sind. Es ist also selbst denkbar, mit metallurgischem
Silizium als Ausgangsmaterial zu beginnen. Der Ziehprozeß für
bandgezogenes Silizium kann dabei sogar bevorzugt beschleunigt werden,
da das entstehenden bandgezogene Siliziummaterial nicht sofort als
Wafer für die Herstellung von Halbleiterbauelementen zur
Verfügung stehen soll, sondern das Material zunächst
noch einmal zerkleinert wird, um dann erneut dem Bandziehverfahren
zur Kristallisation dünnwandiger Siliziumplatten zugeführt
zu werden. Somit sind erhöhte Konzentrationen kristalliner
Defekte – wie beispielsweise Versetzungslinien und Korngrenzen – zunächst
beim ersten Durchlauf nicht relevant oder nachteilig. Hohe mechanische
Spannungen, und eine erhöhte Welligkeit (so genanntes ,buckling'),
die sich ebenfalls durch rasches Abkühlen bei höherer
Ziehgeschwindigkeit für Bandziehverfahren ergeben, sind
beim Zerkleinern des Materials sogar sehr vorteilhaft, da sich dieses
aufgrund der mechanischen Spannungen sehr viel einfacher Zerkleinern
läßt.
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So
ist es sogar denkbar, Bandzieh- oder Strangzieh-Verfahren rein zum
Zweck der Reinigung von Halbleitermaterial zu entwickeln, bei denen
aufgeschmolzenes Halbleitermaterial beispielsweise durch Schwerkraft
und Kapillarkräfte aus der Halbleiterschmelze unterhalb
von Tiegeln, denen permanent weiteres Halbleitermaterial zum Aufschmelzen
zugeführt wird, mit hoher Geschwindigkeit erstarren zu
lassen. Wird das Halbleitermaterial mit geeigneter Geschwindigkeit
nach unten dem Tiegel nach dem Aufschmelzen entnommen, ergibt sich
ein weiterer erheblicher Vorteil. Sollte nämlich das Halbleitermaterial
aufgrund der erhöhten mechanischen Spannungen im Material
spontan bersten, zerbrechen oder in Stücke zerspringen,
so kann es problemlos aufgefangen werden, ohne den Kristallisationsprozeß abbrechen
zu müssen. Das Material kann je nachdem, welche Wand- oder
Strangstärke gewählt wird, bereits selbst die
Zerkleinerung einleiten. Hohe Abkühlraten und damit entstehende
hohe mechanische Spannungen sind bei dieser Variante also unbedingt
wünschenswert, zumal die hohen Abkühlraten die
durch Segregationseffekte erfolgende Materialreinigung (Absenken
von Verunreinigungskonzentrationen um mehrere Größenordnungen)
unter Umständen vorteilhaft beeinflußt.
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Ist
die Verunreinigungskonzentration von so gereinigtem und evtl. durch
zusätzliche Maßnahmen – wie beispielsweise
das Verwenden Backenbrechern oder Zentrifugen mit für Halbleitermaterialien
tauglichen und reinen Werkzeugoberflächen aus sehr harten
Materialien oder Halbleitermaterial – zerkleinertem Ausgangssilizium
gering genug, so kann es üblichen Kristallisationsprozessen
wie beispielsweise Si-Blockguß, Si Block-Schmelzverfahren,
Cz-Si-Verfahren, Fz-Si-Verfahren, Bandzeihverfahren oder Foliensiliziumverfahren bzw.
anderen bekannten Verfahren zur Kristallisation von Halbleitermaterial
zugeführt werden und dort wie handelsübliches
Reinst-Halbleitermaterial weiterverarbeitet werden, um Wafer herzustellen.
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Das
eben beschriebene Verfahren kann somit selbst als UMG-Verfahren
bezeichnet werden, wobei es erhebliche Vorteile beim Beseitigen
von Dotierstoffverunreinigungen und in den Prozeßkosten
gegenüber bislang bekannten UMG-Verfahren zur Reinigung
metallurgischem Siliziums für die Anwendung in Halbleiterbauelementen
wie Solarzellen aufweist und somit eine eigenständige Erfindung
darstellt.
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A–D:
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Den
in oben stehenden Abschnitten A bis D beschriebenen Erfindungen
innewohnende Vorteile für die Herstellung von Halbleiterwafer
lassen sich durch geeignete Ausführung der Prozesse kombinieren,
so daß sich daraus besonders vorteilhafte und betriebswirtschaftlich
günstige Bedingungen ergeben können. Die hier besprochene
Erfindungslehre schließt all diese Kombinationen sowie Kombinationen
mit im folgenden besprochenen Erfindungen und vorteilhaften Eigenschaften
für Solarzellen, Solarmodule und photovoltaische Systeme
mit ein.
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Ferner
sind die Erfindungen nicht auf Silizium als Halbleitermaterial,
noch auf Solarzellen als aufgeführtes Anwendungsbeispiel
für Halbleiterbauelemente beschränkt. Es ist vielmehr
im Sinne der Erfindungen, daß auch andere Halbleitermaterialien
in ihren Eigenschaften durch diese Erfindungen verbessert werden
können und andere Halbleiterbauelemente wie beispielsweise
Photodioden, LEDs, Leistungstransistoren, Thyristoren, Halbleiterspeicher,
Kondensatoren oder viele andere waferbasierende Halbleiterbauelemente
mit diesen Erfindungen verbessert werden können.
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Ferner
beinhalten die Erfindungen die Möglichkeit, bei der Herstellung
zukünftiger Wafer oder Halbleiterbauelemente Kompromisse
in der Ausgangsqualität des Halbleitermaterials bzw. beim
Kristallisationsprozeß in Kauf zu nehmen, um insgesamt
zu betriebswirtschaftlich günstigeren Gesamt-Herstellprozessen
zu kommen. Die in den Erfindungen beschrieben Wege zur nachträglichen
Verbesserung der Halbleitermaterialqualität nach dem Kristallisationsprozeß ermöglichen
diese Kompromisse, bzw. Abstriche bei den Anforderungen an die Ausgangsmaterialqualität
und Kristallisationsprozesse. So kann es beispielsweise günstiger
sein, am Markt zu geringerem Preis verfügbares, jedoch
verunreinigtes Ausgangs-Siliziummaterial zur Herstellung von Solarzellenwafern
einzusetzen. Ferner kann es vorteilhaft sein, beim Kristallisationsprozeß zur
Herstellung der Wafer aus Wirtschaftlichkeitsgründen höhere
Abkühlraten, als dies bisher der Fall ist einzusetzen,
um die dadurch verursachten Krsitalldefekte erst in der nachfolgenden
Temperaturbehandlung wieder zu beseitigen.
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Vorteilhafte
Anwendungsbeispiele für typische Temperatur-Zeitverläufe
für die Erfindungen in A bis D werden in den folgenden
Beschreibungen der Erfindungen für Silizium-Solarzellen
offenbart. Die Erfindungen und damit möglichen vorteilhaften
Anwendungen sind jedoch bei weitem nicht auf diese Anwendungsbeispiele begrenzt
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E: Solarzellen mit sehr tief diffundierten
Bereichen
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Typische
auf Halbleiter-Wafern als Ausgangsmaterial für die Prozessierung
basierende Solarzellen, die nach dem Stand der Technik hergestellt
werden, weisen bislang sämtlich oberflächennahe
Halbleiterübergänge von p- und n-dotierten Gebieten
auf. Oberflächennah bedeutet dabei, daß der Abstand
des Halbleiterübergangs zur Oberfläche des Halbleiter-Wafers
deutlich kleiner als die halbe Waferdicke ist. Alle am Markt bislang
kommerziell erhältlichen Solarzellen weisen üblicherweise
die Halbleiterübergangsgebiete von p- zu n-dotierten Bereichen
in einem Abstand von weniger als 10 μm, sicherlich jedoch
in einem maximalen Abstand von weniger als 30 μm zur Oberfläche
auf, während die Dicke der am Markt kommerziell erhältlichen
Solarzellen bislang oberhalb 100 μm, sicherlich jedoch
oberhalb 50 μm liegt.
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Halbleiterübergänge
in diesen kommerziell erhältlichen wafer-basierenden Solarzellen
werden durch Diffusionsverfahren ausgehend von einer mit den Oberflächen
der Halbleiter in Wechselwirkung stehenden Diffusionsquelle durch
Temperaturbehandlungen erzeugt. Alternativ dazu können
Halbleiterübergänge auch durch Legierungs-Verfahren – wie
beispielsweise dem Legieren von Aluminium und Silizium – ausgehend
von einer mit der Oberfläche in Wechselwirkung stehenden
Dotierstoffquelle erzeugt werden. Auch hierfür ist ein Temperaturbehandlungsschritt
erforderlich, bei dem zumindest die eutektische Temperatur gemäß Phasendiagramm
der entsprechenden Materialien überschritten wird. Bei
allen bsilang kommerziell am Markt erhältlichen Solarzellen,
dienen entweder über das Volumen des Wafers hinweg durchgängig
n-dotierte Wafer oder durch das Volumen des Wafers hinweg durchgängig
p-dotierten Wafer als Ausgangsmaterial für die Solarzellen-Prozessierung.
Die Dotierstoffkonzentration innerhalb des Wafers ist dabei üblicherweise
so gewählt, daß sich eine ausreichende Leitfähigkeit
des Halbleitermaterials im Materialvolumen ergibt, um erhebliche
Verluste im Wirkungsgrad der Solarzelle durch Serienwiderstandsverluste
beim Transport der erzeugten Ladungsträger zu minimieren.
Durch die homogene Dotierung des größten Teiles
des Materialvolumens heute am Markt erhältlicher wafer-basierender
Solarzellen, bildet sich innerhalb von weiten Bereichen des Materialvolumens
dieser Solarzellen kein elektrisches Feld aus, das den erzeugten
Minderheitsladungsträgern eine Vorzugsrichtung aufprägen
könnte. Statt dessen bewegen sich diese Ladungsträger
gemäß statistisch willkürlichen Mechanismen
innerhalb des Halbleitervolumens, bis sie letztlich einen Halbleiterübergang
erreichen und über diesen hinweg gelangen, um zur Ladungstrennung
innerhalb der Solarzelle, einer sich ausbildenden Spannung und oder
einem Stromfluß beizutragen.
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Mit
den oben genannten Erfindungen ist es jedoch vorteilhaft möglich,
auch Wafer als Ausgangsmaterial für die Solarzellenfertigung
herzustellen, die keine oder nur sehr geringe Dotierstoffkonzentrationen – insbesondere
auch solche geringen Dotierstoffkonzentrationen, die keine ausreichende
Leitfähigkeit für typische Solarzellenprozesse
bieten – aufweisen. Wie bereits in A–D diskutiert,
ist es sogar möglich, derartige Ausgangswafer mit weiniger
Kristalldefekten, Verunreinigungen, mechanischen Spannungen und
oder mit geringerer Welligkeit herzustellen, woraus sich schon an
sich Vorteile für die Solarzellenherstellung ergeben.
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Um
derartige Ausgangswafer nun mit ausreichend leitfähigen
Halbleiterbereichen bzw. mit p-n-Halbleiterübergängen
zu versehen, ist es notwendig, Dotierstoffe zumindest ausgehend
von einem Teil der Oberflächengebiete des Halbleiters tief
in diesen Halbleiter einzutreiben.
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Für
das tiefe Eintreiben von Dotierstoffatomen mit Diffusionsverfahren
sind üblicherweise sehr hohe Temperaturen und oder sehr
lange Temperaturbehandlungszeiten erforderlich. Beides ist bislang
mit wirtschaftlichen Verfahren für die Herstellung von
Solarzellen offensichtlich noch nicht vereinbar gewesen. Ferner ist
es erforderlich, daß bei Prozeßtemperaturen oberhalb
typischer bislang für Solarzellen verwendeter Diffusionstemperaturen
(800°C bis 1100°C) einerseits Kontamination des
Halbleitermaterials durch von außen unbeabsichtigt eindringende
Verunreinigungen ausgeschlossen wird und sehr langsame Abkühlrampen
gewählt werden, um die Minderheitsladungsträger-Lebensdauer
des Materials nicht zu reduzieren. Bei multikristallinen Materialien
ist dabei die Diffusionstemperatur üblicherweise bisher
auf 900°C oder maximal 950°C Maximaltemperatur
begrenzt, da andernfalls erhebliche Degradation der Material-Minderheitsladungsträger-Lebensdauer
zu erwarten ist.
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Übliche
Diffusionsprozesse beschränken sich ferner aus Wirtschaftlichkeitsgründen
bislang auf Prozeßzeiten von bis zu einer Stunde, maximal
jedoch zwei Stunden für kommerziell erhältliche
industriell in Massenproduktion gefertigte Solarzellen.
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Ferner
verwenden industriell gefertigte Solarzellen in ihren Herstellprozessen
bislang Dotierstoffquellen mit vergleichsweise hoher Dotierstoffkonzentration.
Dies sind beispielsweise mehr als 1020 P-Atome/cm3 bei Phosphor-Diffusionsprozessen und mehr
als 1019 Dotierstoffatome/cm3 bei
Bor-Diffusionsprozessen. Die hohen Dotierstoffkonzentrationen werden
verwendet, um einerseits die Prozeßzeiten bei der Diffusion
kurz und damit den Durchsatz an Wafern hoch zu halten (> 1000 Wafer/h) und
andererseits, um mit aus Metallpasten hergestellten oder durch Metallabscheideverfahren
aus chemischen Lösungen hergestellten Metallkontakten, die
aus Wirtschaftlichkeitsgründen verwendet werden, niedrige
Kontaktübergangswiderstände zu den hoch dotierten
Halbleitergebieten herstellen zu können.
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Entgegen
dem Stand der Technik wird gemäß dieser Erfindung
vorgeschlagen, während langer Prozeßzeiten bei
hohen Temperaturen – teilweise über die für
Solarzellenherstellung üblichen Diffusionstemperaturen
hinausgehenden Temperaturen bis im Extremfall hin zu 1407°C – Wafer
die mit Dotierstoffquellen an ihren Oberflächen in Kontakt
sind oder in mit diesen in Wechselwirkung stehen Temperaturbehandlungen
zu unterziehen. Dabei wird ausgehend von den Oberflächen,
die mit der Dotierstoffquelle in Wechselwirkung stehen, Dotierstoff
sehr tief ins Innere des Halbleitervolumens eingetrieben, so daß anschleißend
nahezu alle Bereiche des zuvor nahezu undotierten Halbleiterwafers
dotiert sind. Ferner wird es gemäß dieser Erfindung
als vorteilhaft erachtet, sehr langsame Abkühlraten beim
und nach dem Diffundieren der Wafer zu verwenden. Letztlich kann
es vorteilhaft sein, geringere Dotierstoffkonzentrationen an der
Oberfläche der Halbleiterbauelemente einzutreiben, um damit
zu verhindern, daß oberflächennahe Bereiche mit
stark erhöhter Rekombinations-Wahrscheinlichkeit für
Minderheitsladungsträger an der Oberfläche der
Solarzellen entstehen, die die Ausbeute beim Konvertieren von elektromagnetischer
Strahlung in elektrische Energie reduzieren würden. Es wird
ferner im Sinne dieser Erfindung für vorteilhaft erachtet,
zumindest einen der Dotierstoffe für n-Dotierung oder p-Dotierung
mindestens bis zur Hälfte der Dicke des flächigen,
waferförmigen Halbleiterbauelementes einzutreiben, um die
dotierstoffarme Übergangszone im p-n Halbleiterübergang
in ihrer räumlichen Ausdehnung nicht unvorteilhaft groß werden
zu lassen. Das Eintreiben kann dabei auch durch Legieren anstatt
durch Diffusion des entsprechenden Dotierstoffes oder durch Kombinationen
daraus erfolgen.
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Durch
die Möglichkeit zu höheren Prozeßtemperaturen
und längeren Prozeßzeiten zu gehen, ergibt sich
der Freiheitsgrad, den Halbleiterübergang nahezu an jede
beliebige Position innerhalb der Solarzelle zu verlegen. Die Position
des Halbleiterüberganges wird dabei idealerweise der jeweiligen
Solarzelle angepaßt, so daß die Trennung der Ladungsträger
nach Abwägen (je nach Oberflächenstruktur bzw.
Textur) der Abhängigkeit der Photonenabsorptionswahrscheinlichkeit
von der Eindringtiefe im Halbleiter, nach Abwägen der Minderheitsladungsträger-Mobilität
sowie nach Abwägen von Rekomibationswahrscheinlichkeiten
im Volumen und an den Oberflächen der Solarzelle und Berücksichtigung
der in der Solarzelle vorhandenen elektrischen Felder in optimaler
Tiefe in der Solarzelle erfolgt.
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Wesentlich
bei der Durchführung des beschriebenen Verfahrens ist,
daß die Waferoberflächen vor Durchführung
des Hochtemperatur-Diffusionsprozesses durch geeignete Reinigungsverfahren
von möglichen Verunreinigungs- oder Defektquellen wie beispielsweise
mechanische Schädigungen, die z. B. von Wafer-Schneideverfahren
bzw. dem Wafer-Sägen herrühren können,
befreit werden. Wesentlich ist ferner, daß die Oberflächen
des Halbleiterbauelementes während der Hochtemperaturbehandlung
vor externen Verunreinigungen geschützt sind. Dies kann
beispielsweise durch geeignete Wahl der Prozeßumgebung
(nur hochreine Materialien wie Quarz, hochreine Keramiken, Halbleitermaterial
sowie hochreine Prozeßgase) bei der Temperaturbehandlung
erfolgen. Außerdem ist es möglich, die Oberflächen
der Halbleiterbauelemente immanent durch zuvor oder während
der Temperaturbehandlung aufgebrachte Schichten, wie Oxidschichten
oder Dotierstoffschichten oder andere die Halbleiteroberflächen
wirksam vor Verunreinigungen schützenden Schichten während
der Temperaturbehandlung vor dem Eindringen von unerwünschten
Verunreinigungen zu bewahren.
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Prozeßtemperaturen
deutlich oberhalb der bislang üblichen Diffusionstemperaturen
für Solarzellen sind nicht als schädlich für
die Minderheitsladungsträger-Lebensdauer im Halbleitermaterial
der Solarzelle zu betrachten, sofern externe Kontaminationsquellen
ausgeschlossen oder minimiert werden können und langsame
Abkühlraten – ähnlich derer nach Kristallisationsprozessen – gewählt
werden. Die langsamen Abkühlraten sollten dabei zumindest
bis hinunter zu typischen Diffusionstemperaturen (für bislang
kommerziell am Markt erhältliche Solarzellen) eingehalten
werden – vorteilhafter jedoch bis hinunter zu Temperaturen
unterhalb 500°C.
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Idealerweise
werden jedoch oberhalb dieser bislang typischen Diffusionstemperaturen
(800°C bis 1100°C) noch langsamere Abkühlraten
verwendet, als dies nach Kristallisations-Prozessen der Fall ist.
Damit wird erreicht, daß Defekte im Halbleiterwafer gemäß den
Erfindungen A–D weiter deutlich reduziert werden können,
und daß mechanische Spannungen reduziert werden können,
die unter anderem die Bruchwahrscheinlichkeit der Wafer (z. B. bandgezogener
Siliziumwafer) und Solarzellen negativ beeinflussen. Ferner kann
die Welligkeit von zuvor welligen Wafern erheblich reduziert werden
kann. Aus der Literatur [K. Hartman, Appl. Phys. Lett 93,
122108 (2008)] ist bekannt, daß bei Prozeßtemperaturen
von oberhalb 1350°C und bei Prozeßzeiten von 6
Stunden und mehr die Versetzungsliniendichte in bandgezogenen multikristallinen
Wafern um mehr als eine Größenordnung reduziert
werden kann. Aus eigenen Untersuchungen ist bekannt, daß dabei gleichzeitig
die Welligkeit von bandgezogenen multikristallinen Wafern durch
geeignete Maßnahmen zum Komprimieren von Stapelanordnungen
für Wafer so reduziert werden kann, daß die Welligkeit
auf Schwankungen in der Waferdicke reduziert wird. Allerdings wurde
bisher in der Literatur kein vorteilhaft anwendbares Verfahren für
derartige zeitintensive Verfahren beschrieben. Ebenso wenig wurde
bisher ein derartiges Verfahren beschrieben, das gleichzeitig das
Eindringen von unerwünschten externen Verunreinigungen
in die Wafer vermeidet.
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Neben
der Möglichkeit des Eintreibens von Dotierstoffen durch
Diffusion kommt auch das Eintreiben von Dotierstoffen gemäß Löslichkeit
im Halbleitermaterial gemäß dem die entsprechenden
Materialien betreffendem Phasendiagramm in Frage. Dabei ist zu berücksichtigen,
daß die Löslichkeit für den entsprechenden Dotierstoff
nicht nur durch die jeweilige Prozeßtemperatur bestimmt
wird, sondern auch durch die mit der Oberfläche in Wechselwirkung
stehende Dotierstoffmenge (Gewichtsanteile), wenn man davon ausgeht,
daß die Menge Silizium (Masse), die bei diesem Prozeß mit
der Dotierstoffmenge (Masse) in Wechselwirkung tritt in erster Nährung
sehr groß im Vergleich zur Dotierstoffmenge ist. Ferner
kann die Löslichkeit durch Transportmechanismen für
Dotierstoff hin zur Grenzfläche mit dem Silizium (oder
allgemeiner Halbleitermaterial) bei der entsprechenden Temperatur
limitiert sein. Je nach gewählter Prozeßtemperatur
und Materialkombination aus Dotierstoffquelle und Halbleitermaterial
sowie Eigenschaften der Dotierstoffquelle (Zusammensetzung, Dicke, Transporteigenschaften
für Dotierstoff) ist der Diffusionsprozeß oder
der Lösungsprozeß gemäß Phasendiagramm
(z. B. Legieren) der dominante oder schnellere Prozeß beim
Eintreiben von Dotierstoffatomen in den Halbleiter. So ist beispielsweise
bei Aluminium und Silizium bei moderaten Temperaturen (bis beispielsweise 900°C)
der Legierungsprozeß gemäß Phasendiagramm
eindeutig der dominante Prozeß, um Aluminium ins Silizium
als Dotierstoff einzutreiben. Die Menge an Silizium, die in die
Legierung aufgenommen wird, hängt dabei von der zur Verfügung
stehenden Prozeßzeit, der Prozeßtemperatur, des
in Wechselwirkung stehenden Al-Volumens (bei reinen Aluminiumschichten),
des in Wechselwirkung stehenden Si-Volumens und dem Temperatur-Zeit-Verlauf
bei der Temperaturbehandlung ab. Beim Abkühlen wird dann
gemäß Löslichkeit (im Phasendiagramm)
aus der zunächst entstandenen Schmelze mit Al dotiertes
Silizum epitaktisch abgeschieden, bis schließlich die eutektische
Temperatur von 577°C erreicht ist und die verbliebene Schmelze
gemäß eutektischer Zusammensetzung ebenfalls in
kristalliner Form erstarrt. Durch geeignete Wahl der Dotierstoffquellen- Schichtdicke
sowie des Temperatur-Zeitverlaufs läßt sich so
beispielsweise sehr genau steuern, wie weit sich der so entstehende
dotierte Bereich nach Erstarren der Schmelze ins Halbleitergebiet
hin erstreckt. Dabei kann auch sinnvoll sein, beispielsweise auf
der mit Silizium in Wechselwirkung stehenden Aluminiumschicht eine weitere
Schicht abzuscheiden, die nicht oder nur geringfügig oder
zu Teilen mit der Schmelze in Wechselwirkung tritt. Diese Schicht
könnte beispielsweise aus Al2O3 oder SiO2 sein.
Eine derartige Schutzschicht reduziert die Wechselwirkung der Halbleiter-
oder Dotierfilmschichten mit der während der Temperaturbehandlung
vorherrschenden Ofenatmosphäre und verhindert, daß im
Stapel angeordnete Halbleiterbauelemente nach der Temperaturbehandlung
aneinander haften. Es ist auch denkbar, daß sich eine derartige
Schutzschicht erst während der Temperaturbehandlung – beispielsweise
in einer sauerstoffreichen Atmosphäre – ausbildet.
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Ähnlich
wie Aluminium können auch andere Dotierstoffe, wie Phosphor,
Bor, Antimon, Wismut, Gallium, Indium, Thallium, Thulium, Hotarium
oder andere Dotierstoffelemente bzw. Kombinationen von Dotierstoffelementen
gemäß Phasendiagramm bei entsprechend gewählten
Prozeßtemperaturen unterhalb des Silizium-Schmelzpunktes
(~1407°C) mit Silizium eine Schmelzphase bilden und dann
beim Abkühlen gemäß Löslichkeit
und Temperaturverlauf ins erstarrende Silizium aufgenommen werden.
Natürlich gilt dies auch bei Dotierstoffatomen, die mit
anderen Halbleitermaterialien in Wechselwirkung gebracht werden
können.
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Eine
vorteilhafte Anwendungsform dieser Technologie sieht dabei vor,
daß beispielsweise vor der Temperaturbehandlung zunächst
eine Oberflächenreinigung der Wafer in einem naßchemischen
Durchlaufverfahren oder in einer Vakuumanlage, in der bei für
Reinigungszwecke geeigneter Atmosphärenwahl und geeignetem
Restdruck ein Plasma gezündet werden kann, durchgeführt
wird. Sodann – im Falle der Plasma-Reinigung bevorzugt,
ohne erneut die Wafer in eine Umgebung mit Atmosphärendruck
zu bringen – kann die gewünschte Dotierstoffquelle
beispielsweise mit einem Sputterverfahren auf der Oberfläche
oder Teilen der Oberfläche des Halbleiterbauelementes abgeschieden
werden. Hierbei ist beispielsweise möglich, entsprechende
Dotierstoffatome in elementarer Form mit hoher Reinheit und präziser
Schichtdicke auf den Halbleiterbauelementen abzuscheiden. Natürlich
ist auch möglich, die Dotierstoffquelle in anderer chemischer
Zusammensetzung (nicht elementare Dotierstoffschichten wie zum Beispiel
P2O5-Schichten)
oder mehrere Dotierstoffe, bzw. Dotierstoffschichten abzuscheiden.
Sofern vorteilhaft, können letztlich weitere Schichten
wie die oben erwähnten Schutzschichten (z. B. SiOx, SiNx, AlOx, ...) abgeschieden werden, die die Wechselwirkung
der Ofenatmosphäre mit den Dotierschichten und dem Halbleitermaterial
einschränken, die die Kontamination durch Verunreinigungen
minimieren und/oder das Aneinanderhaften der während der
Temperaturbehandlung in Stapeln angeordneten Halbleiterbauelemente
verhindern helfen können. Auch für diesen Behandlungsschritt
kommt beispielsweise ein Vakuum-Sputterverfahren in Frage. Aber
natürlich eigenen sich auch andere Verfahrensschritte,
wie beispielsweise CVD-Verfahren (chemical vapour deposition) oder
ALD-Verfahren (atomic layer deposition) sowie andere bekannte Abscheidverfahren
wie beispielsweise Sol-Gel-Abscheidverfahren. Nachdem der gewünschte
Schichtstapel erzeugt wurde, werden die Wafer bevorzugt schädigungsarm oder
schädigungsfrei durch geeignete Handhabungstechnik zu Stapelanordnungen
verdichtet, bei denen sich die Wafer bevorzugt entlang ihrer Oberflächen
berühren. Falls gewünscht können die
Stapelanordnungen durch geeignete Hilfsmittel aus hochreinem Material
(bevorzugt Halbleitermaterial) in ihrer Form stabilisiert oder komprimiert
werden. Die Hilfsmittel wie Abdeck- oder Schutzplatten oder Einhausungen
oder Transportboxen aus hochreinem, für Halbleiterprozesse
geeignetem Material, können dabei – sofern gewünscht – gleichzeitig
dafür sorgen, daß der Austausch oder die Wechselwirkung
mit der zugänglichen Ofenatmosphäre während
der Temperaturbehandlung – insbesondere bei sehr hohen
Prozeßtemperaturen mit erhöhtem Kontaminationsrisiko – minimiert
wird.
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Die
Stapelanordnungen werden sodann einer geeigneten Temperaturbehandlung
in einem dafür geeigneten Ofen ausgesetzt. Dies kann beispielsweise
ein Kammerofen sein, wie er derzeit von der Halbleiterindustrie
für das Aufschmelzen von Silizium in Tiegeln und das anschließende
Erstarren oder Kristallisieren multikristalliner Materialien in
Siliziumblöcken innerhalb dieser Tiegel genutzt wird. In
Frage kommen je nach Temperatur-Zeitverlauf und Anforderungen an
die Reinheit der Ofenatmosphäre auch Durchlauf-Temperaturbehandlungsöfen.
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Eine
hohe Dichte der Wafer pro Volumeneinheit ist dabei sehr wichtig,
wenn vergleichsweise lange Temperaturbehandlungsschritte von mehreren
Stunden oder gar Tagen angestrebt werden. Nur durch eine dichte
Anordnung der Wafer und ein entsprechend großes Ofenvolumen
lassen sich wirtschaftliche Verfahren zur Herstellung von Solarzellen
bei diesen Prozeßzeiten und den langsamen Abkühlraten
vorteilhaft ausführen.
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Dabei
haben Kammeröfen, wie sie zum Aufschmelzen von Silizium
und anschließenden Erstarren multikristalliner Siliziumblöcke
verwendet werden, bereits gezeigt, daß damit die Temperatur-Zeitverläufe
unterhalb der Silizium-Schmelztemperatur sehr präzise gesteuert
werden können und die notwendigen Anforderungen an die
Reinheit der Ofenatmosphäre für Halbleiterprozesse
bei den entsprechenden Temperaturen gegeben sind.
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Ein
vorteilhaftes Beispiel der oben beschriebenen Anwendung sieht beispielsweise
vor, daß die Wafer zunächst gegebenenfalls nach
einer naßchemischen Ätze zum Entfernen von geschädigten
oberflächennahen Kristallbereichen, die beispielsweise
durch das Waferschneiden entstanden sein können, in ein
Vakuumsystem auf dafür geeigneten Paletten liegend eingeschleust
werden. Dort werden zunächst in einem Plasma-Reinigungsverfahren
die Oberflächen des Halbleiterbauelementes gereinigt, so
daß keine Verunreinigungen oder störende Oxidschichten
zurück bleiben. Dann werden ebenfalls in einem Vakuumsverfahren
(möglichst in derselben Durchlauf-Prozeßanlage)
auf der später Licht empfangenden Seite der Solarzelle
beispielsweise elementarer Phosphor in gewünschter definierter
Schichtdicke und eine darüberliegende Schutzschicht (beispielsweise
SiOx oder AlOx oder
SiNx) in gewünschter Dicke homogen über
die Oberfläche hinweg aufgesputtert. Ferner wird auf der
späteren Rückseite der Solarzelle zunächst
eine homogene Schicht aus elementarem Bor oder elementarem Aluminium
entsprechend gewünschter Dicke sowie anschließend
erneut eine der oben genannten Schutzschichten gewünschter
Dicke aufgesputtert. Die so hergestellten Wafer werden anschließend
in Stapelanordnungen – jeweils ca. 200–300 Wafer
in einer Stapelbox aus Silizium – in einem Kammerofen,
der vorzugsweise mit 100000 oder mehr Wafern beladen werden kann,
einem Temperatur-Zeitprofil ausgesetzt, das bis zu 24 h andauern
kann und bevorzugt bei einer Temperatur von etwa 1100°C
bis ~1400°C durchgeführt wird und sich durch sehr
langsame Abkühlrampen auszeichnet. Während dieser
Temperaturbehandlung dringen die Dotierstoffe von den gegenüberliegenden
Oberflächen ausgehend so tief in den Halbleiter ein, daß in
den Wafern aus intrinsischem Halbleitermaterial ein Halbleiterübergang
weit entfernt von den Oberflächen im Inneren der Halbleiterplatten
entsteht. Dabei dringt beispielsweise Phosphor (gesteuert durch die
Schichtdicke der Phosphorschicht und den Temperatur-Zeitverlauf)
bevorzugt bis zu mindestens einem Viertel der Dicke der Wafer in
den Halbleiter ein. Der Dotierstoff zur p-Dotierung der Wafer (bevorzugt
Aluminium oder Bor) dringt ebenfalls durch die Schichtdicke des
Dotierstoffes und den Temperatur-Zeitverlauf gesteuert weit über
die Hälfte der Dicke des Wafers hinweg bis hin zur Phosphordotierung,
die von der Vorderseite der Solarzelle aus eingetrieben wurde vor.
Dabei kann es vorteilhaft sein, Dotierstoffe auszuwählen,
die bevorzugt durch die im Phasendiagramm vorgegebene Wechselwirkung
mit dem Halbleitermaterial anstatt durch Diffusionsprozesse dominiert
mit dem Halbleitermaterial in Wechselwirkung treten, da sich dann
die Eindringtiefen im Halbleitermaterial über die gewählten
Schichtdicken der Dotierstoffbeschichtungen präzise einstellen
lassen und Freiheitsgrade für den Temperatur-Zeit-Verlauf
bleiben.
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Nach
der so durchgeführten Temperaturbehandlung ergeben sich
von beiden Oberflächen ausgehende tiefe Dotierstoffprofile
von deutlich über 10 μm Eindringtiefe. Falls die
Dicke der aufgesputterten Dotierstoffschichten geeignet gewählt
wurde, kann sichergestellt werden, daß die maximale Dotierstoffkonzentration
in den dotierten Bereichen überall unterhalb einer gewünschten
Obergrenze liegt, die zu erhöhter Rekombination für
Minderheitsladungsträger führen würde.
Bei Phosphor sollte diese Obergrenze beispielsweise sicher nicht 1019 P-Atome/cm3 überschreiten,
da durch die entsprechende Emittertiefe auch bei deutlich geringerer
P-Konzentration die gewünschte Emitterleitfähigkeit
sichergestellt werden kann. Vorteilhaft sind Emitter mit Eindringtiefen
von deutlich über 10 μm, die Dotierstoffkonzentrationen
unterhalb von 1018 P-Atome/cm3 aufweisen.
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Ähnlich
gilt für die Basisdotierung, daß die Dicke der
Dotierstoffschicht möglichst so gewählt werden sollte,
daß die Dotierstoffkonzentration deutlich unterhalb von
1018 P-Atome/cm3 liegt.
Durch das epitaktische Wachstum der so dotierten Bereiche gemäß Phasendiagramm
beim Abkühlen der Wafer-Stapelanordnungen, bzw. durch zusätzliche
Diffusionsprozesse, bzw. durch Anhäufungsprozesse für
Dotierstoffe an den Oberflächen (pile-up von Dotierstoffen
im besonders oberflächennahen Bereich durch darüber
liegende Diffusionsbarriere-Schichten) kommt es zur Ausbildung von
Gradienten in der Dotierstoffkonzentration. Die Dotierstoffkonzentration
der jeweiligen Dotierstoffbereiche nimmt jeweils von den jeweiligen
Oberflächen ausgehend (von denen aus die Dotierstoffe eingetrieben
werden) hin zum Halbleiterübergang ab. Entlang dieser Dotierstoffgradienten
bildet sich somit ein elektrisches Feld aus, das Minderheitsladungsträgern
nach deren Erzeugung eine kontinuierliche Drift hin zum Halbleiterübergang
aufprägt und somit deren Wahrscheinlichkeit, zur Ladungsträgertrennung,
bzw. zum Ausbilden einer extern abgreifbaren elektrischen Spannung
oder eines externen Stromflusses bei der Solarzelle deutlich erhöht.
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Parallel
kommt es während der Temperaturbehandlung der Waferstapel
zu Getterprozessen, die Verunreinigungen im Halbleiter bevorzugt
in höher dotierten Bereichen des Halbleiters anlagern.
Durch die angesprochenen pile-up-Effekte für Dotierstoffe
an den durch Schutzschichten oder Diffusionsbarrieren abgedeckten
Oberflächen der Solarzelle kommt es zu einer besonderen
Ansammlung der Verunreinigungen in den obersten sehr oberflächennahen
Regionen (<< 1 μm)
der Solarzelle. Dort können die Verunreinigungen wahlweise
anschließend durch einfache Ätzprozesse entfernt
oder wahlweise auch dort belassen werden. Diese Bereiche sind durch
das mit dem pile-up von Dotierstoffen entstehende FSF oder BSF effektiv
abgeschirmt und die Rekombinations-Wahrscheinlichkeit in diesen
Bereichen besteht nur für Ladungsträger, die dort
generiert werden.
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Die
Temperaturführung beim Abkühlen während
und nach dem Eintreiben der Dotierstoffe sollte so gewählt
werden, daß Verunreinigungen effektiv an den oberflächennahen
und internen Bereichen (Gettern an Korngrenzen und Versetzungslinien)
angelagert werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, sehr langsame
Abkühlraten bis hinunter zu Temperaturen unterhalb von
500°C zu wählen.
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Verfahren,
mit denen die eben beschriebenen Solarzellen – in ebenfalls
erfinderischer Weise – vorteilhaft passiviert und mit Metallkontakten
versehen werden können, werden noch in den folgenden Abschnitten F
bis H erläutert. Dort werden dann hierzu auch detaillierte
Anwendungsbeispiele offenbart.
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Allerdings
sei schon hier darauf hingewiesen, daß Solarzellen mit
derart tief dotierten Bereichen, wie sie hier beschrieben wurden,
deutlich mehr Freiheitsgarde bei der Passivierung der Oberflächen
und bei der Kontaktierung der dotierten Bereiche bieten, da sich
Solarzellen mit geringen Oberflächenkonzentrationen an Dotierstoffatomen
besser passivieren lassen und es aufgrund der großen Eindringtiefe
der Dotierstoffe praktisch ausgeschlossen ist, beim Kontaktieren
der dotierten Bereiche mit Metallkontakten Verunreinigungen bis in
den Halbleiterübergang einzutreiben – selbst wenn
Metalle einlegiert werden.
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Ein
typisches Beispiel einer Solarzelle die nach dem eben beschriebenen
Verfahren hergestellt wird, ist in nachfolgender Abbildung (2)
dargestellt.
-
2:
Solarzelle mit bei einer Hochtemperaturbehandlung in den zuvor intrinsischen
Wafer tief eingetriebenen Dotierbereichen. Der Halbleiterübergang
ist mit einer Linie angedeutet. Lokale Metallkontakte können
einlegiert werden und in Metallabscheideverfahren verstärkt
werden. Auf Vorderseite und Rückseite befinden sich vorteilhafte
Schichtstapel für passivierende dielektrische Schichten,
die weitere Funktionen (siehe nachfolgende Erfindungen) übernehmen
können (z. B.: Antireflexionsschicht, Wasserstoffquelle,
Wasserstoffbarriere, Isolationsschicht, Induzieren von elektrischen
Feldern, ...).
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Da
die Seitenkanten der Solarzelle vermutlich während der
Temperaturbehandlung und dem Eintreiben von Dotierstoffen in den
Halbleiter nicht ausreichend vor dem Eindringen von Dotierstoffen
geschützt werden können, sei auf einen weiteren
Vorteil dieser Solarzellenstruktur hingewiesen, der als eigenerfinderischer Gedanke
zu werten ist. Nach Eintreiben der Dotierstoffe ist es möglich,
die Seitenkanten des Wafers zum Beispiel durch Schleifverfahren,
selektive Ätzverfahren oder Schneideverfahren (einschließlich
Laserverfahren) mechanisch vom Halbleiterbauelement zunächst
zu entfernen. Dabei sollte annährend mindestens ein Bereich der
der Waferdicke entspricht an diesen Seitenflächen entfernt
werden. Entgegen dem Stand der Technik bei herkömmlichen
Solarzellen ist anschließend möglich, die mechanisch
entfernten Bereiche und große Teile der Solarzelle in beispielsweise
einem naßchemischen Durchlaufprozeß einem Ätzschritt
zu unterziehen, bei dem mechanische Schäden ohne weiteres
bis in eine Tiefe von etwa 10 μm oder tiefer abgetragen
werden können, ohne daß dadurch die dotierten
Bereiche an einer der Waferoberflächen erheblich oder nachteilig
beeinflußt würden, da diese ja sehr viel tiefer
reichen. Im Gegenteil kann ein solcher Verfahrensschritt sinnvoll
sein, falls ohnehin die in den pile-up-Gebieten angesammelten Verunreinigungen
mit einem Ätzschritt aus dem Halbleiter entfernt werden
sollen.
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Noch
vorteilhafter kann es sein, die Texturierung oder Strukturierung
der Solarzellenoberflächen anstatt in dem Reinigungs- und Ätzverfahren
vor Aufbringen der Dotierstoffquellen erst jetzt durchzuführen,
da hiermit in einem Verfahrensschritt
- • die
Verunreinigungen vom externen Gettern aus dem Halbleiterwafer entfernt
werden
- • die mechanisch entfernten und eventuell mechanisch
geschädigten Bereiche an den Waferkanten entfernt werden
- • die Vorderseite der Solarzelle strukturiert werden
kann (Beispiel honeycomb-Textur)
- • die Rückseite der Solarzelle poliergeätzt
werden kann
- • die Wafer für einen nachfolgenden Beschichtungsprozeß zum
Aufbringen dielektrischer Schichten von Verunreinigungen an der
Oberfläche effektiv gereinigt werden können.
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Auch
hierin ist ein eigenerfinderischer Gedanke zur vorteilhaften Anwendung
der beschriebenen Verfahren zu sehen.
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Ein
anderes Anwendungsbeispiel sieht vor, daß die Dotierstoffquelle
nicht als elementarer Film des Dotierstoffes, sondern als Precursor
oder Dotierstoffmatrix aufgebracht wird. Hierzu kommen beispielsweise auch
Verfahren in Frage, wie sie bereits heute zur Herstellung von Solarzellen
bei Diffusionsprozessen verwendet werden. So kann beispielsweise
die Dotierstoffquelle in Zerstäubungs-, Sprüh-,
Tauch-, Nebelniederschlags-, Dampf-Kondensations-Druck- oder anderen
Aufbringverfahren auf den Wafer flächig oder lokal aufgebracht
werden. Die Dotierstoffquelle kann dabei aus einer Stoffmatrix bestehen,
die beispielsweise bei Silizium als Halbleitermaterial des Wafers
ein Phopshorsilikatglas oder Borsilikatglas bildet. Dabei ist es
möglich, die Dotierstoffkonzentration innerhalb der Diffusionsquelle
so zu beeinflussen, daß bei den gewünschten Hochtemperaturprozessen
zum Eintreiben der Dotierstoffe, die Dotierstoffmatrix als Moderator
bzw. für das Eindringen limitierender Faktor zu sehen ist.
Damit ist beispielsweise möglich, die Oberflächenkonzentration an
Dotierstoffen, die sich nach Eintreiben der Dotierstoffatome ergibt,
zu begrenzen. Der Transport von Dotierstoffatomen hin zur Grenzfläche
mit dem Halbleiter kann also als der für das Eintreiben
der Dotierstoffatome in Legierungs-, Lösungs- oder Diffusionsprozessen
begrenzende Mechanismus gestaltet werden. Somit können
unter Umständen höhere Prozeßtemperaturen
und längere Prozeßzeiten beim Eintreiben der Dotierstoffe erreicht
werden, ohne die Diffusionsquelle zu tief oder mit zu hoher Dotierstoffkonzentration
in den Halbleiter einzutreiben. Auch hier sind hohe Temperaturen
und langsame Abkühlraten bei der Temperaturbehandlung wünschenswert,
um parallel zum Eintreiben der Dotierstoffatome, die Materialeigenschaften
der Wafer wie oben beschrieben zu verbessern.
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F: Solarzellen mit mehreren horizontalen
Halbleiterübergängen und besonderer Eignung für
Halbleitermaterialien mit vergleichsweise geringer Diffusionslänge
für Minderheitsladungsträger.
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Alle
heute am Markt kommerziell erhältlichen aus Wafern hergestellten
Solarzellen zeichnen sich dadurch aus, daß die Halbleiterübergänge
im Wesentlichen sehr oberflächennah ausgebildet sind und
der Halbleiterübergang von p- nach n-Gebiet oder umgekehrt
im Wesentlichen in vertikaler Richtung erfolgt. Vertikal bedeutet
in diesem Sinne, daß die erzeugten Minderheitsladungsträger
im Wesentlichen eine Strecke vertikal durch den Wafer (entlang der
Senkrechten zu den Waferoberflächen) zurücklegen
müssen, um zu einem Halbleiterübergang zu gelangen.
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Minderheitsladungsträger
bewegen sich in bisher kommerziell erhältlichen Solarzellen
ohne das Vorhandensein ausgeprägter elektrischer Felder – wie
sie erst durch die in Abschnitt E beschriebene Erfindung hergestellt
werden können – im Wesentlichen durch statistische
Prozesse willkürlich durch den Halbleiter. Dabei muß zumindest
eine Sorte Ladungsträger je nach deren Erzeugungsort in
der Solarzelle jeweils eine vergleichsweise große Distanz
zurücklegen, bevor der Halbleiterübergang erreicht
wird. Der mittlere effektive Weg, den Minderheitsladungsträger
bis zum Halbleiterübergang zurücklegen, kann bedingt
durch den willkürlichen Weg, den die Ladungsträger
wählen, deutlich größer sein als die
die Distanz zwischen Ladungsträger-Entstehungsort und Halbleiterübergang – und
insbesondere auch größer als die Waferdicke.
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Ziel
dieser Erfindung ist daher, den Weg für Minderheitsladungsträger
deutlich zu reduzieren, so daß auch Halbleitermaterialien
eingesetzt werden können, die eine deutlich geringere mittlere
Ladungsträger-Diffusionslänge haben, ohne daß dadurch
der erzielbare Wirkungsgrad der entsprechend hergestellten Solarzellen
notwendigerweise signifikant reduziert wird.
-
Hierzu
wird vorgeschlagen, in den zuvor hergestellten undotierten oder
nur sehr schwach dotierten (z. B. < 1014 B-Atome/cm3) Wafern
im Wesentlichen horizontale Halbleiterübergänge
auszubilden, wobei nicht ausgeschlossen werden muß, daß zusätzlich
vertikale Halbleiterübergänge im oberflächennahen
Bereich ausgebildet werden können. Die so entstehende Solarzelle
wird fortan als HOR-ZELleTM bezeichnet werden
und ist in folgenden Abbildungen (3–6)
schematisch in vier Varianten dargestellt.
-
HOR-ZELleTM steht dabei im folgenden auch für:
- HORizontal ausgebildete Halbleiterübergänge
in Solar-ZELlen.
- HORizontal ausgebildete Halbleiterübergänge
in Solar-ZELlen mit besonders leitfähigen Kontakten.
- HORizontal ausgebildete Halbleiterübergänge
in Solar-ZELlen höchst leistungsstarker Ausführung
- HOchspannungs-SolaRZELlen sowie Hochspannungsmodule zur vorteilhaften
Verschaltung mit geringen Widerstandsverlusten und geringer Empfindlichkeit
gegen Abschattung
-
Allen
Varianten gemeinsam sind drei Merkmale:
- • Die
von der Oberfläche ausgehend dotierten Bereiche dringen
sehr tief in die Solarzelle ein. Üblicherweise reichen
von der Oberfläche ausgehend eingetriebenen Dotierstoffbereiche
sowohl für die p-dotierten als auch für die n-dotierten
Gebiete mehr als 10 μm und damit deutlich weiter als in
kommerziell am Markt erhältlichen Solarzellen in den Wafer.
- • Es kommt in horizontaler Richtung, also parallel
zu den Oberflächen des Wafers auch im Inneren, also in einem
Abstand von mehr als 10 μm von den Oberflächen
zu mehreren – üblicherweise sehr vielen bzw. mehr
als 100 – Halbleiterübergängen zwischen
p-dotierten und n-dotierten Gebieten
- • Innerhalb der p-dotierten und der n-dotierten Gebiete
gibt es jeweils einen Gradienten mit zunehmender Dotierstoffkonzentration
vom Halbleiterübergang hin zu den Oberflächen,
von denen ausgehend die Dotierbereiche in einem Temperaturbehandlungsschritt
nach dem Kristallisationsprozeß bzw. der Waferherstellung
erzeugt wurden.
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In
vorteilhafter Ausprägung der HOR-ZELleTM erstrecken
sich die von den jeweiligen Oberflächen ausgehend eingetriebenen
p- und n-dotierten Gebiete weiter als bis zur Hälfte der
Waferdicke in den Halbleiter. Im Inneren der Halbleiterplatten durch
Photonen erzeugte Minderheitsladungsträger haben bei vorteilhafter
Ausführung der HOR-ZELleTM von
jedem Ort innerhalb des Halbleitervolumens ausgehend (an dem sie
erzeugt wurden) gemittelt eine vergleichsweise höhere Chance,
einen Halbleiterübergang zu erreichen, als dies bei kommerziell
erhältlichen Solarzellen bislang der Fall ist. Gründe
hierfür sind im Mittel ein besseres Verhältnis von
zurückzulegender Weglänge zu der jeweiligen Diffusionslänge
für Minderheitsladungsträger im jeweiligen Gebiet
sowie ein Gradient in der Dotierstoffkonzentration, der den Minderheitsladungsträgern
durch ein sich ausbildendes elektrisches Feld eine Vorzugsbewegungsrichtung
(Drift) in Richtung Halbleiterübergang aufprägt.
-
Die
Abstände zwischen n- und p-dotierten Gebieten sind bevorzugt
zumindest in einer horizontalen Richtung (einer Richtung parallel
zu den Oberflächen des Wafers) kleiner als die Waferdicke,
wenn intrinsische Wafer als Ausgangsmaterial gewählt werden.
Je nachdem, in welcher Form und von welcher/n Oberflächen die
Solarzelle in Folge-Prozeßschritten mit Metallkontakten
versehen wird, kann es vorteilhaft sein, die p- und n-Gebiete beispielsweise
in y-Richtung durchgängig als längliche Gebiete
parallel zu einer Seitenkante des Wafers auszubilden. Dann ist es
möglich, diese Gebiete mit linienförmigen Kontakten,
wie dies bislang bei den meisten Solarzellen der Fall ist, zu kontaktieren
und diese Kontaktfinger auf Sammelkontakte (so genannte Balken oder
busbars oder Verbinder) zu führen, die später
verlötet werden können, um Solarzellen in Modulen miteinander
elektrisch leitend zu verbinden. Auch möglich ist die linienförmige
Ausbildung dotierter Gebiete und zugehöriger linienförmiger
Kontakte sowohl in x- als auch in y-Richtung – bzw. auch
die Ausbildung linienförmiger Dotierbereiche und Kontakte
in x-Richtung und einer anderen horizontalen Richtung, die in einem Winkel
zu den in x-Richtung ausgerichteten linienförmigen Gebieten
verläuft (Netzmuster).
-
Sollen
derartige Kontakte allerdings auf der Vorderseite der Solarzelle
vorteilhaft zum Einsatz kommen, sollten diese Kontakte unbedingt
sehr schmal ausgebildet werden. Nur dann kann mit diesen Kontakten die
Abschattung der Solarzellen-Vorderseite ausreichend gering gehalten
werden, um keine erheblichen Stromverluste hinnehmen zu müssen.
Dafür wären Linienbreiten von 10 μm oder
weniger wünschenswert. Prozesse zur Herstellung derart
schmaler Kontakte mit industriell wirtschaftlichen Massenproduktionsverfahren
stehen jedoch bisher bei der industriellen Solarzellenfertigung
noch nicht zur Verfügung. Hier kommt der Erfindung zugute,
daß die sehr tief dotierten Bereiche, die es zu kontaktieren
gilt, kaum Anforderungen an die Eindringtiefe der Kontakte beim
Herstellen des Metall-Halbleiterkontaktes stellen. Da es möglich
ist, die Kontakte bis hin zu einer Tiefe, die der Hälfte
der Waferdicke entspricht, einzutreiben, ohne den Halbleiterübergang zu
erreichen, kommen völlig neue Methoden zur Kontaktherstellung
in Frage, die sich bislang nicht vorteilhaft einsetzen lassen.
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So
ist beispielsweise möglich, zunächst dielektrische
Schichten wie Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder andere
auf die Oberflächen des Wafers abzuscheiden oder dort wachsen
zu lassen. Hierfür kommen thermische Verfahren zur Oxidation
oder Naßoxidation, CVD-Verfahren, Sputter-Verfahren, ALD-Verfahren
und andere dem Stand der Technik entsprechende Verfahren in Frage.
Anschließend ist optional möglich, diese Schichten
lokal an den Stellen zu öffnen, an denen später
die Metallkontakte entstehen sollen. Hierzu kommen Laserverfahren
oder andere lichtinduzierte Verfahren oder selektive Ätzverfahren
(z. B. Ätzpasten) in Frage, die selektiv die dielektrischen
Schichten beispielsweise durch Ablation oder Ätzen öffnen.
Bekannt ist, daß mit Lasertechnik Bereiche mit einer Breite
von 10 μm oder weniger in den dielektrischen Schichten geöffnet
werden können werden können. Anschließend
wird auf die so strukturierte Oberfläche Metall aufgedampft,
aufgesputtert oder aus chemischen Lösungen zur Metallabscheidung
abgeschieden. Aus betriebswirtschaftlichen Gründen ist
dabei vorteilhaft, nur sehr dünne Schichten abzuscheiden.
Bei Aufdampf- oder Sputterverfahren ist es sehr einfach, die Dicke
der Schichten zu kontrollieren und falls dies vorteilhaft erscheint, Schichtstapel
aus mehreren Metallen in im Wesentlichen einem Verfahrensschritt
abzuscheiden. Eventuell ist es sogar vorteilhaft, nicht nur die
Metallschichten mit diesen Verfahren abzuscheiden, sondern auch
bereits die dielektrischen Schichten in diesen Vakuumanlagen abzuscheiden,
um anschließend den Laserprozeß ebenfalls im Vakuum
auszuführen. Vorteil dieser Vorgehensweise ist, daß beim
Lasern im Vakuum bzw. bei Inertgas-Atmosphäre mit geringem
Druck die Bildung von Oxid- oder Nirtid- Schichten vermieden werden
kann und gleich anschließend mit Vakuumverfahren in Durchlaufprozessen
weiterzuprozessieren, ohne daß erneut die Wafer ins Vakuum
eingeschleust werden müßten.
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Die
Verwendung eines Schichtstapels unterschiedlicher Metalle hat den
Vorteil, daß zum einen Metalle gewählt werden
können, die bei der Kontaktbildung die kleinste Potentialbarriere
zu Silizium ermöglichen. Andererseits können an
der Oberfläche der Schichtstapel Metalle verwendet werden,
die sich dazu eignen, im Anschluß galvanisch oder mit stromloser
Metallabscheidung verstärkt zu werden oder in Lötverfahren
kontaktiert zu werden. Ferner können Metalle gewählt
werden, die mit Silizium durch eine nachfolgende Temperaturbehandlung
legiert werden können.
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Da
jedoch somit noch keine lokalen Kontakte hergestellt sind, gilt
es in nachfolgenden Prozeßschritten die Bereiche zu entfernen,
die keinen direkten Zugang durch die dielektrische Schicht zum Silizium
haben. Hierfür besteht die Möglichkeit, zunächst
durch einen Temperaturbehandlungsschritt das Metall lokal an den in
der dielektrischen Schicht geöffneten Bereichen ins Silizium
einzutreiben. Dabei können Temperaturen gewählt
werden, die es zulassen, Metallsilizit-Bereiche, bzw. legierte Bereiche
zu erzeugen. Je nachdem, welche dielektrischen Schichten verwendet
werden und welche Metallschichten zum Einsatz kommen, kann es vorteilhaft
sein, hohe Prozeßtemperaturen zu verwenden, da dabei bei
geeigneter Wahl der dielektrischen Schichten gleichzeitig Wasserstoff
aus diesen dielektrischen Schichten in das Halbleitervolumen eingetrieben
werden kann, um dort verbliebene Defekte zu passivieren. Ferner
kommt es bei manchen Metallen erst bei höheren Prozeßtemperaturen
zu Metall-Halbleiterverbindungen mit geringem Kontakt-Übergangswiderstand.
Je nachdem, ob die legierten Schichten selektiv gegen Ätzen
beständig sind, kann nun entschieden werden, ob die Metallschicht
die nicht mit Silizium legiert wurde, selektiv zurück geätzt
wird (z. B. mit wäßrigen Lösungen die HCl,
HNO3 enthalten oder mit anderen typischen
chemischen Lösungen zum Ätzen von Metallen), bis
die dielektrische Schicht erreicht ist, oder ob die dielektrische
Schicht unterätzt werden soll. Zum Unterätzen
der dielektrischen Schicht kann es sinnvoll sein, die Metallschichten
zuvor erneut mit einem Laser-Verfahren oder lichtinduzierten Verfahren
oder selektiven Ätzverfahren zwischen den Bereichen zu öffnen,
die nun mit Silizium kontaktiert sind. Dies erleichtert das Unterätzen
der Metallschichten entlang der dielektrischen Schichten, falls diese
(zumindest teilweise) entfernt werden sollen, um nur noch da Metallkontakte
zurück zu behalten, wo schon zuvor die dielektrischen Schichten
geöffnet wurden und mit Metall gefüllt wurden.
Die verbleibenden schmalen Kontakte (10 μm) können
anschließend beispielsweise mit galvanischen Verfahren oder
stromloser Metallabscheidung in ihrer Auftragshöhe verstärkt
werden und in ihrer Leitfähigkeit verbessert werden. Dabei kann
ausgenutzt werden, daß durch nahezu isotropes Wachstum
der aus Lösungen abgeschiedenen Schichten (halbkugelförmiger
Querschnitt der Kontakte) nicht unbedingt eine drastische Erhöhung
der Abschattungsverluste notwendig ist.
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Eine
weitere Möglichkeit zur Kontaktierung mit sehr schmalen
Kontaktfingern besteht darin, die dielektrischen Schichten nicht
lokal zu öffnen, sondern direkt darauf eine Metallschicht
oder einen Metallschichtstapel abzuscheiden. Hierfür kommen
erneut Sputter- und Aufdampfprozesse in Frage, da in einer Prozeßabfolge zunächst
die dielektrischen Schichten und anschließend, ohne das
Vakuum verlassen zu müssen, die Metallschichten mit sehr
definierter Dicke dünn abgeschieden werden können.
In einem nachfolgenden Prozeßschritt wird dann beispielsweise
mit einem Laser lokal der Kontakt durch die dielektrischen Schichten
hindurch in das Halbleitermaterial eingetrieben. Dabei besteht freie
Gestaltungsmöglichkeit darin, wie die Kontaktstrukturen
aussehen sollen, die später einen zusammenhängenden
leitfähigen Kontakt zum Halbleiter machen. Dies können
beispielsweise sehr schmale Linien oder auch Reihen von sehr eng
benachbarten Punkten sein, die später nach Abtrag der flächig
aufgebrachten Metallschicht beispielsweise durch galvanische Verfahren miteinander
wieder leitfähig verbunden werden. Das Entfernen der dünnen
Metallschichten, an den Stellen, die nicht durch Laserprozesse (optional
im Vakuum ausgeführt) Kontakt zum Silizium hergestellt
haben, kann wieder wie oben beschrieben erfolgen. Für das
Durchkontaktieren durch dielektrische Schichten eignet sich beispielsweise
eine Aluminiumschicht, da diese durch den Laserprozeß bereits
bei vergleichsweise niedriger Temperatur lokal in das Silizium einlegiert
werden kann und so auf p-dotierten Gebieten einen Bereich erhöhter Al-Konzentration
mit abschirmendem elektrischem Feld unterhalb der erzeugten Metall-Halbleiter-Kontakte
erzeugt. Der vorteilhafte Einsatz solcher Schichten konnte bislang
jedoch nur für so genannte LFC-Solarzellen (laser fired
contacts) auf der Rückseite von Solarzellen gezeigt werden,
ohne daß dabei die verbleibende flächige aufgetragene
Aluminiumschicht anschließend abgetragen worden wäre.
Die hier beschriebene Erfindung geht über diesen Stand
der Technik deutlich hinaus.
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Zum
Einsatz können auch andere Metallisierungsverfahren kommen,
die beispielsweise Metallpasten – bzw. noch vorteilhafter
nur lokal aufgetragene Metallpasten – einsetzen. Wird Metall
im Wesentlichen nur dort aufgetragen, wo schmale Kontakte entstehen
sollen, sind auch mit Dickschicht-Technologien kostengünstig schmale
Kontakte herstellbar. So sind beispielsweise beliebige Kombinationen
von Verfahren zum lokalen Auftrag von Metallen bzw. Metallpasten
mit den eben beschriebenen Verfahren zum lokalen Öffnen
dielektrischer Schichten, dem selektiven Ätzen bzw. selektiven
laserinduzierten Durchfeuern von Kontakten in vorteilhafter Anwendung
denkbar, da der Halbleiterübergang in ausreichendem Abstand
zur Oberfläche ist, um erhöhte Rekombinationsverluste
für Minderheitsladungsträger bzw. degradierte
Diodeneigenschaften oder gar Kurzschlußpfade über
den Halbleiterübergang auszuschließen.
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Die
zweite und dritte schematischen Darstellung von Varianten der HOR-ZELleTM zeigt, daß mit den vorgeschlagenen
Verfahren komplett rückseitenkontaktierte Solarzellen in
vorteilhafter Weise hergestellt werden können. Bisher industriell
vorteilhaft eingesetzte ausschließlich rückseitig
mit Metallkontakten versehene Solarzellen zeichnen sich dadurch
aus, daß sie sehr hochwertiges Ausgangsmaterial der eingesetzten
Wafer voraussetzen. Die überwiegend auf der Licht empfangenden
Hälfte der Solarzelle erzeugten Minderheitsladungsträger
müssen dabei gemittelt eine Distanz von mehr als der Hälfte
der Dicke der Solarzelle zurücklegen, bevor sie einen Halbleiterübergang
erreichen. Erst nach Überschreiten des Halbleiterübergangs
tragen Minderheitsladungsträger in der Solarzelle zur Stromerzeugung
bei und können den Metallkontakten für einen externen
Stromkreis zugeführt werden. Dabei kommt erneut zum Tragen,
daß sich die Minderheitsladungsträger in Abwesenheit
von elektrischen Feldern den größten Teil der
zurückzulegenden Strecke statistisch völlig willkürlich
in alle drei Raumrichtungen bewegen, bevor sie innerhalb ihrer Minderheitsladungsträger-Lebensdauer mit
einer gewissen von der Materialqualität abhängigen
Wahrscheinlichkeit den Halbleiterübergang erreichen, ohne
zuvor an Störstellen im Silizium zu rekombinieren. Das
hier vorgeschlagene Verfahren zielt erneut darauf ab, den mittleren
Weg für Minderheitsladungsträger zum Halbleiterübergang
zu reduzieren und den Weg dahin durch elektrische Felder innerhalb
der dotierten Bereiche in positiver Weise zu beeinflussen (Drift-Feld
verkürzt den effektiv zurückgelegten mittleren
Weg zum Halbleiterübergang). Dabei ist es vorteilhaft,
von beiden Oberflächen des Wafers ausgehend Dotierstoffe
in den Halbleiter so einzutreiben, daß in vertikaler Richtung
(senkrecht zu den Oberflächen) zusammenhängende
Dotierstoffbereiche jeweils eines Typs entstehen, die durch die
komplette Dicke des Wafers hindurch reichen. In Variante 2 reichen
sowohl die n-dotierten Bereiche komplett durch den Wafer hindurch
als auch die p-dotierten Bereiche. In Variante 3 dagegen reicht
nur eine Dotierung durch den Wafer komplett entlang seiner Dicke
hindurch, um horizontale Halbleiterübergänge mit
von nur einer Oberfläche ausgehenden flächigen,
tief dotierten Bereichen der anderen Dotierung zu bilden. Während in
Variante 2 sehr enge Abstände von n- und p-dotierten Bereichen
vorteilhaft sind, um die Wege für Minderheitsladungsträger
zu den Halbleiterübergängen zu reduzieren, ist
in Variante 3 auch ein Abstand der vertikal komplett durch den Wafer
hindurchreichenden Gebiete einer Dotierung, der deutlich größer
als die Waferdicke sein kann, vorteilhaft. Generell besteht auf
der Rückseite der Solarzelle keine Notwendigkeit, linienförmige oder
großflächige Kontakte zum Silizium auszubilden.
Hier genügen beispielsweise auch sehr lokale punktförmige
Kontaktgebiete, sofern diese oberhalb einer dielektrischen Passivierschicht
elektrisch leitend miteinander verbunden werden, so daß sie
im Modulverbund kontaktiert werden können. Folglich müssen
auch die p- und n-dotierten Gebiete, die von der Rückseite
der Solarzelle ausgehend eingetrieben wurden nicht notwendigerweise
als parallele streifenförmige Bereiche ausgebildet werden.
Es kann beispielsweise sinnvoll sein, quadratische oder sechseckige
Bereiche, sowie senkrecht zueinander ausgerichtete Streifen als
Ausgangsflächen für das Dotierstoff-Eintreiben
zu wählen und diese Bereiche dann entsprechend mit Punktkontakten
oder angepaßten flächigen Kontakten lokal zu kontaktieren.
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Eine
vorteilhafte Anwendung dieser Solarzelle sieht vor, daß auf
der Rückseite der Solarzelle zunächst eine zumindest
für die Passivierung eines der beiden Gebiete geeignete
dielektrische Schicht aufgebracht wird. Dies kann beispielsweise
eine Siliziumoxidschicht sein, die thermisch oder mit Naßoxidationsverfahren, durch
Sputtern oder CVD-Verfahren aufgebracht wird und sich gleichzeitig
zur Passivierung von n- und p-dotierten Gebieten eignet. Darüber
kann wahlweise noch eine weitere dielektrische Schicht abgeschieden
werden. Dies kann beispielsweise eine Aluminiumoxid-Schicht sein,
deren Potential, vorteilhaft als Barriereschicht zur Vermeidung
von Wasserstoff-Effusion eingesetzt zu werden, noch unter Abschnitt
G als unabhängige Erfindung erläutert wird.
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Diese
Schichten können im folgenden wie bereits für
die Vorderseiten-Metallisierung beschrieben, lokal (beispielsweise
mit Lasern) geöffnet und oder kontaktiert werden, um p-
und n-Gebiete aus unterschiedlichen Bereichen der Solarzellenoberfläche
anschließend im Modulverbund in gewünschter Weise
miteinander verbinden zu können. Dabei ist nicht notwendig,
alle n-dotierten und alle p-dotierten Gebiete unmittelbar mit zusammenhängenden
Metallkontakten zu verbinden. Wie später bei Erfindungen
für vorteilhafte Solarmodule erläutert werden
wird, kann es vorteilhaft sein, Bereiche der Solarzelle mit anderen
Bereichen der Solarzelle entweder seriell statt bislang parallel
miteinander zu verschalten, um höhere Spannungen aufzubauen
oder sie über Bypass-Dioden parallel miteinander zu verschalten.
Dies kann durch angepaßte Modultechnik erreicht werden.
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Natürlich
ist es auch weiterhin möglich die gewünschten
Gebiete der Solarzellen-Rückseite mit geeigneten Metallpasten
zu kontaktieren, die sich lokal auftragen lassen und durch die dielektrischen
Schichten hindurch elektrisch leitfähigen Kontakt zu den
jeweiligen Gebieten herstellen.
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Als
dielektrische Schicht kommt für n-Typ-Gebiete beispielsweise
auch Silziumnitrid in besonders vorteilhafter Weise in Frage, da
Siliziumnitrid dafür bekannt ist, daß es bei einem
geeigneten Temperaturbehandlungsschritt wie dem Sintern/Einbrennen
von Metallpasten Wasserstoff freisetzt, der verbliebene Defekte
im Silizium passivieren kann. Auch hier kann vorteilhaft sein, darüber
eine dünne Aluminiumoxidschicht abzuscheiden, da diese
als Barriere für Wasserstoff-Austritt dient und gleichzeitig ätzbeständig
ist. Dann können beispielsweise zunächst die n-Typ
Gebiete lokal oder flächig wie oben bereits beschrieben
kontaktiert werden, und es kann – falls vorteilhaft – eine
Temperaturbehandlung zum Eintreiben von Wasserstoff in das Volumen des
Halbleiters durchgeführt werden. Anschließend
können in einer erfinderischen und vorteilhaften Anwendung
die so bereits kontaktierten n-Typ-Gebiete mit einem Schutzlack
abgedeckt werden, der einerseits ätzbeständig
ist, so daß in den p-dotierten Gebieten die eben erwähnten
dielektrischen Schichten wieder abgeätzt werden können.
Andererseits soll der Schutzlack gleichzeitig eine sehr gute Isolationswirkung
aufweisen, um auch bei hohen Spannungen in eng benachbarten Bereichen
keine Leckströme durch diese Schicht hindurch zuzulassen.
Auch diese vorteilhafte Eigenschaft wird im folgenden für
Solarzellen mit höherer Spannung und Solarmodule mit höherer
Spannung, als dies bislang bei wafer-basierenden kristallinen Solarzellen
der Fall ist, erläutert.
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Auf
den durch Ätzen und oder Ablation geöffneten Gebieten
im Bereich der p-dotierten Gebiete auf der Solarzellen-Rückseite
kann in einem folgenden Verfahrensablauf entweder eine andere dielektrische
Schicht wie beispielsweise Aluminiumoxid oder zunächst
Siliziumoxid (z. B. durch Naßoxidation) und dann Aluminiumoxid
abgeschieden werden. Draufhin kann dann erneut lokal oder flächig
in der bereits bekannten Weise durch diese Schichten hindurch Kontakt
zu den p-dotierten Bereichen mit Metallkontakten hergestellt werden.
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Alternativ
ist jedoch auch möglich, auf der kompletten Solarzellen-Rückseite
zunächst eine intrinsische und direkt im Anschluß eine
p-dotierte amorphe Siliziumschicht abzuscheiden. Da dies bevorzugt
in Sputter-, CVD- oder Aufdampfanlagen in Vakuumsystemen erfolgt,
kann gleich im Anschluß (ebenfalls im Vakuum) noch wahlweise
eine transparente leitende Oxidschicht sowie darauf eine Metallschicht,
die mit Lötverfahren kontaktiert werden kann, abgeschieden
werden. Durch diese Maßnahme kommt es in diesen Gebieten
zu einem weiteren Halbleiterübergang, der zuläßt,
eine höhere Spannung mit derart hergestellten Solarzellen
zu erzielen. Dabei kann vorteilhaft sein, wenn die Schutzlackschicht
für die n-dotierten Gebiete so gewählt war, daß sie
bei diesen Behandlungsschritten aufgrund der Prozeßtemperatur
sich derart verändert (erweicht, abdampft, in pyrolitischen
Kohlenstoff umgewandelt wird, schrumpft, ihre Polymerstruktur verliert,
etc.), daß sie am Ende des Prozesses leicht entfernt werden
kann und die Kontakte zu den n-dotierten Gebieten wieder zum Vorschein
kommen.
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Umgekehrt
wäre genauso denkbar, in ähnlicher Weise zunächst
nur die p-dotierten Bereiche mit dielektrischen Passivierschichten
bzw. Metallkontakten und Schutzlackschichten zu versehen und dann
auf den n-dotierten Bereichen amorphe Schichten und ihre Kontakte
abzuscheiden. Auch das Abscheiden angepaßter amorpher Siliziumschichten
auf p- und n-leitenden Gebieten ist mit der vorgeschlagenen Verfahrenstechnik möglich,
sofern sich die damit erzielbaren Wirkungsgradvorteile bei den zusätzlichen
Prozeßschritten wirtschaftlich vorteilhaft herstellen lassen.
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Eine
weitere besonders vorteilhafte Anwendung der der HOR-ZELleTM sieht vor, daß nach Aufbringen geeigneter
dielektrischer Schichten zur Passivierung der Solarzelle diese dielektrischen
Schichtstapel entlang von Linien, die später durch die
Metallkontakte abgedeckt werden sollen, nur an Punkten lokal geöffnet
werden, die beispielsweise innerhalb von multikristallinen Körnern
durch vertikal durchgängige Korngrenzen umschlossen sind.
Diese Anwendung eignet sich also in besonderer Weise für
multikristalline Siliziummaterialien, wie später noch detaillierter
beschrieben werden wird, da in diesen vertikalen Korngrenzen ein
elektrisches Feld zur Abschirmung von Minderheitsladungsträgern
ausgebildet werden kann. Die so beispielsweise durch Laserablation
ausgeprägten, lokal entlang von Linien geöffneten
Bereiche werden anschließend durch selektiv aufgebrachte
leitfähige Kontakte verbunden, die bei Anwendung von Temperaturbehandlungsschritten
zur Reduktion des Kontaktübergangswiderstandes vorzugsweise
nur in den geöffneten Bereichen lokalen Kontakt zum Halbleitermaterial
der Solarzelle machen. Somit ist möglich, Solarzellenkontakte
auf Korngrenzenbereichen und eventuell auch auf vertikal durchgängigen
Bereichen mit Versetzungslinien zu vermeiden, falls dies vorteilhaft
erscheint. Ein Vorteil ist, daß entlang von vertikal durchgängigen
Korngrenzen und Versetzungslinien Bereiche hoher Dotierung (verstärktes
Eintreiben von Dotierstoffen in diesen Bereichen) erzeugt werden können,
die diese Bereiche effektiv von Minderheitsladungsträgern
abschirmen. Da die ungestörten Kristallbereiche (ohne Korngrenzen)
damit weitgehend von Potentialbarrieren umgeben sein können,
entstehen vertikale Kanäle, entlang derer die Minderheitsladungsträger
zu den Halbleiterübergängen geführt werden.
Um so wichtiger ist dann, diese Bereiche jeweils einzeln lokal zu
kontaktieren. Um dies in industrieller Massenfertigung vorteilhaft
einsetzen zu können, sind bildgebende Meßverfahren
notwendig, die in sehr kurzer Prozeßzeit kurz vor Laserbearbeitung
der Solarzelle (zum lokalen Öffnen der dielektrischen Schichtstapel)
die Positionen von Korngrenzen und Versetzungslinien-Clustern ermitteln
und die Positionen für das lokale Öffnen entlang von
Linien dem Lasersystem zur Verfügung stellen. Hierfür
kommen beispielsweise bildgebende Meßverfahren wie Infrarot-Lumineszenz-
oder Elektrolumineszenz-Messungen zur Erkennung von Defekten in
Frage, wie sie bereits von SCHOTT Solar für die In-line-Kontrolle
von Solarzellen bei Fertigungsverfahren mit hohem Durchsatz entwickelt
wurden.
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Besonders
bei bandgezogenen Si-Materialien, die sich durch langgezogene Korngrenzen
entlang der ursprünglichen Ziehrichtung der Ausgangswafer
auszeichnen, kann es besonders sinnvoll sein, die Kontaktierungslinien
und somit auch die vertikal durchgängig ausgeprägten
Dotierbereiche im Wesentlichen senkrecht zur Ziehrichtung auszubilden.
Da die Kontakte und die abwechselnd n- und p-dotierten Bereiche
in engen Abständen zueinander folgen, kann sicher gestellt
werden, daß jedes Korn und jeder Dotierbereich einzeln
kontaktiert werden und ausgeschlossen wird, daß durch stärkere
Dotierung von Korngrenzen Minderheitsladungsträger komplett
mit Potentialbarrieren umschlossen werden und somit nicht zu Halbleiterübergängen
gelangen bzw. nicht zum Stromfluß beitragen können.
Da Korngrenzen in bandgezogenen Siliziummateialien wie EFG sehr
eng benachbart sein können, ergeben sich eng benachbarte
vertikale Potentialbarrierewände, entlang derer die Ladungsträger
geführt und durch elektrische Felder zum Halbleiterübergang
getrieben werden. Das erhöht gerade bei EFG die Einsammelwahrscheinlichkeit
für Minderheitsladungsträger bei dieser Ausrichtung der
Kontakte und Dotierbereiche senkrecht zu den länglichen
Korngrenzen drastisch.
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Da
aber bei bandgezogenen Materialien wie EFG oft auch die Korngrenzen
und Versetzungslinien so eng benachbart sind, daß ein Kontaktieren
innerhalb ungestörter Halbleiterbereiche nicht technisch
realisierbar ist, lassen sich auch umgekehrt durch die Hilfe der
bildgebenden Meßverfahren zur Erkennung dieser Kristalldefekte
gerade jene Stellen (Vertikal durchgängige Korngrenzen
und Versetzungen) lokal mit Lasertechnik in den dielektrischen Schichten öffnen.
Vorteil einer bevorzugten lokalen Kontaktierung der Korngrenzen
entlang von Metallkontaktlinien ist, daß damit in diesen
Bereichen höhere Dotierstoffkonzentrationen und andere Bindungsmöglichkeiten
(Kristalldefekte mit ungesättigten Bindungen) für
die Ausbildung eines geringeren Kontaktübergangswiderstandes
zur Verfügung stehen und diese höher dotierten
Korngrenzen und Versetzungs-Cluster durch ein elektrisches Feld
bereits gegen den Transport von Minderheitsladungsträgern
zu diesen Defekten abgeschirmt werden.
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In
beiden Ausführungen, bei denen bildgebende Meßverfahren
zur lokalen Kontaktierung entlang von Linien zum Einsatz kommen,
besteht ein wesentlicher Vorteil in der lokalen Kontaktierung darin,
daß die rekombinationsaktiven Bereiche unter den Metallkontakten
minimiert werden können.
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Die
vierte Variante der HOR-ZELleTM zeigt, daß natürlich
auch möglich ist, mit unterschiedlichen Dotierstoffquellen
bzw. Dotierstoffen ein und desselben Dotierstofftyps zu arbeiten
und somit beim Eintreiben der Dotierstoffe unterschiedliche Eindringtiefen
bei gleichem Temperatur-Zeit-Verlauf zu erzielen. Außerdem
ist möglich, unterschiedliche Dotierstoffe oder Dotierstoffquellen
zu unterschiedlichen Zeiten mit unterschiedlichen Temperatur-Zeit-Verläufen
einzutreiben. So kann beispielsweise Aluminium bei vergleichsweise
sehr tiefen Temperaturen (ab 577°C) eingetrieben werden,
während andere Dotierstoffe erst oberhalb von 800°C
im Halbleitermaterial nennenswert mobil werden. Somit lassen sich
Dotierstoffbereiche unterschiedlicher Tiefe und lateraler Ausdehnung
herstellen, die den Anforderungen der jeweiligen Solarzelle gerecht
werden. So ist beispielsweise abzuwägen, ob es vorteilhafter
ist, eine Solarzelle vom in Variante 3 dargestellten Typ herzustellen,
bei der keine Abschattungsverluste auf der Vorderseite durch Metallkontakte
vorliegen und dennoch Ladungsträger auf der Vorderseite
eingesammelt und durch leitfähige dotierte Kanäle
zur Rückseite der Solarzelle transportiert werden können,
oder ob es besser ist, wie in Variante 4, Kontakte auf ausgedehnten
Bereichen der Vorderseite der Solarzelle zu belassen, die in ihren
Abmessungen und ihrer Dotierstoffeindringtiefe dann beliebig gestaltet
werden können.
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In
manchen Fällen kann dabei auch vorteilhaft sein, anstatt
Wafer mit nahezu intrinsischer Halbleiterqualität doch
besser Wafer mit einer schwachen n- oder p-Dotierung zu verwenden
(< 1016 Dotier-Atome/cm3), um in der hergestellten Solarzelle eventuell
verbleibende intrinsische Bereiche zu vermeiden, bzw. um keinen großen Überlappungsbereich
von n- und p-Dotierung im Bereich der Halbleiterübergänge
zu bekommen.
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Speziell
bei Wafern aus UMG-Silizium, die ohnehin üblicherweise
eine relativ hohe Basisdotierung (und zusätzliche Hintergrunddotierung
mit Dotierstoff der anderen Polarität haben, kann es vorteilhaft
sein, die horizontalen Halbleiterübergänge nicht
für beide Dotierungen vertikal durchgängig zu
gestalten, da die Hintergrunddotierung schon zu hoch ist. Hier gilt
es dann eher, die Halbleiterübergangs-Grenzflächen
und damit verbundene mögliche Pfade mit geringem Parallel-Widerstand
zu minimieren, um Dioden-Durchbruchverhalten zu minimieren.
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Bei
intrinsischem Ausgangsmaterial besteht diese Befürchtung
nicht und es sind ein verbessertes Diodendurchbruchverhalten und
höhere Parallelwiderstände zu erwarten. Dies gilt
insbesondere für die komplett rückseitenkontaktierte
Variante 2.
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Es
sei auf einen weiteren Vorteil dieser Technologie hingewiesen, der
bei multikristallinen Materialien und insbesondere bei bandgezogenen
multikristallinen Materialen wie EFG-Si zum Tragen kommt.
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Weil
die Diffusion und Dotierung entlang von Korngrenzen anderen Gesetzen
unterliegt, als das Einbringen von Dotierstoff im Materialvolumen
außerhalb von Korngrenzen und Versetzungen, kann hier in
besonderer Weise genutzt werden, daß es möglich
ist, Korngrenzen und Versetzungen ohne weiteres Zutun (beispielsweise
in Diffusionsprozessen von einer Oberfläche ausgehend)
stärker zu dotieren als das sie umgebende Volumen des Halbleiters.
Aus der Literatur ist bekannt, daß die Diffusion entlang
von Krongrenzen und Versetzungen um ein Vielfaches (typischerweise
um einen Faktor drei bis zehn oder sogar noch mehr) schneller verläuft,
als im ungestörten Siliziumkristall. Somit kann bei langen
Diffusionsprozessen erreicht werden, daß entlang von vertikal
zwischen den beiden Oberflächen des Wafers durchgängigen
Korngrenzen und Versetzungen durchgängig eine höhere
Dotierung vorherrscht, als dies im benachbarten ungestörten
Kristallbereich der Fall ist. Durch diese Maßnahme dienen
Korngrenzen, die einen ungestörten Kristallbereich umgeben,
als Kanäle, die im ungestörten Kristallbereich
erzeugte Minderheitsladungsträger begrenzen und führen. Ähnlich wie
in einem FSF und BSF werden Ladungsträger also durch die
dort vorherrschende hohe Dotierung und das sich daraus ergebende
elektrische Feld von diesen Defektbereichen abgeschirmt und entlang
der durch sie eingeschlossenen Kanäle (im Falle von durchgängigen
Korngrenzen) zu den Oberflächen hin geführt. In
diesem Fall eigenen sich also die Varianten 1, 3 und 4 in besonderer
Weise, da es sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung
Halbleiterübergänge gibt, zu denen hin die Ladungsträger
durch den Dotierstoffgradienten und das damit verbundene elektrische
Feld getrieben werden. Weisen also die Korngrenzen ein starkes elektrische
Feld und die im Volumen des Halbleiters ausgebildeten Dotierstoffgradienten
ein schwächeres Feld auf, werden die Minderheitsladungsträger
zielgerichtet zwischen Kristalldefekten wie Korngrenzen und Versetzungen
ohne dort zu rekombinieren hin zum Halbleiterübergang geführt.
Die Minderheitsladungsträger nehmen dabei je nach Abstand
der Korngrenzen und des durch sie eingegrenzten Materialvolumens
einen sehr viel direkteren Weg zum Halbleiterübergang,
als dies in monokristallinen Materialien der Fall ist.
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Somit
kann auch Material mit geringerer Ausgangs-Lebensdauer für
Minderheitsladungsträger für hocheffiziente Solarzellen
genutzt werden. Insbesondere bei multikristallinen Materialien wie
bandgezogenem Silizium (z. B. EFG oder string ribbon) oder Foliensilizium
ergeben sich daraus erhebliche Vorteile, da hier der Abstand der
Korngrenzen zumindest in eine Richtung (senkrecht zur Ziehrichtung) üblicherweise
sehr klein ist. Eventuell kann es also sogar sinnvoll sein, beim
Kristallisieren schneller abzukühlen (höherer
Durchsatz) und zusätzliche Korngrenzen, bzw. Versetzungslinien
in Kauf zu nehmen. Die Versetzungsliniendichte kann dann zu einem
erheblichen Anteil während der Hochtemperaturbehandlung
in Stapelanordnungen verringert werden. Korngrenzen und verbleibene
Versetzungen (vertikal durchgängig) können durch
die erhöhte Diffusion entlang dieser Korngrenzen und Versetzungslinien
ausgehenden von den Oberflächen des Wafers effektiv durch
elektrische Felder abgeschirmt und somit passiviert werden und dienen
gleichzeitig als interne Getterzonen für Verunreinigungen – wie
beispielsweise metallische Verunreinigungen –, ohne daß diese
Verunreinigungen später noch in der fertigen Solarzelle
schädlich wirken. Um die beschriebenen Mechanismen besonders
wirksam zu gestalten, kann es sinnvoll sein, nach der Diffusion
sehr langsame Abkühlraten zu verwenden oder bei Temperaturen
unterhalb der Diffusionstemperatur länger zu verweilen
[Rinio et al.], um die Abschirmwirkung der Korngrenzen
weiter zu verbessern.
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Es
kann auch vorteilhaft sein, Legierungsprozesse und Diffusionsprozesse
zum Dotieren der entsprechenden Halbleierbereich in separaten Prozeßschritten
bei unterschiedliche Temperatur-Zeitverläufen auszuführen.
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Eine
weiteres Anwendungsbeispiel für die HOR-ZELleTM-Technologie
sieht vor, daß das Aufbringen von Metallkontakten direkt
nach der Ausprägung entsprechender Dotierbereiche erfolgt
und bevor die letztlich auf der Solarzelle verbleibenden Passivierschichten
aufgebracht werden. Das Ausbilden von Metallkontakten kann entweder
nach Verfahren zum Aufbringen schmaler Kontaktfinger, die dem neuesten
Stand der Technik entsprechen erfolgen, wobei die Finger gegebenenfalls
durch Metallabscheideverfahren aus chemischen Lösungen
verstärkt werden können. In Frage kommen aber
auch die oben besprochenen Verfahren zur Ausbildung sehr schmaler
Metallkontakte. Entgegen dem Stand der Technik kann es dann sinnvoll
sein, erst im Anschluß dielektrische Schichten zur Passivierung
der Oberfläche (beziehungsweise als Antireflexionsschicht, Wasserstoffbarrieren
oder Rückseitenreflektor-Schichten) aufzubringen. Dies
gilt insbesondere, wenn diese dielektrischen Schichten oder Schichtstapel
zusätzlich nach Abschluß des Solarzellenprozesses
als hervorragende Isolationsschichten dienen und Spannungsdurchbrüche
bzw. Kurzschluß- oder Leckagepfade auch bei sehr hohen
angelegten Spannungen vermeiden. Damit ist dann möglich,
die Metallkontakte durch die Beschichtung mit den abgeschiedenen
dielektrischen Schichten elektrisch von eventuell später
darüber senkrecht dazu verlaufenden Kontakten zu isolieren.
Um dennoch an gewünschten Stellen später beispielsweise lokal
senkrecht oder im Winkel zu den Fingern Sammelkontakte mit den Fingern
in Kontakt bringen zu können, muß entweder die
dielektrische Schicht wieder lokal geöffnet werden (z.
B. durch Lasertechnik) oder zuvor an diesen Stellen bereits lokal
Lot aufgebracht werden. Lot (Sn in geeignetem Mischungs- oder Legierungsverhältnis
mit Ag, Pb oder anderen Metallen) kann während oder nach
der Beschichtung mit dielektrischen Schichten leicht lokal zum Schmelzen
gebracht werden, so daß die dielektrsiche Schicht dort
lokal durch die Schmelze wieder geöffnet wird und eine
metallische Oberfläche für das Aufbringen von
Sammelschienen wie busbars, verzinnten Kupferverbindern oder leitfähigen
Drähten (Day4Energy) zur Verfügung stehen, um
die einzelnen Bereiche zu kontaktieren. So ist es dann beispielsweise
einfach möglich, entlang von einer Linie senkrecht oder
im Winkel zu den Kontaktfingern nur eine gewünschte Anzahl
n-Typ-Gebiete miteinander zu verbinden und entlang einer anderen
Linie senkrecht oder im Winkel zu den Kontaktfingern in Abstand
zur ersten Linie nur p-Typ-Gebiete elektrisch leitend miteinander
zu verbinden. Da dies an nahezu jeder Stelle entlang der Kontaktfinger
erfolgen kann, geht diese Technologie über den Stand der
Technik hinaus, nach dem die Kontaktfinger üblicherweise
bei rückseitenkontaktierten Solarzellen mit abwechselnden
p- und n-Gebieten durch Sammelverbindungsschienen an jeweils einem
Ende der Kontaktfinger zusammenfassend für alle p-dotierten
Gebiete bzw. alle n-dotierten Gebiete verbunden werden. Die vorgeschlagene
neue Form, Kontaktfinger miteinander zu verschalten bietet drei
erhebliche Vorteile:
- 1. Die Sammelschienen,
die Finger miteinander verbinden oder diese kontaktieren, haben
keinen direkten Kontakt zum Silizium und sind somit nicht rekombinationsaktiv.
- 2. Finger können an beliebiger Stelle entlang ihrer
Länge kontaktiert werden, ohne zu Leckage- oder Kurzschlußpfaden
zu führen. Somit kann der Serienwiderstandsverlust entlang
der Finger minimiert werden. Die Länge zum nächsten
Sammelverbinder wird reduziert im Vergleich zum Stand der Technik
und es können beliebig viele busbars oder Sammelverbinder
eingesetzt werden.
- 3. Durch das Abscheiden von dielektrischen Schichten – bzw.
falls gewünscht ein zusätzliches Abscheiden oder
Aufbringen von organischen Isolationsschichten – sind die
Kontaktfinger auch bei evtl. hohen Spannungen effektiv vor Durchbruchverhalten
bei angelegter Rückwärtsspannung oder möglichen
Leckageströmen geschützt (elektrisch hervorragend
isoliert). Ein Kandidat für eine entsprechende dielektrische
Schicht ist beispielsweise Aluminiumoxid, das noch weitere Vorteile
bieten kann.
-
Vorteile
der HOR-ZELleTM im Vergleich zu am Markt
kommerziell erhältlichen Solarzellen sind zusammenfassend:
- • höhere Wahrscheinlichkeit
beim Einsammeln von erzeugten Minderheitsladungsträgern
und somit höhere Stromdichten
- • geringere Abschattungsverluste (gar keine bei rückseiten-kontaktierter
Solarzelle) und somit höhere Stromdichten
- • geringere Serienwiderstandsverluste in n- und p-dotierten
Bereichen durch gezieltes Anpassen der Dotierung und geringere Abstände
der Metallkontakte
- • hervorragende Oberflächen-Passivierung und
damit mehr Spannung
- • geringe Serienwiderstandverluste in den Kontakten
durch hohe Leitfähigkeit trotz schmaler Kontakte und engen
Abständen der Kontakte
- • hervorragende Diodencharakteristik durch maßgeschneiderte
Halbleiterübergänge im Inneren (Volumen der Halbleiterplatten)
und Vermeiden von metallischen Verunreinigungen
- • kompatibel mit Waferherstellung, die verbesserte
Materialeigenschaften insbesondere bei multikristallinen und bandgezogenen
Siliziumwafern zuläßt
- • weniger Kristalldefekte (Verunreinigungen, Versetzungen,
Korngrenzen, mechanische Spannungen) als in herkömmlichen
Solarzellen und somit höhere Minderheitsladungsträger-Lebensdauern
- • höhere mechanische Stabilität und
geringere Bruchraten als mit Vergleichswafern
- • effektivere Wasserstoffpassivierung möglich
- • direkteres Einsammeln von Minderheitsladungsträgern
durch Führen entlang von elektrischen Feldern oder Barrieren
(insbesondere bei multikristallinen Materialien)
- • dauerhaft beständige Metallkontakte
- • Potential zu vorteilhafter Modulverschaltung
- • Potential zu deutlich höherer Spannung pro
Flächeneinheit und oder geringerer Empfindlichkeit gegen
lokale Abschattung
- • Rückseiten-kontaktierte Solarzelle mit Eignung
für mc-Si und EFG-Si
- • massenproduktionsfähige Prozesse für
Hochleistungs-Solarzellen
- • Potential zu Produkt mit höchstem Wirkungsgrad
am Markt.
- • Potential zu ästhetisch hochwertigem Produkt
(Solarzelle und Modul)
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G: Solarzelle mit verbesserter Wasserstoffpassivierung
durch Wasserstoffbarrieren.
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Bei
multikristallinen und insbesondere bei bandgezogenen multikristallinen
bzw. Folien-Siliziumsolarzellen ist die Passivierung von Defekten
an Oberfläche und im Volumen der Halbleiterbauelemente
entscheidend und oft limitierend für den maximal erzielbaren
Wirkungsgrad. Diese Materialien haben in besonderer Weise gezeigt,
daß sie von einer Wasserstoff-Passivierung profitieren,
wenn diese effektiv in den Prozeßablauf eingebaut werden
kann. Bislang wird dies in industriellen Solarzellen-Prozessen für
multikristalline und insbesondere auch bandgezogene Siliziummaterialien
oder Foliensilizium dadurch erreicht, daß eine Siliziumnitridschicht
aufgebracht wird, die Wasserstoff enthält und gleichzeitig
später als Antireflexionsbarriere für die Solarzellen-Vorderseite
dienen kann sowie durch induzierte Ladungen zur Erzeugung eines
abschirmenden elektrischen Feldes im obersten Emitterbereich dieser
Solarzelle (effektive Oberflächenpassivierung durch FSF) verwendet
werden kann. Der in der Siliziumnitridschicht enthaltene Wasserstoff
wird üblicherweise während des Einbrennvorgangs
der Kontakte (lokales Durchfeuern durch Siliziumnitrid) aus der
Schicht freigesetzt und hat eine gewisse Wahrscheinlichkeit, ins
Materialvolumen der Wafer einzudringen und dort Defekte zu passivieren.
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Obwohl
dieser Vorgang recht gut funktioniert, bestehen insbesondere bei
bandgezogenen Siliziummaterialien wie ,string ribbon' oder EFG-Silizium
noch Defizite in der Wasserstoff-Passivierung, die nachgewiesen werden
können, indem durch eine zusätzliche Wasserstoffpassivierung
weitere Verbesserungen der Minderheitsladungsträger-Lebensdauer
in diesen Materialien, bzw. einer Verbesserung der erzielbaren Solarzellen-Wirkungsgrade
erreicht werden. Bislang können diese Verbesserungen nur
mit Laborprozessen zugänglich gemacht werden, indem Methoden
zur Erzeugung eines Wasserstoffplasma abseits der Solarzellenoberflächen
(remote hydrogen passivation) verwendet werden und der so erzeugte
atomare Wasserstoff mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit hin zu
den Waferoberflächen driftet und dort mit einer gewissen
Wahrscheinlichkeit in den Wafer eindringt und Defekte passiviert.
Mit anderen Worten, die in industriellen Prozessen bestehende Technologie
zur Wasserstoff-Passivierung weist Potentiale auf, weiter deutlich
verbessert zu werden. Gleichzeitig eignen sich bestehende Laborprozesse
zur Verbesserung der Wasserstoff-Passivierung nicht, um in industrieller
Massenfertigung eingesetzt zu werden. Deshalb erfordern Solarzellen-Prozesse
für massenfertigungstaugliche Verfahren zur Herstellung
höchsteffizienter multikristalliner Solarzellen und insbesondere
solcher aus bandgezogenem Silizium wie EFG-Si neue Passivier-Konzepte.
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Aus
der Halbleiter-Industrie ist bekannt, daß Aluminiumoxid
(Al2O3) sich durch
drei Eigenschaften auch besonders für die Solarzellenherstellung
empfiehlt:
- 1. Al2O3 ist schon bei sehr dünnen Schichtdicken
(im Bereich weniger nm) eine hervorragende Barriere für Wasserstoff.
- 2. Al2O3 induziert
beim Kontakt mit Silizium dort im oberflächennahen Bereich
Ladungen, die in umgekehrter Polarität wie bei Siliziumnitrid
bei p-dotierten Bereichen zur Ausbildung eines abschirmenden elektrischen
Feldes führen können (effektive Oberflächenpassivierung)
- 3. Al2O3 weist
besondere Vorteile auf, wenn bei Halbleiterbauelementen hohe Spannungen
angelegt werden und die Durchbruchspannung erhöht werden
soll (beispielsweise an Kondensatoren, Dioden oder Transistoren
bzw. Thyristoren oder eben an Solarzellen)
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Al2O3 hat bereits in
monokristallinen Labor-Solarzellen nachgewiesen (Aufbringverfahren
mit ALD – „atomic layer deposition” – bislang
nicht für ökonomisch vorteilhafte industrielle
Massenfertigung geeignet), daß es Vorteile bei der Passivierung
von p-dotierten Solarzellen-Rückseiten bietet (B.
Verheiden et al., J. Schmidt et al.).
Al2O3 kommt also
als Passivierschicht von Solarzellen mit lokalen Rückseitenkontakten,
anstatt der bislang in industriellen Massenfertigung hergestellten
ganzflächigen Rückseitenkontakte (Al-, Ag- und Ag-Al-Pastenkontakte
bei multikristallinen Solarzellen mit überwiegendem Flächenanteil
Aluminium-BSF) in Frage. Dies gilt besonders, wenn Al2O3 mit industriell umsetzbaren Verfahrensabläufen
für Silizium-Solarzellen abgeschieden werden kann und die
zusätzliche Aufgabe als Wasserstoffbarriere übernimmt,
um die Effusion von zur Passivierung multikristalliner Materialien
benötigtem Wasserstoff zu vermeiden.
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Al2O3 weist ferner
einen Brechungsindex auf, der zwischen dem von Siliziumnitrid und
dem von Glas liegt, so daß Al2O3 als zweite Antireflexionsschicht oberhalb
von Siliziumnitrid-Passivierschichten der Solarzellen-Vorderseite
in besonderer Weise in Frage kommt. Auch auf der Solarzellen-Vorderseite
kann Al2O3 die zusätzliche
Aufgabe als aktive Wasserstoff-Barriere übernehmen.
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Die
hier erläuterte Erfindung sieht also vor, daß nahezu
alle Oberflächen der Solarzelle mit einer aktiven Wasserstoffbarriere
aus Al2O3 versehen
werden und daß sich innerhalb eines dielektrischen Schichtstapels
an zumindest einer der Oberflächen der Solarzelle eine
weitere dielektrische Schicht befindet, die bei geeigneter Temperaturbehandlung
als Wasserstoffquelle zur Passivierung von Defekten in der Solarzelle
dient. Es liegt auf der Hand, daß die Aufgabe von Al2O3 auch durch andere
Schichten übernommen werden können, die ebenfalls
als Wasserstoffbarriere dienen können, bzw. die anderen
vorteilhaften Eigenschaften von Al2O3 bieten.
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Prinzipiell
kann die dünne Aluminiumoxid-Barriereschicht natürlich
mit verschiedenen Verfahren aufgebracht werden. Dazu gehören
auch Sol-Gel-Beschichtungen, die beispielsweise in Tauchverfahren
oder Sprühverfahren aufgebracht werden können.
Weiterhin kann eine sehr dünne Aluminiumschicht beispielsweise
aufgedampft oder aufgesputtert werden und anschließend
durch geeignete thermische Behandlung in sauerstoffreicher Atmosphäre
(z. B. Naßoxidation) in eine Aluminiumoxidschicht konvertiert
werden. Dabei dient die Aluminiumschicht zunächst selbst
als Wasserstoffbarriere, bis sie völlig in eine Aluminiumoxidschicht
konvertiert ist.
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Als
Quelle für Wasserstoff kommen neben Siliziumnitrid insbesondere
auch durch Naßoxidation aufgebrachte Siliziumoxid-Schichten
in Frage, da diese ebenfalls eine hervorragende Passivierung der
Oberflächen (sowohl n-Typ, als auch p-Typ Silizium) nachgewiesen
haben. Hierbei kann schon in sehr dünnen Siliziumoxidschichten
durch die Naßoxidation ausreichend Wasserstoff eingebaut
werden, um nach angepaßten Temperaturbehandlungsschritten
einerseits Defekte im Volumen der Solarzelle (ausgehend von einer
oder beiden Oberflächen der Solarzelle) durch Wasserstoff
zu passivieren. Andererseits können durch die sehr dünne Ausprägung
der wasserstoffreichen Siliziumoxidschicht negativen Eigenschaften
für die Antireflexionseigenschaften der Solarzellenvorderseite
vermieden werden. Die zusätzliche Passivierwirkung durch
das Ausbilden eines elektrischen Feldes ist bei Siliziumoxidschichten
nicht ganz so ausgeprägt wie bei Siliziumnitridschichten auf
n-dotierten Gebieten oder Al2O3-Schichten
auf p-dotierten Oberflächen. Dennoch eignen sich Siliziumoxidschichten
hervorragend zur Passivierung schwach dotierter Oberflächen
beider Dotiertypen.
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Ferner
können auch amorphe Siliziumschichten oder andere Wasserstoff
enthaltende zumindest partiell amorphe Schichten als Quelle für
Wasserstoff verwendet werden.
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Ein
besonders vorteilhaftes Anwendungsbeispiel für den Einsatz
von Al2O3-Wasserstoffbarriere-Schichten
sieht vor, auf n-dotierten Oberflächen der Solarzelle (üblicherweise
die Licht empfangende Solarzellenvorderseite) zunächst
in einem Sputterverfahren wasserstoffreiches Siliziumnitrid und
dann ebenfalls im gleichen Sputter-Durchlaufprozess Al2O3 über dem Siliziumnitrid abzuscheiden – bzw.
evtl. zunächst eine dünne Aluminiumschicht, die
dann anschließend durch eine geeignete thermische Behandlung
(z. B. Naßoxidation) in eine Aluminiumoxidschicht umgewandelt
wird. Sofern auf der Solarzellen-Rückseite keine andere
Wasserstoffbarriere-Schicht (wie beispielsweise ein großflächiges
Al-BSF) vorgesehen ist, soll auf der Solarzellen-Rückseite
beispielsweise in einem Sputter-Verfahren (evtl. sogar in vorteilhafter
Anwendung parallel zur Solarzellen-Vorderseite) in ähnlicher
Weise Al2O3 abgeschieden
werden. Dabei soll die Dicke und der Brechungsindex der Siliziumnitridschicht
auf der Solarzellen-Vorderseite so ausgeprägt sein, daß diese
nach Temperaturbehandlung des Schicht-Stapels als erste Antireflexionsschicht
(möglichst ohne Absorptionsverhalten) wirkt und ein elektrisches
Feld auf den n-dotierten Oberflächen ausbildet, das Ladungsträger
effektiv von diesen Oberflächen abschirmt.
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Die
Al2O3-Schicht auf
der Solarzellenvorderseite soll so dick abgeschieden werden, daß sie
mit ihrem Brechungsindex innerhalb des Modulverbundes (dem Brechungsindex
von Glas und dem Einkapselungsmaterial angepaßt) als zweite
Antireflexionsschicht dienen kann. Ferner soll die Al2O3-Schicht die gewünschte Barrierewirkung
für Wasserstoff erfüllen, was üblicherweise
bereits ab wenigen Nanometern Schichtdicke der Fall ist. Die Schichtdicke
der Al2O3-Schicht
auf der Rückseite der Solarzelle soll derart ausgebildet
sein, daß diese einerseits auf p-dotierten Gebieten Ladungen
induziert, die dort ein elektrisches Feld ausbilden, das in der
Solarzelle erzeugte Minderheitsladungsträger effektiv davon
abhält, an diesen Oberflächen zu rekombinieren.
Andererseits soll auch hier die Schichtdicke so gewählt
werden, daß die Al2O3-Schicht
als effektive Wasserstoffbarriere dient.
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Die
Kontaktierung der Solarzellen soll bevorzugt wie oben beschrieben
durch lokales Öffnen der dielektrischen Schichten mit Laser-Technologie
und anschließendem Aufsputtern oder Aufdampfen von Metallkontakten
erfolgen. Diese sollen dann bevorzugt wie oben beschrieben lokal
durch Temperaturbehandlungsschritte ins Silizium eingetrieben werden.
Dabei ist besonders wünschenswert, die Temperaturbehandlung
so zu wählen, daß Wasserstoff Defekte im kompletten
Volumen der Solarzelle passiviert. Die zuvor aufgebrachten Wasserstoffbarriere-Schichten
bieten dabei besondere Vorteile und Freiheitsgrade in der Wahl des
Temperatur-Zeit-Verlaufes, so daß parallel Wasserstoff-Passivierung
und Kontaktbildung optimiert werden können. Andererseits
ist auch möglich, zunächst eine Temperaturbehandlung
zum Eintreiben von Wasserstoff und dem Passivieren von Defekten
in multikristallinen Silizium-Materialien durchzuführen
und anschließend eine zweite Temperaturbehandlung zum Ausbilden
von Metallkontakten mit geringem Kontaktübergangswiderstand
durchzuführen.
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Selbstverständlich
ist auch möglich, die vorteilhaften Eigenschaften zur Wasserstoff-Passivierung
von Solarzellen mit herkömmlichen Metallisierungs-Konzepten
(wie beispielsweise Metallpasten-Kontakte oder aus Lösungen
abgeschiedene Metallkontakte) in geeigneter Form zu kombinieren.
Falls erforderlich, können auch hier die Barriereschichten
aus Al2O3 zuvor
mittels Ablationsverfahren wie Lasertechnik lokal geöffnet
werden. Das lokale Öffnen bietet den zusätzlichen
Vorteil (insbesondere bei Pastenkontakten), daß die eigentliche Kontaktfläche
kleiner ist als der Metallkontakt selbst. So können die
rekombinationsaktiven Bereiche der Vorderseitenkontakte vom Lichteinfall
maskiert werden und somit zumindest in vergleichsweise weniger tiefen Emitterbereichen
(Emittertiefe < maskierte
Breite des Metallkontaktes) Ladungsträger, die im Emitter
erzeugt werden, davon abgehalten werden können, zu diesen
rekombinationsaktiven Bereichen der Metallkontakte zu gelangen,
bevor sie den Halbleiterübergang erreichen. Dies erhöht
die Lichtausbeute (insbesondere bei kurzen Wellenlängen
des Lichtspektrums) im Emitterbereich.
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Das
eben beschrieben Anwendungsbeispiel eignet sich insbesondere auch
für die Varianten 1 und 3 der HOR-ZELleTM.
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Ein
zweites vorteilhaftes Anwendungsbeispiel eignet sich in besonderer
Weise bei Solarzellen, bei denen sich p-Typ und n-Typ-Bereiche in
engen Abständen auf zumindest einer Seite der Solarzelle
abwechseln. Hier erscheint es schwierig, beispielsweise Al2O3 direkt auf n-Typ-Gebieten
als geeignete Passivierschicht zu verwenden, da die vorteilhaft
auf p-Typ-Bereichen abgeschiedene Al2O3-Schicht andernfalls auf allen n-Typ-Gebieten
zuvor lokal entfernt werden müßte, ohne zu große
unpassivierte Bereiche hin zu den p-Typ-Gebieten entstehen zu lassen,
in denen Al2O3 als
hervorragende Passivierschicht und Wasserstoffbarriere dient. Dies
betrifft also in besonderer Weise auch die Varianten 2 und 4 der
HOR-ZELleTM. Hierbei wird zunächst
auf beiden Waferoberflächen nach dem Eintreiben der Dotierstoffe
eine Schicht aus Wasserstoff enthaltendem Siliziumoxid abgeschieden.
Dazu eignet sich beispielsweise besonders ein Durchlaufverfahren
zur Naßoxidation der Oberflächen, da hierbei bei
geeigneter Ausführung in einem kontaminationsarmen massenproduktionstauglichen
Durchlaufverfahren mit hohem Durchsatz auf allen Solarzellenoberflächen
eine wasserstoffreiche Oxidschicht ausgebildet werden kann. Oberhalb
der so ausgebildeten wasserstoffreichen Siliziumoxidschicht (SiOx:H), die hervorragende Passiviereigenschaften
für p- und n-dotierte Bereiche gleichermaßen aufweist,
können weitere dielektrische Schichten abgeschieden werden.
Dies kann im Falle der Solarzellenvorderseite beispielsweise ein
durch Sputtern aufgebrachter Schichtstapel aus einer Siliziumnitrid
(SiNx:H), einer Silizium-Oxinitrid (SiOxNy:H), und oder
einer Titanoxid-Schicht (TiOx:H) sein auf
dem jeweils bevorzugt Aluminiumoxid als abschließende Schicht
die Barrierewirkung für Wasserstoff erfüllt. Dabei
sind zweischichtige oder mehr als zweischichtige Antireflexionsschichten
vorteilhaft in industrieller Massenfertigung für den späteren
Einsatz in Solarmodulen anwendbar. Die Dicke und Brechungsindizes
der Schichten sollten dabei so gewählt werden, daß die
Solarzelle im Modulverbund optimale Antireflexions-Eigenschaften
beim Einkoppeln von Licht erzielt. Auf der Solarzellenrückseite
wird ebenfalls auf der bevorzugt durch Naßoxidation (auch
andere Verfahren wie thermische Oxidation, CVD oder Sputtern sind
vorteilhaft denkbar) aufgebrachten Siliziumoxidschicht bevorzugt
eine Aluminiumoxid-Schicht mit Barrierewirkung für Wasserstoff
abgeschieden. Der so hergestellte Wafer kann wie oben beschrieben
weiter metallisiert werden bzw. Temperaturbehandlungen zur Wasserstoff-Passivierung
von Defekten und dem Ausprägen der Metallkontakte mit geringem
Kontaktübergangswiderstand unterzogen werden.
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Die
dielektrischen Schichten der Solarzelle können neben den
Passiviereigenschaften und der Wirkung als Wasserstoffbarriere weiter
als Rückseiten-Spiegeloberfläche der Solarzelle
dienen, die effektiv Photonen (insbesondere bei sehr dünnen
Solarzellen) innerhalb der Solarzelle intern reflektieren und somit
die Absorptionswahrscheinlichkeit innerhalb des aktiven Halbleitermaterialvolumens
erhöhen.
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Natürlich
sind auch andere Anwendungen zur vorteilhaften Anwendung von Aluminiumoxid
oder anderen Wasserstoff-Barriereschichten denkbar, bei denen die
Defekt-Passivierung im Volumen des Halbleitermaterials jeweils durch
bei entsprechender Temperaturbehandlung einer wasserstoffreichen,
oberflächennahen Schicht entweichender Wasserstoff-Atome
erzielt wird. Hierzu kommen andere Solarzellenstrukturen und Abläufe
der Solarzellenherstellung in Frage. Aber auch andere Halbleiterbauelemente
können so in vorteilhafter Weise hergestellt werden.
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A–G:
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Die
in den Abschnitten A–G beschriebenen Verfahren eignen sich
in besonderer Weise für die Herstellung multikristalliner
Solarzellen, da durch die beschriebenen Vorteile insbesondere Defekte
in derartigen Solarzellen weitestgehend vermieden, entfernt, passiviert
oder abgeschirmt bzw. unschädlich gemacht werden. Es sei
jedoch darauf hingewiesen, daß sich die entwickelte Technologie
auch in besonderer Weise für sehr dünne Wafer
und insbesondere kostengünstig hergestellte dünne
monokristalline Wafer eignet, um daraus Solarzellen mit sehr hohen
Wirkungsgraden in betriebswirtschaftlich sinnvoller industrieller
Massenfertigung herzustellen.
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Die
Eignung für sehr dünne Solarzellen ergibt sich
daraus, daß die Verfahrensschritte zum tiefen Eintreiben
von Dotierstoffen diese Dotierstoffe dann vergleichsweise weniger
tief eintreiben müssen und somit Diffusionsverfahren neben
Legierungsverfahren auch schon bei vergleichsweise niedrigeren Temperaturen
wirkungsvoll eingesetzt werden können und die entsprechenden
Dotierstoffgradienten vorteilhafter (steiler) gestaltet werden können.
Es ist also unbedingt wünschenswert für die entwickelte
Technologie, zu dünneren Wafern und somit reduzierten Kosten
für das Ausgangsmaterial überzugehen.
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Die
besondere Eignung für monokristalline Siliziummaterialien
ergibt sich aus den entwickelten Hochleistungsstrukturen für
rückseitenkontaktierte Solarzellen. Mit den hier beschriebenen
Verfahren wird es bei Verwendung angepaßter Prozesse zur
geeigneten Strukturierung der Solarzellenoberflächen (Textur)
möglich sein, die bislang höchsten Wirkungsgrade
für kommerziell angebotene industrielle Solarzellen in
Massenfertigung herzustellen, da Vorteile gegenüber dem
bisherigen Stand der Technik (Sunpower mit weltweit höchstem Wirkungsgrad
für kristalline Siliziumsolarzellen am Markt) erarbeitet
wurden. Ein besonderer Vorteil liegt in der erhöhten Einsammelwahrscheinlichkeit
für Minderheitsladungsträger durch die Verwendung
von intrinsischem Silizium-Ausgangsmaterial und dem Ausbilden von
Dotierstoffgradienten über die komplette Solarzelle hinweg.
Dies läßt eventuell auch zu, beim Kristallisieren
von Einkristallen Kompromisse einzugehen, um die Prozeßkosten
durch schnelleres Abkühlen beim Kristallisieren und das
Zulassen von Verunreinigungen wie metallischen Verunreinigungen
zu reduzieren, da Defekte wie Versetzungslinien und metallische
Verunreinigungen durch die nachfolgenden Temperaturbehandlungen
zum Ausprägen der Dotierstoffgradienten leicht wieder beseitigt
werden können. Ferner läßt es aber auch
den effektiven Einsatz von sehr dünnen monokristallinen
Wafern zu, wie sie in Kürze von der Firma Silicon Genesis
Corp. (SILGEN) aus Kalifornien am Markt angeboten werden sollen.
Da hier maximale Waferdicken von ca. 50 μm zum Einsatz
kommen sollen sind die oben beschriebenen Herstellmethoden für
hocheffiziente Solarzellen mit ausschließlich lokalen Rückseitenkontakten
dafür ideal. Dabei bieten die Variante 2 und 3 der HOR-ZELle
die größten Verbesserungspotentiale. Einerseits
können in Variante 3 auch an Halbleiterübergängen
der Solarzellen-Vorderseite Ladungsträger eingesammelt
und ohne erhebliche Widerstands- oder Rekombinationsverluste durch
das Volumen der Solarzelle hindurch zu den Kontakten der Solarzellen-Rückseite
geführt werden. Dies bietet nicht nur den Vorteil der erhöhten
Einsammelwahrscheinlichkeit für Minderheitsladungsträger,
sondern auch den Vorteil gegenüber dem Stand der Technik
von Sunpower, daß sich die Solarzellenvorderseite im Modulbetrieb
nicht auflädt. Insbesondere durch die Maßnahmen
von Variante 2 werden die die Minderheitsladungsträger
mit noch höherer Wahrscheinlichkeit eingesammelt, bzw.
zu den Halbleiterübergängen in ihrer Nähe
getrieben. Somit kommt auch hier monokristallines Material mit geringerer
Ausgangslebensdauer für Minderheitsladungsträger
in Frage, so daß Kosten bei der Herstellung dieser Ausgangswafer
eingespart werden können. Diese Kosten lassen sich im Falle
der Verwendung sehr dünner Wafer (50 μm oder weniger)
besser in eine sehr gute Strukturierung der Solarzellenvorderseite
(glatte Rückseite) investieren, die dafür sorgt,
das Licht so effektiv wie möglich in die Solarzelle eingekoppelt
wird und um ein Vielfaches der Waferdicke durch den Wafer laufen
kann, ohne der Solarzelle wieder zu entweichen oder parasitär
absorbiert zu werden (optische Weglänge), bevor die Photonen zu
Ladungsträgern konvertiert werden.
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H: Wafer-basierende Solarzellen mit verminderter
Abschattungsempfindlichkeit bzw. höherer Ausgangs-Spannung
pro Flächeneinheit bzw. pro Wafer
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Typische
Solarzellen, wie sie heute am Markt kommerziell erhältlich
sind, zeichnen sich dadurch aus, daß sie überproportional
empfindlich sind, wenn ein Teil der Solarzelle im Betrieb (zum Beispiel
in einem Solarmodul) abgeschattet wird. Gleiches gilt für
das Abschatten von Teilen von Solarmodulen, bei denen üblicherweise
viele Solarzellen in Serie miteinander verschaltet sind, um höhere
Modul-Ausgangsspannungen zu ermöglichen.
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Die überproportionale
Empfindlichkeit gegen Abschattung von Teilen der aktiven Solarzellenflächen zeichnet
sich einerseits dadurch aus, daß der damit einhergehende
Leistungsverlust größer ist, als das der verminderten
Stromerzeugung durch die abgeschatteten Bereiche entsprechen würde,
da sich die Diodenkennlinie der entsprechenden Solarzellen verschieben
und zusätzlich zu den Stromverlusten Füllfaktorverluste hinzu
kommen, die die Leistung der Solarzellen und Solarmodule negativ
beeinflussen. Ferner zeichnet sich die Empfindlichkeit dadurch aus,
daß durch teilweises oder ganzflächiges Abschatten
von Solarzellen in Solarmodulen oder Photovoltaiksystemen die Solarzelle
gegebenenfalls in Rückwärtsrichtung mit Spannung
belastet wird, so daß es bei Schwachstellen der Diode oder
bei Kurzschluß- bzw. Leckagepfaden bei höheren Rückwärtsspannungen
zu weiteren Wirkungsgradverlusten, zur Ausbildung so genannter ,hot
spots' oder sogar zu einer dauerhaften Leistungsabnahme oder Zerstörung
einzelner Solarzellen oder Solarmodule kommen kann. Mit hot spots
werden Breiche der Solarzelle bezeichnet, die lokal den kleinsten
Widerstand (Parallelwiderstand zur Halbleiterdiode in Sperrichtung)
bieten und so lokal sehr viel Energie durch die durch Abschattung angelegte
Rückwärtsspannung dissipieren. In Folge kann das
Aufschmelzen von Modul-Einkapselungsmaterialien, das Verflüssigen
oder Abdampfen von Metallkontakten, oder sogar das lokale Aufschmelzen
von Silizium nicht vermieden werden und zu einer Schädigung
führen.
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Um
derart negative Auswirkungen durch Abschattung vorzubeugen, bieten
die oben beschriebenen Wafer- und Solarzellen und deren Herstellverfahren
Möglichkeiten erhebliche Vorteile zu nutzen.
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Zum
einen besteht ein erheblicher Vorteil darin, daß die tief
ins Silizium eingetriebenen Dotierbereiche die Entstehung lokaler
Kurzschlußpfade im oberflächennahen Bereich der
Solarzelle nahezu ausschließen. Bei herkömmlichen Solarzellen
entstehen derartige Kurzschlußpfade oder Leckströme
beispielsweise durch Kratzer an der Oberfläche der Solarzelle
(z. B. durch nicht geeignet angepaßte Handhabungstechnik
verursacht – insbesondere, wenn diese geschädigten
Bereiche mit Metallkontakten versehen werden). Ferner besteht ein
sehr erheblicher Vorteil, der aus intrinsischen oder vergleichsweise
sehr schwach dotierten Silizium-Wafern hergestellten Solarzellen
darin, daß die nach dem Ausbilden von Dotierbereichen vorhandene
Diode über den Halbleiterübergang eine erheblich
höhere Rückwärtsspannung der Solarzelle
zuläßt bevor es zu Kurzschlußverhalten,
Diodendurchbruchsverhalten oder erheblichen Rückwärtsströmen
kommt. Dies hat damit zu tun, daß in weiten Teilen der
Solarzelle darauf verzichtet werden kann, neben der beispielsweise
in Diffusionsprozessen auszubildenden Dotierbereiche eine zusätzliche
Hintergrunddotierung (umgekehrte Polarität) mit entsprechender
Leitfähigkeit bereits vorher in den Halbleiterplatten vorliegen
zu haben. Ferner kann zumindest bei einigen der Solarzellenkonzepte
komplett darauf verzichtet werden, sehr hoch dotierte Siliziumbereiche
(unterschiedlicher Polarität) zu verwenden, oder diese
in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander an der Oberfläche
der Solarzelle auszubilden. Gegebenenfalls können sogar
nach Ausbilden der Dotierbereiche oberflächennahe Regionen
der Solarzelle wieder entfernt werden (z. B. in naßchemischen
Polier- oder Texturprozessen oder Plasma-Ätzverfahren oder
Ablationsverfahren oder mechanischen Abtrags- oder Strukturierungsverfahren).
Somit kann die Oberflächenkonzentration der Dotierung weiter
abgesenkt werden. Ferner ist es durch gezieltes Konstruieren der
gewünschten Dotierbereiche möglich, zu vermeiden,
daß sich eng benachbart Bereiche sehr hoher Dotierstoffkonzentration
ausbilden. Letztlich ist es mit den beschriebenen Verfahren möglich
und unter Umständen wirtschaftlich vorteilhaft, die Solarzelle
im Randbereich so zu bearbeiten, daß dort die dort vorhandenen
oberflächennahen Bereiche durch geeignete Verfahren – wie
z. B. Laserschneiden oder mechanisches Abtrennen der Bereiche und
anschließendes Überätzen und Passivieren
dieser Bereiche – entfernt werden und somit auch hier keine
Kurzschlußpfade entstehen können. Somit können
beim Verschalten von Solarzellen und Modulen sehr hohe Spannungen
im Falle einer Abschattung von Teilbereichen zugelassen werden,
ohne daß erhebliche Rückwärtsströme
entstehen oder Solarzellen oder Solarmodule gar Gefahr laufen, dabei
geschädigt zu werden. Die Bildung so genannter hot spots
ist also durch die verwendete Technologie der HOR-ZELleTM weitgehend
ausgeschlossen.
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Im
Falle der Varianten 2 bis 4 der HOR-ZELleTM besteht
allerdings die Möglichkeit, die Abschattungsempfindlichkeit
der Solarzelle weiter deutlich zu verringern und oder die erzielbare
Ausgangsspannung der Solarzelle pro Flächeneinheit (Wafergröße)
deutlich zu erhöhen. Weil p-dotierte und oder n-dotierte
Bereiche dieser Solarzellen in engem Abstand komplett über
die ganze Dicke der Solarzelle hinweg vertikal durchgängig ausgebildet
werden können, besteht die Möglichkeit, diese
Bereiche oder eine zusammengefaßte Anzahl dieser Bereiche
zumindest teilweise bereits wahlweise seriell und oder parallel
zu verschalten. Dabei ist insbesondere im Zusammenspiel mit vorteilhafter
Modultechnik möglich, beim Verschalten der Bereiche zusätzlich Bypaß-Dioden
zu verwenden. Somit ist möglich, durch Parallelschaltung
und/oder Serienverschaltung von Teilbereichen der Solarzelle (und
geeignete Dimensionierung von Bypaß-Dioden innerhalb oder
außerhalb der Solarzellen oder Solarmodule) in derart hergestellten
Solarzellen (bzw. Solarzellen-Wafern mit mehreren Einzel-Solarzellen)
erheblich unempfindlicher gegen überproportionale Leistungsverluste
bei Abschattung von Teilbereichen der Solarzellen zu werden.
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Ferner
ist durch die Möglichkeit der Serienversschaltung von Solarzellenbereichen
möglich, bereits innerhalb des ursprünglichen
Wafers erheblich höhere Spannungen im Betrieb der Solarzellen
bzw. höhere Leerlaufspannungen (offene Klemmenspannungen)
zu erzielen. Da einzelne dieser Bereiche durch Bypaß-Dioden
bereits für die Solarzelle so miteinander verbunden werden
können, daß sich keine erheblichen Rückwärtsspannungen
an einzelnen Solarzellen oder Solarzellenbereichen ausbilden, ist
die Zerstörung durch teilweise Abschattung der Solarzellen
nahezu ausgeschlossen. Idealerweise werden dabei die über
Bypaß-Dioden abgesicherten Bereiche über Dioden
abgesichert, die sich außerhalb des eigentlichen Modulverbundes befinden,
so daß dort lokal dissipierte Energie das Solarmodul nicht
zerstören kann und eine defekte Diode sehr schnell ohne
erhebliche Kosten im langjährigen Betrieb der Solarmodule
ausgetauscht werden kann.
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Für
das Kontaktieren einzelner Solarzellenbereiche (Kontaktfinger) und
das Herausführen der Kontakte zu außerhalb des
Modules befindlichen Bypaß-Dioden kommt beispielsweise
eine von Day4Energy entwickelte Technologie in Frage. Generell kommt
den Solarzellen mit der oben beschriebenen Kontaktierungstechnologie
zugute, daß durch geeignete Wahl der aufgedampften, aufgesputterten
und oder in Metallabscheideverfahren aus chemischen Lösungen
verstärkten Metallschichten und die vorteilhaft gewählten
Passivierschichten an Vorder- und Rückseite der Solarzelle
das Eindringen von Feuchtigkeit in den Solarmodulverbund – beispielsweise
entlang der Durchführungen für die Bypaß-Dioden – keine
Schädigung der Solarmodule im Feld (Dauerbetrieb über
25 Jahre) bewirkt. Ferner kommt diesen Solarzellen und damit hergestellten
Modulen zugute, daß schon die Auswahl der geeigneten Passivierschichten
wie Aluminiumoxid sehr hohe Durchbruchspannungen im Modulverbund
ermöglichen. Zusätzlich ist möglich,
durch lokales Aufbringen geeigneter Lacke oder Polymerschichten
oder anderer geeigneter Schichten – Schichten, wie sie
beispielsweise heute bereits erfolgreich für die Herstellung
von Kondensatoren oder diversen Dioden verwendet werden – die
Oberfläche der Solarzelle oder Teile der Solarzellen-Oberflächen
vor Spannungsdurchbruch eng benachbarter Bereiche wirksam zu schützen.
So ist dann beispielsweise möglich, oberhalb dieser lokal
abgedeckten Bereiche metallische Kontakte verlaufen zu lassen, ohne
daß unter den abgedeckten Bereichen befindliche Metallkontakte kontaktiert
werden oder die Gefahr zu Durchbruch bei Rückwärtsspannung
besteht. Dies erleichtert das Verschalten einzelner Bereiche der
Solarzelle bzw. im Modulverbund, wobei es durchaus vorteilhaft sein
kann, daß das eigentliche Verschalten der Solarzellen und
Solarzellenbereiche erst im Modulverbund stattfindet und die Rückseite
der Solarzellenmodule insbesondere bei rückseitenkontaktierten
Solarzellen dabei besondere Funktionen übernimmt.
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Derartige
Solarzellen mit hoher Ausgangsspannung – diese Ausgangsspannung
kann pro Flächeneinheit bzw. pro Wafer problemlos das hundert-
bis tausendfache der jetzigen Solarzellenspannung betragen (oder
noch höher sein) – transportieren nur vergleichsweise
geringe elektrische Ströme durch die Metallkontakte der
Solarzelle und durch externen Kontakte, die die Wafer bzw. Solarzellen
miteinander verbinden. Die üblicherweise bei wafer-basierenden
Siliziumsolarzellen vorherrschenden Ausgangsspannungen liegen bei 0,5
bis 0,75 V und führen deshalb zu deutlich höheren
Strömen und damit verbundenen Serienwiderstandsverlusten
in den Kontakten. Somit lassen sich sehr hohe Modul- und Systemspannungen
ohne erhebliche Risiken bei Abschattung einzelner Solarzellenbereiche
oder Modulbereiche herstellen. Dies hat den erheblichen Vorteil,
daß die Widerstandsverluste in den Kontakten und metallischen
Verbindungen von Solarzellen und Solarmodulen untereinander erheblich
reduziert werden können. Die Widerstandsverluste sind proportional
dem Quadrat der Ströme die durch diese Kontakte fließen.
Wird also der Strom beispielsweise durch geeignete Serienverschaltung
von einzelnen Bereichen der Solarzelle auf ein Hundertstel oder
ein Tausendstel reduziert, reduzieren sich damit die Widerstandsverluste
in den betroffenen Kontakten auf ein Zehntausendstel bzw. ein Millionstel.
Dies ist besonders interessant bei Konzentrator-Anwendungen, bei
denen Licht stärker auf die Solarzelle gebündelt
wird, als dies bei normaler Sonnenlichteinstrahlung der Fall ist.
So kann beispielsweise durch Verwendung von geeigneten optischen
Linsen oder Parabolspiegeln Sonnenlicht in Regionen mit hoher Direkteinstrahlung
(wenig Bewölkung oder diffuses Sonnenlicht) in seiner Intensität
um mehrere Größenordnungen verstärkt
(gebündelt) der Solarzellenvorderseite gezielt zugeführt
werden. Den hier erläuterten Solarzellen kommen dabei die
tief ausgebildeten Dotierstoffbereiche, die erhöhte Beständigkeit
gegen Diodendurchbruch bzw. erhöhte Rückwärtsspannungen
(teilweise Abschattung), die hoch leitfähigen auf der Rückseite
der Solarzelle in beliebiger Dicke und Breite ausprägbaren
Metallkontakte sowie die Möglichkeit, einzelne Bereiche
der Solarzelle miteinander seriell zu verschalten sehr entgegen.
Es sei darauf hingewiesen, daß hier bei den seriell oder
parallel verschalteten Beereichen einer Solarzelle weiter von einer
Solarzelle gesprochen wurde, obwohl dies zumindest bei Solarzellen,
bei denen die jeweiligen benachbarten n-dotierten und p-dotierten
Bereiche vertikal durchgängig ausgebildet sind, nicht mehr
gilt, da es sich dann bereits je nach externer Verschaltung bereits
um völlig unabhängige Solarzellen handelt, die
auf einem einzelnen Ausgangswafer ausgebildet wurden. Es sei auch
darauf hingewiesen, daß es so möglich ist, den äußersten
Randbereich der Solarzelle (p- oder n-dotierter Bereich entlang
des kompletten Umfangs der Solarzelle) sehr schmal auszubilden und
nicht elektrisch mit den externen Kontakten oder den anderen Teilbereichen
zu verbinden. Dadurch können zwar Ladungsträger,
die in diesem äußersten Randbereich der Solarzelle
erzeugt werden, nicht aktiv zur Stromgewinnung beitragen. Jedoch
erhält man damit eine nahezu perfekte p-n-Trennung im Randbereich
der Solarzelle ohne weitere Prozeßschritte zur Isolation
dieser Kantenbereiche ausführen zu müssen. Wesentlich ist
dabei, daß der schmal ausgebildete dotierte Bereich der
Wafer-Seitenkanten jeweils durch einen p-n-Übergang von
den Bereichen getrennt ist, die kontaktiert werden. Auch das ist
nur bei Solarzellen, die auf Wafern mit intrinsischer Ausgangs-Halbleiterqualität,
bzw. Wafern mit sehr niedriger Ausgangsdotierung gefertigt werden
(sehr hoher Basiswiderstand) vorteilhaft anwendbar.
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Generell
erscheint es für Konzentrator-Anwendungen, in denen ein
Vielfaches der Sonnenlichtstärke durch geeignete Systeme
(siehe hierzu auch die Abschnitte I bis K) auf die Solarzellen gebündelt
wird, aus mehrfacher Hinsicht sinnvoll, hochqualitatives monokristallines,
möglichst dünnes Wafer-Ausgangsmaterial zu verwenden,
das im Sinne der Erfindungen bevorzugt in intrinsischer oder sehr
schwach dotierter Halbleiterqualität vorliegen sollte.
Gründe hierfür sind:
- 1. Mit
hochqualitativem monokristallinem Wafermaterial lassen sich die
höchsten Solarzellen-Wirkungsgrade erreichen. Somit sind
die eventuell höheren Kosten pro Wafer im Vergleich zu
den Systemkosten gering und gerechtfertigt.
- 2. Durch den höheren Konversions-Wirkungsgrad von Licht
zu elektrischer Energie bei hochqualitativen monokristallinen Solarzellen
(kann je nach Konzentrationsfaktor über 30% betragen) wird
die Solarzelle weniger stark erhitzt, da ein erheblicher Teil der
gebündelten Sonnenenergie in elektrische Energie anstatt
in Wärmeenergie umgesetzt werden kann.
- 3. Bei sehr dünnen Solarzellen (~50 μm) mit
hohem Wirkungsgrad kann die erzeugte Wärme besser wieder abgeführt
werden, falls die Solarzellen aktiv gekühlt werden
- 4. Der Wirkungsgrad der eingesetzten Solarzellentechnologie
limitiert den erreichbaren Gesamtwirkungsgrad des Konzentratorsystems
und sollte deshalb so hoch wie möglich sein, um die Kosten
pro erzeugte Leistung für das jeweilige System so gering
wie möglich werden zu lassen.
- 5. Die monokristalline Ausführung der HOR-ZELleTM in komplett rückseitenkontaktierter
Bauweise mit deutlich erhöhter Ausgangsspannung pro Flächeneinheit
und erheblich gesenkten Serienwiderstandsverlusten ermöglicht
die höchsten am Markt verfügbaren Solarzellenwirkungsgrade
für industriell gefertigte kristalline Silizium-Solarzellen
und ermöglicht den Einsatz großflächiger
Solarzellen in Konzentratoranwendungen.
- 6. Die im Vergleich zum Stand der Technik verringerten Serienwiderstandsverluste
in den dotierten Bereichen (tiefe Dotierung), im Kontaktübergangswiderstand
(legierte Kontakte), in der Linienleitfähigkeit der Kontakte
(sehr leitfähige Kontaktfinger mit guter Isolation zu Nachbarbereichen
möglich; lokales Kontaktieren einzelner Bereiche an beliebigen
Punkten entlang der Kontaktfinger) sowie die besseren Diodeneigenschaften
der Solarzelle mit inhärentem Schutz gegen Leckageströme
und die verringerte Empfindlichkeit gegen Abschattungsverluste bieten
bei der HOR-ZELleTM erhebliche Wettbewerbsvorteile
gegenüber dem Stand der Technik.
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Sinnvoll
erscheint, die ,Einkapselung' der Solarzelle bzw. Systemtechnik
der Konzentrator-Anwendung anzupassen, um maximal von den einzigartigen
Eigenschaften der HOR-ZELleTM-Technolgie
zu profitieren.
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I: Monolithisch rückseitenverschaltetes
Hochspannungsmodul mit By-Pass-Dioden für Solarzellen und
Solarzellenbereiche bzw. Konzentrator-Anwendungen
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Insbesondere
bei ausschließlich auf der Rückseite kontaktierten
Solarzellen ist es sinnvoll, entgegen des Standes der Technik neue
Wege bei der Modulherstellung zu gehen. Bisher ist bei kristallinen
Solarzellen üblich, daß aus einem Wafer jeweils
nur eine Solarzelle gefertigt wird und einzelne Solarzellen erst
im Modulverbund durch extern angelötete Zellverbinder (normalerweise
verzinnte Kupferbändchen) elektrisch leitend miteinander
verbunden werden.
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Bei
Dünnschicht-Solarzellen ist dies anders. Da bei Dünnschicht-Solarzellen
die komplette Solarzellenstruktur in dünnen Schichten auf
großflächigen Substraten wie beispielsweise Glas
abgeschieden wird, ist es erforderlich, danach eine Trennung einzelner
Bereiche vorzunehmen, so daß sich eine höhere
Modulspannung ergibt. Dabei ist es durchaus üblich, vergleichsweise
viele kleine Einzelsolarzellen auf dem Modul auszubilden und diese
monolithisch miteinander zu verschalten. Durch diese Technologie
ergibt sich die Möglichkeit, nahezu beliebig viele Solarzellen
auf einem Modul in Serie oder parallel zu verschalten und durch
geeignete Modul-Rückseitenmaterialien Bypass-Dioden in
die Verschaltung einzubeziehen.
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Mit
der in den Abschnitten A–H beschriebenen neuen Technologie
wird erstmals ermöglicht, auch mit vergleichsweise dicken
Wafern (Vielfaches der Dicke von Dünnschicht-Solarzellen)
viele kristalline Solarzellen bzw. Solarzellenbereiche innerhalb
oder außerhalb eines Wafers miteinander monolithisch zu
verschalten, auf dem sich diese Solarzellen oder Solarzellenbereiche
befinden. Dies wird dadurch ermöglicht, daß durch
die Verwendung von nahezu intrinsischem Siliziummaterial bei den
Wafern und die Ausbildung von vertikal durchgängigen Dotierbereichen
durch das ganze Materialvolumen der Solarzellen hinweg in horizontaler
Richtung Halbleiterübergänge entstehen, die bei
geeigneter Kontaktierung der einzelnen Dotierbereiche ermöglichen, daß jeweils
benachbarte p- und n-dotierte Gebiete paarweise zu Einzelsolarzellen
zusammengefaßt und nach Wunsch miteinander verschaltet
werden können. Dabei kann es besonders vorteilhaft sein,
die komplett von der Rückseite der Solarzelle her kontaktierten
Varianten der HOR-ZELleTM herzustellen und
wie oben erläutert weite Bereiche der Kontaktfinger, die
Kontakt zum Siliziumwafer herstellen, bereits während der
Solarzellenherstellung durch elektrisch gut isolierende Schichten
abzudecken. Somit können viele Einzelbereiche auf den Wafern,
auf denen die Solarzellen hergestellt werden, in gezielter Weise
miteinander in Serie oder parallel bzw. über Bypaß-Dioden
miteinander verbunden werden. Dabei erscheint es besonders sinnvoll,
die Leiterbahnen zur Verschaltung einzelner Bereiche bzw. die Bypaß-Dioden
auf speziell für die Anwendung entwickelten Rückseiten-Bauteilen
der Module vorzufertigen, so daß die Solarzellen nur noch
durch Roboter, so genannte ,Pick an Place Systeme' oder andere Handhabungstechnik
präzise an den Stellen auf diesen Rückseiten-Modulbauteilen
abgelegt werden, an denen sie beispielsweise durch Löten
mit den Leiterbahnen der Modulrückseiten verbunden werden
können. Dies erfordert, daß die Modul-Rückseiten ähnlich
wie bei der Leiterplattentechnik oder bei der Platinenherstellung
im Mikroelektronikbereich bereits die Verschaltungsstrukturen sowie Einkapselungsmaterialien
enthalten und elektrisch leitfähige Kontakte zu den Solarzellen
nur an den dafür ausgebildeten Stellen hergestellt werden
können. Die Leiterbahnen der Rückseiten-Bauteile
der Solarmodule sind dazu weitgehend zur Solarzelle hin durch isolierende
Schichten abgedeckt, die auch bei teilweiser Abschattung der Solarzellen
oder Solarmodule bei sich aufbauenden Spannungen in Rückwärtsrichtung
keine Kurzschluß- oder Leckage-Pfade ermöglichen
und ausreichend hohe Durchbruchsspannungen zulassen.
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Da
bei diesen Solarzellen alle Kontakte auf der Rückseite
der Solarzelle angeordnet sind, kann es sinnvoll sein, sehr breite
aber von der Auftragshöhe her dünne Leiterbahnen
mit der Solarzelle zu verbinden. Dies hat den Vorteil, daß durch
die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen
Metallkontakten, Leiterbahnen und Silizium bei dünnen Leiterbahnen
lokal während Temperaturzyklen nur vergleichsweise geringe
mechanische Spannungen auf die Solarzellenbereiche ausgeübt
werden. Ferner sorgt eine hohe Flächenbedeckung mit metallischen
Leiterbahnen innerhalb des Solarmodul-Rückseitenbauteiles dazu,
daß durch diese metallischen Schichten keine Feuchtigkeit
ins Solarmodul eindringen kann (deutlich geringere Permeabilität
für Wasserdampf und Feuchtigkeit, als bei herkömmlichen
organischen Rückseiten-Folien zur Einkapselung von konventionellen
Solarzellen nach dem Stand der Technik. Durch die Verwendung von dünnen
metallischen Schichten (Leiterbahnen) mit ausreichender elektrischer
Leitfähigkeit, die durch geeignete Beschichtung überwiegend
bereits eingekapselt sind, lassen sich insgesamt deutlich dünnere
rückseitige Schichtaufbauten bei der Modulrückseite
verwenden. Da diese Modulrückseiten im Dauerbetrieb üblicherweise
keinen äußeren mechanischen Beanspruchungen wie
beispielsweise Hagelschlag ausgesetzt sind, kann die Auslegung so
erfolgen, daß nachteilige Einflüsse durch mögliches
Eindringen von Feuchtigkeit in den Modulverbund bzw. durch mechanische
Schädigungen verursacht durch unterschiedliche thermische
Ausdehnung der einzelnen Komponenten im Modulverbund weitgehend
ausgeschlossen werden können, so daß der Modulverbund
im Dauerbetrieb auch in unterschiedlichen Klimaregionen 25 Jahre
ohne erhebliche Degradations-Erscheinungen garantiert seine Aufgabe
erfüllt.
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Das
Kontaktieren der Solarzellen bzw. von Solarzellenbereichen im Modulverbund
kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die entsprechenden
zu kontaktierenden Bereiche der Solarzelle bereits verzinnt werden
bzw. mit Lötzinn und falls erforderlich Flußmittel
versehen werden. Die Solarzelle sollte dann möglichst ganzflächig
(z. B. beim Handhaben der Solarzelle) auf eine Temperatur erwärmt
werden, die das Lot (Zinn oder Zinnverbindungen) zum Schmelzen bringt.
Das Solarmodul kann wahlweise ebenfalls erwärmt werden,
jedoch nicht auf Temperaturen, bei denen das Lot schmelzen würde.
Da die Solarzelle keine Kontakte an der Vorderseite aufweist, kann
sie durch übliche Handhabungstechnik an der Vorderseite
gegriffen und an den gewünschten Platz transportiert bzw.
positioniert werden. Dabei ist entscheidend, daß sie mit
ausreichender Präzision schnell an den Platz der Solarmodulrückseite
gebracht wird, an dem sie angelötet werden kann und sich dauerhaft
beständige Kontakte an allen dafür vorgesehenen,
freiliegenden Stellen des Solarmodul-Rückseitenbauteiles
ausbilden können.
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Das
Handhaben der Wafer muß dabei ausreichend schnell erfolgen,
so daß die verzinnten (mit geschmolzenem Lot versehenen)
Bereiche der Solarzellenrückseite aufgeschmolzen bleiben,
bis der Kontakt zur Solarmodulrückseite erfolgt. Bei diesem
Vorgang ist auf die Werkstoffauswahl bei den Greifern der Handhabungstechnik
(hochtemperaturbeständige Bernoulli-Greifer), eine angepaßte
Technologie zur Temperaturkontrolle der Wafer bzw. Solarzellen sowie
schnelles und präzises Handhaben zu achten. Da die verzinnten
Kontaktbereiche in aufgeschmolzenem Zustand durch die hohe Oberflächenspannung
des Lotes sehr dick sind (halbkugelförmige Lotbereiche),
kann die Solarzelle auch bei welligen bzw. unebenen Substraten in
ausreichendem Abstand zum Modulrückseitenbauteil abgelegt
werden und die Kontaktierung der gewünschten Bereiche erfolgt
wie gewünscht. Möglicherweise verbleibende Hohlräume
sollen beim Laminieren des Moduls durch entsprechende Einkapselungsmaterialien,
die zuvor bereits auf dem Rückseitenbauteil des Moduls
aufgebracht sind, verschlossen werden.
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Alternativ
können auch zunächst auf dem Rückseitenmodul-Bauteil
die jeweiligen elektrisch mit den Solarzellen oder Solarzellenbereichen
zu verbindenden Bereiche mit Lotpasten-Auftrag versehen werden.
Dafür kommen beispielsweise Dispenssysteme in Frage, wie
sie in der Leiterplattentechnik und SMT eingesetzt werden. In einem
Folgeschritt werden die Solarzellen präzise so abgelegt,
daß die elektrisch zu verbindenden Stellen auf diesen Lotpastenaufträgen
zu liegen kommen. Anschließend wird die komplette Anordnung
erwärmt, so daß die Lotpasten aufschmelzen und
nach vorzugsweise langsamem Abkühlvorgang alle Lötkontakte
ausgebildet sind. Das Aufheizen der kompletten Anordnung ermöglicht
langsamere Abkühlrampen als beim Löten von Einzelwafern.
Dies hat den Vorteil, daß weniger mechanischer Streß entsteht,
bzw. sich Streß bereits beim Abkühlen wieder relaxiert
und so gar nicht erst im Halbleiterbauelement oder dessen Kontakten Schädigungen
hervorrufen kann.
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Natürlich
sind auch andere dem Kenner bekannte Methoden zur lokalen Kontaktierung
der Solarzellen auf den vorgefertigten Solarmodulrückseiten-Platinen
zur monolithischen Verschaltung der Solarzellen und Solarzellenbereiche
im Einklang mit den hier beschriebenen Erfindungen einsetzbar.
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Besondere
Vorteile ergeben sich, wenn in die Solarmodul-Rückseitenverschaltung
Bypaß-Dioden integriert werden können. Diese können
entweder in die Platinen der Solarmodulrückseitenbauteile
integriert, oder aus dem Solarmodul heraus auf dessen Rückseite
geführt werden, so daß sie dort einfach aufgesteckt oder
aufgelötet werden können. Daraus ergibt sich der
Vorteil, daß die so extern angebrachten Bypaß-Dioden jederzeit
während der Lebensdauer des Solarmoduls ausgetauscht werden
können, ohne daß dadurch die restliche Funktionsweise
des Moduls beeinträchtigt werden muß oder sich
erhebliche Kosten ergeben. Das Herausführen der Bypaßdioden
hat den weiteren Vorteil, daß im Falle der Abschattung
von Teilen der Solarzellen oder Teilen der Solarmodule die sich
dadurch ergebende Rückwärtsspannung an den entsprechenden Solarzellenbereichen,
Solarzellen oder Solarzellensträngen vermieden oder begrenzt
werden kann und die Diode einen alternativen Strompfad vorbei an
den nicht aktiven abgeschatteten Solarzellenbereichen ermöglicht. Da
auf diesem alternativen Strompfad auf vergleichsweise engem Raum
Energie in Form von Wärme freigesetzt wird, ist es besser,
diese Wärmeentwicklung außerhalb des Solarmoduls
stattfinden zu lassen, um das Modul und seinen Einkapselungsmaterialien
nicht zu schädigen und die benachbarten Solarzellen nicht
zu erhitzen, was zu Leistungsverlusten führen würde.
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Je
nach Anwendungsfall – beispielsweise in Konzentrator-Anwendungen
kann es vorteilhaft sein, sehr viele Bypaß-Dioden einzusetzen,
um einzelne Solarzellen oder Solarzellenbereiche durch diese Dioden
zu schützen. Die Kosten für die zusätzliche
Verschaltungstechnik und Dioden sind dabei dem Nutzen gegen zu rechnen.
Insbesondere bei Solarmodulen, die durch sehr hohe Ausgangs-Spannungen Vorteile
erwirtschaften, weil Serienwiderstandsverluste und damit verbundene
Füllfaktor- und Wirkungsgradverluste vermieden werden,
rechtfertigen den Einsatz zusätzlicher Bypass-Dioden innerhalb
oder außerhalb der monolithischen Verschaltungstechnik,
da so das Risiko der Schädigung von Solarmodulen oder Solarzellen
im Falle von lokaler Abschattung minimiert oder ausgeschlossen werden
kann. Dies gilt in besonderer Weise bei monolithisch verschalteten
Konzentrator-Solarzellen oder Konzentrator-Solarmodulen.
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Für
Konzentrator-Anwendungen bei denen ein Vielfaches der üblichen
Sonnenlichtintensität auf die Solarzelle gebündelt
wird, ist es vorteilhaft, wenn Solarzellen und Solarmodule vor deutlicher
Erwärmung geschützt werden können. Einerseits
führt die Erwärmung kristalliner Siliziumsolarzellen
dazu, daß ca. 2,3 mV Spannung je Grad Celsius verloren
gehen, die die Solarzellen über die Standard-Meßbedingungen
(25°C) hinaus erwärmt werden. Andererseits besteht
ab Temperaturen, die deutlich über 100°C hinaus
gehen die Gefahr, daß sich der Modulverbund als nicht dauerhaft
beständig erweist. Dies gilt insbesondere, wenn lokale
,hot spots' in Teilen der Solarzelle möglich sind. Wie
bereits erläutert können hot spots mit der HOR-ZELleTM-Technologie weitgehend ausgeschlossen
bzw. vermieden werden. Die zusätzlichen Bypaß-Dioden
bei der vorteilhaften Verschaltung von rückseitenkontaktierten
Solarzellen helfen hierbei erheblich, auch im Abschattungsfall keine
kritischen hot-spots entstehen zu lassen.
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Es
kann allerdings zusätzlich vorteilhaft sein, die Solarzelle
bei Konzentrator-Anwendungen gar nicht in üblichen Laminaten
als Module einzubetten. Statt dessen kann es gemäß einer
weiteren Erfindung vorteilhaft sein, die Solarzellen in so genannten
Receiver-Rohren aus Glas so anzuordnen, daß sie in einer
Orientierung hin zum lichtbündelnden System (zum Beispiel
Parabolspiegel-Rinne) ausgerichtet sind und im Fokus des lichtbündelnden
Systems befestigt sind. Wird die Solarzelle komplett in einem Hohlrohr
aus Glas (Receiver-Rohr) in dieser Form befestigt, wären
zusätzliche Einkapselungsmaterialien eher hinderlich. Durch
den Einschluß in einem hoch transparenten Glasrohr oder
Quarzrohr kann verhindert werden, daß unerwünschte Umgebungsbedingungen
wie beispielsweise erhöhte Luftfeuchtigkeit oder Verschmutzungen
mit der so eingekapselten Solarzelle Wechselwirken. Dies verhindert
gleichzeitig Abschattungen auf der unmittelbaren Solarzellenoberfläche
innerhalb des Receiver-Rohres. Allerdings ist sicherzustellen, daß die
im Receiver-Rohr vorherrschende Atmosphäre nahezu keine
Luftfeuchtigkeit und Verunreinigungen enthält. Hierzu kommt
beispielsweise trockene Druckluft in Frage, die unterhalb eines
gewissen Taupunktes kondensiert und somit von Luftfeuchtigkeit befreit
wurde. In Frage kommen auch inerte Prozeßgasatmosphären
wie Stickstoff oder Argon die neben Luftfeuchtigkeit zusätzlich
Sauerstoff weitgehend ausschließen und im Falle von Argon
(schwerer als Luft) das Einbrechen von Umgebungsluft auch an den
Stirnseiten der Receiverrohre weitgehend vermeiden können.
Um die Solarzellen aktiv zu kühlen, ist es denkbar, die
Prozeßatmosphäre innerhalb der Receiver-Rohre
permanent auszutauschen und die erhitzten abgeführten Prozeßgase
wieder extern abzukühlen, bevor sie erneut zur Kühlung
der Solarzellen in die Receiver-Rohre eingespeist werden. Dabei
ist es trotz Energieverlusten beim Kühlen der Prozeßgase
unter Umständen sehr wirtschaftlich, die Solarzellen im
Receiver permanent zu kühlen, solange Licht auf die Receiverrohre
fällt (Schwellenwert in erzeugter Leistung als Triggersignal
für Kühlung)). Durch diese Maßnahme erhöhen
sich die Spannung und damit auch der Wirkungsgrad der Solarzellen
und des Konzentratorsystems. Parallel dazu werden die Solarzellen
aktiv vor Überhitzung und Verschmutzung geschützt,
so daß deren Lebensdauer in dieser Anwendung erheblich
gesteigert werden kann.
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Die
Receiverrohre selbst erhalten an der äußeren und
inneren Oberfläche Antireflexionsschichten, die dazu beitragen,
daß Sonnenlicht, das ja durch beispielsweise Parabolrinnen-Spiegel
senkrecht auf die Receiverrohroberflächen gebündelt
wird, dort möglichst wenig reflektiert wird und somit der überwiegende
Anteil des Lichtes in das Konzentrator-Receiver-Rohr eingekoppelt
wird. Ferner ist es möglich, die Innenseite des Receiverrohres
ebenfalls geeignet zu beschichten, um dort möglichst interne
Reflexion des Lichtes durch den im Vergleich zum Innenraum des Receiverrohres
höheren Brechungsindex von Glas zu vermeiden.
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Im
Inneren des Receiverrohres werden die Solarzellen von einem kühlenden
Fluid umspült. Dies kann einerseits eine Gasatmosphäre
(wie oben erwähnt), kann aber auch eine geeignete Kühlflüssigkeit
sein, die bevorzugt einen Brechungsindex zwischen dem von Glas und
dem der obersten Antireflexionsschicht auf der Solarzellenvorderseite
aufweist und im für die Solarzelle nutzbaren Spektralbereich
möglichst wenig Lichtanteile absorbiert. Wird als Fluid
statt dessen ein Prozeßgas eingesetzt, kann auf der Solarzellenvorderseite
ein Stapel aus verschiedenen Antireflexionsschichten verwendet werden,
der sicherstellt, daß nahezu alles Licht, das in das Receiverrohr
eingedrungen ist, auch in die Solarzelle eingekoppelt wird. Die
Solarzelle hat dabei zusätzlich eine hochwertige Oberflächentextur
wie beispielsweise gezielt eingebrachte invertierte Pyramiden oder
eine Honigwabenstruktur.
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Da
die Solarzellenvorderseite keine Metallkontakte aufweist, können
Abschattungsverluste auf der Vorderseite der Solarzelle nahezu völlig
vermieden werden. Die Textur der Solarzelle sorgt dafür,
daß Licht einen möglichst langen optischen Weg
innerhalb der sehr dünnen Solarzelle (~50 μm)
zurücklegt und somit die Absorptionswahrscheinlichkeit
im aktiven Solarzellenvolumen sehr hoch ist. Je dünner
der Wafer gewählt wird, desto eher kann er sehr schnell
wieder seine Wärme an die Umgebung abgeben, bzw. gekühlt
werden.
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Durch
Ausbildung der rückseitenkontaktierten Varianten der HOR-ZELle-Solarzelle
können Widerstandsverluste innerhalb der Solarzelle trotz
der sehr hohen Stromdichten deutlich verringert bzw. vermieden werden.
Dabei ist eine serielle monolithische Verschaltung benachbarter
Solarzellen auf ein und demselben Wafer unbedingt wünschenswert,
um den Stromfluß in den Kontakten deutlich zu minieren.
Statt dessen bilden sich hohe Spannungen als Folge der Serienverschaltung
aus. Die monolithische Verschaltung kann dadurch erfolgen, daß an
einzelne Teilbereiche der Solarzellenrückseite eine Platine
aufgelötet wird, die diese Bereiche bevorzugt über
Bypaß-Dioden, die nicht in direktem Kontakt mit der Solarzelle
sind, noch an diese Wärme abgeben, miteinander verbindet.
Dabei befinden sich Metallkontakte, aufgelötete Platine
(evtl. in diskretem Abstand zum Wafer) und Bypaßdioden
im Schatten der Solarzelle, die nur auf deren Vorderseite Licht
aus dem Konzentrator empfängt. Der Konzentrator folgt dabei
zumindest in einer Ebene dem Verlauf der Sonne.
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Die
beschriebene Konzentrator-Technologie zur direkten Konversion von
Sonnenlicht in elektrische Energie ist kompatibel mit Konzentratoranwendungen,
in denen bereits heute Receiverrohre zur solarthermischen Energiekonversion
einsetzt werden. Bei geeigneter Anordnung und Verschaltung der Solarzellen
(und benachbarter Wafer) im Receiverrohr können die Kontakte
so aus dem Receiverrohr heraus geführt werden, daß diese
nicht überhitzt werden können und dennoch die
Prozeßatmosphäre innerhalb der Receiverrohre bzw.
das kühlende Fluid weiter vor Verunreinigungen geschützt
bleibt. Ferner ist möglich, die Receiverrohre bei Bedarf
stirnseitig so zu öffnen, daß die Solarzellenanordnungen
entnommen und gegebenenfalls Defekte in der Anordnung repariert
oder durch vergleichbare Bauteile ersetzt werden können.
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Die
Parabolrinnen-Receiver-Anordnung schützt sich selbst, indem
sie bei zu geringer Sonnenintensität bzw. durch externe
Sensoren ausgelöste Signale beispielsweise bei einem Sandsturm
in einer Wüstenregion in eine Position schwenkt, die Parabolrinnen-Spiegel
und Receiver schützen.
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Die
hier besprochene Erfindung läßt erstmals den vorteilhaften
Einsatz großflächiger Solarzellen in Konzentrator-Anwendungen
mit hohen Konzentrationsfaktoren für das Sonnenlicht zu.
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J: Gegen Abschattungsverluste unempfindlicheres
Solarmodul
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Neben
den zuvor beschriebenen Anwendungen für Solarmodule mit
höherer Modulspannung – bzw. geringerer Empfindlichkeit
gegen Abschattung und Rückwärtsspannungen – ist
es auch bei nicht ausschließlich rückseitig kontaktierten
Solarzellen möglich, Leistungsverluste deutlich zu reduzieren,
falls Teile von beidseitig kontaktierten Solarzellen oder von Solarmodulen
(mit derartigen Solarzellen) abgeschattet werden. Dies ist insbesondere
bei Solarzellen mit horizontalen Halbleiterübergängen
möglich, wenn einzelne Teile der Solarzellen (bzw. des
Wafers mit Solarzellen) parallel verschaltet werden und zusätzliche
Bypaß-Dioden hierfür eingesetzt werden.
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Zwar
sind bei herkömmlichen kommerziell erhältlichen
auf Wafern hergestellten kristallinen Silizium-Solarzellen üblicherweise
alle Bereiche der Solarzelle parallel verbunden, jedoch kommen hierbei
keine Bypaß-Dioden für einzelne Bereiche der Solarzelle
zum Einsatz. So geht aufgrund von Abschattungen einzelner Solarzellenbereiche
oder einzelner Solarzellen wie bereits besprochen im Modul überproportional
viel Leistung verloren, da nicht nur die verminderte Stromerzeugung
zur Reduktion des Solarzellenwirkungsgrades führt, sondern
auch ein verminderter Füllfaktor dadurch entsteht, daß die
Spannung der Solarzelle lokal im abgeschatteten Bereich deutlich
reduziert ist. Bei den Varianten 1 und 4 der HOR-ZEL-leTM erscheint
es jedoch sinnvoll, zumindest einzelne Bereiche der Solarzellen-Rückseite
trotz Parallelverschaltung separat über Bypaß-Dioden
(ebenfalls in Parallelschaltung) mit der Vorderseite zu verbinden.
Dabei ist möglich, die Vorderseitenbereiche gemeinsam über
geeignete Verbindungsbändchen oder Drähte (Day4Energy)
zur Modulrückseite zu führen. Die Modulrückseite
kann wie in Abschnitt I beschrieben ein vorgefertigtes Bauteil sein,
auf dem gegeneinander isolierte Platinen und integrierte, bzw. extern
angebrachte Bypass-Dioden eingesetzt werden können. Ebenfalls
wie in Abschnitt I erläutert können die Solarzellen
dann zunächst auf der Rückseite geeignet mit dem
Modulrückseitenbauteil verbunden werden, so daß einzelne
Bereiche der Waferrückseite (Solarzellenrückseiten) über
Bypass-Dioden parallel oder im Falle der Variante 4 der HOR-ZELleTM auch wahlweise seriell oder teilweise
seriell miteinander verschaltet sind. Die Kontakte bzw. Verbindungskontakte
der Vorderseite werden dann im Anschluß bevorzugt an Positionen
zwischen den einzelnen Wafern bzw. Solarzellen auf die Modul-Rückseitenbauelemente
an dafür vorgesehenen Stellen verbunden. Dies kann beispielsweise
dadurch erfolgen, daß die Vorderseiten-Verbinder vor oder
während oder nach dem Verbinden der Solarzellen mit dem vorgefertigten
Solarmodul-Rückseitenbauelement aufgelötet und
dann ebenfalls mit dem Rückseitenbauelement (beispielsweise
durch Löten) verbunden werden. Es sind aber auch andere
Formen der Kontaktbildung denkbar. Hierfür kommen zum Beispiel
auch Steck- oder Quetschkontakte in Frage, die mit dem vorgefertigten Solarmodul-Rückseitenbauelement
verbunden werden. Das Kontaktieren der Solarzellen-Rückseiten
selbst kann durch diverse Kontaktierungsverfahren erfolgen. Als
weitere Beispiele seien Ultraschall-Löten oder Löten in
einer reduzierenden Atmosphäre wie beispielsweise Formiergas
genannt, die den Einsatz von Lötflußmitteln überflüssig
machen. Dies ist deshalb besonders vorteilhaft, weil Lötflußmittel
im Modulverbund während der garantierten Lebensdauer eines
Solarmoduls chemische Wechselwirkungen mit der Solarzelle hervorrufen können,
die zu einer Leistungsabnahme im Solarmodul führen können.
Derartige Schädigungsrisiken sind vorzugsweise durch geeignete
Wahl der Metallkontakte, bzw. der Verbindungstechnik, bzw. der Verfahren
zur Herstellung dauerhaft beständiger Verbindungen zwischen
einzelnen Solarzellenbereichen oder einzelnen Solarzellen, zu vermeiden.
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Natürlich
ist es auch bei den anderen Varianten der HOR-ZEL-leTM-Technologie
möglich, die eben beschriebenen Methoden zur Modulverschaltung
vorteilhaft einzusetzen. Durch die Parallelverschaltung einzelner
Solarzellen oder Solarzellenbereiche und geeignete Wahl von Bypaß-Dioden
kann verhindert werden, daß im Falle partieller Abschattung über
die dadurch verminderten Stromverluste hinaus deutliche Spannungs-
und Füllfaktor-Einbußen hingenommen werden müssen.
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K: Hochspannungs-Systemverschaltung zur
Reduktion von Widerstandsverlusten in photovoltaischen Systemen
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In
photovoltaischen System zur Energiegewinnung aus Sonnenlicht werden üblicherweise
mehrere Solarmodule in Strängen zusammengefaßt
seriell miteinander verbunden und der entsprechende Modulstrang einem
DC/AC-Wechselrichter zugeführt, der Gleichspannung in Wechselspannung
umwandelt. Dies gilt insbesondere für photovoltaische Systeme,
die in bestehende Stromnetze Leistung einspeisen, wie dies derzeit
für die Mehrzahl der Anwendungen (Solaranlagen auf Dächern;
Freiflächen-Solaranlagen) der Fall ist.
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Nach
dem Stand der Technik haben Solarmodule mit wafer-basierenden Solarzellen
wie beispielsweise kristallinen Silizium-Solarzellen typischerweise
Ausgangs-Spannungen von unter 100 Volt, noch typischer sind Leerlauf-Spannungen
im Bereich von 10 bis 50 Volt. Die maximal erreichbare Spannung
ist dabei durch die Anzahl der Solarzellen begrenzt, da jede einzelne
Solarzelle nur eine Leerlaufspannung im Bereich von 0,5 bis maximal
0,8 V zur Verfügung stellen kann (typisch sind Leerlaufspannungen
von 0,6 Volt pro Solarzelle) und die Anzahl der Solarzellen, die
in einem Solarmodul vorteilhaft miteinander verbunden werden können, durch
die Solarzellenflächen und letztlich die maximale Modulfläche
begrenzt sind.
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So
werden nach dem Stand der Technik Solarmodule derart miteinander
in Modulsträngen seriell verbunden, daß an den
Wechselrichtern typischerweise Spannungen von mehreren hundert Volt
anliegen – noch typischer sind Spannungen von 100–500
Volt pro Modulstrang.
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Generell
wäre es jedoch wünschenswert, Solarmodule mit
hoher Ausgangs-Spannung zur Verfügung zu haben und sehr
hohe Spannungen für den Stromtransport nutzen zu können,
da dadurch Widerstands-Verluste in den Verbindungskabeln und Kosten
für Verbindungskabel mit großen Querschnitten
der metallischen Leiter minimiert werden können. Bei Dünnschicht-Solarzellen
ist dies bereits möglich und führt zu Kostenvorteilen
auf Systemebene, sofern die hohen Spannungen nicht zur Schädigung
der Solarmodule führen. Letztlich sind es diese möglichen
Schädigungsmechanismen, die bei Dünnschichtmodulen
die maximale Leerlaufspannung limitieren, da dort nicht ohne weiteres
Schutzmechanismen wie Bypaß-Dioden für einzelne
Bereiche des Solarmoduls in die Module eingebaut werden können.
Da die Dünnschichtsolarzellen bei Leckageströmen
jedoch sehr viel Wärme produzieren können, wäre
eine Leckage im Dauerbetrieb der Module fatal. Die Wahrscheinlichkeit
für Leckage-Pfade ist jedoch von der maximalen Leerlaufspannung
abhängig und wird derzeit in Dünnschichtmodulen üblicherweise
auf maximal 1000 Volt begrenzt.
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Ferner
ist es wünschenswert und vorteilhaft, Solarmodule mit hoher
Ausgangs-Spannung parallel miteinander in einzelnen Modulsträngen
zu verbinden. Dadurch kann vermieden werden, daß bei Ausfällen
oder Abschattung einzelner Module überproportionale Leistungseinbußen
zu erwarten sind. Dies kann bei serieller Verschaltung der Solarmodule
nur bedingt vermieden werden, selbst wenn Bypaß-Dioden
zum Einsatz kommen. Fällt beispielsweise das letzte Solarmodul
in einem Modulstrang hin zum Wechselrichter (das dem Wechselrichter
nächste Solarmodul) aus oder wird abgeschattet, so muß der
komplette Strom der anderen Module des Modulstranges durch Bypaß-Dioden
laufen und die gewünschte Spannung für den Betrieb
im maximalen Leistungspunkt der Module kann nicht aufgebaut werden.
Somit fällt deutlich mehr Leistung weg, als es der Leistung
des ausgefallenen Modules entspricht. Werden keine Bypaß-Wege
geschaffen, fällt sogar die Leistung des kompletten Modulstranges
weg. Dabei ist jedoch zu beachten, daß für einen
idealen Bypaß-Weg, dieser (z. B. durch geeignete Dimensionierung
von Dioden) jeweils der Position des Solarmoduls im Modulstrang angepaßt
werden müßte. Bei paralleler Verschaltung der
Module kann der Bypaß-Weg für alle Module des
Modulstranges gleich dimensioniert werden, was zu einer erheblichen
Kostenersparnis und Fertigungsvorteilen führt.
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Mit
den in den Abschnitten A–I beschriebenen Erfindungen ist
es möglich, erstmals Solarmodule basierend auf kristallinen
Halbleiterwafern – die zur Herstellung der Solarzellen
und Solarmodule verwendet werden – mit Ausgangs-Spannungen
von deutlich über 100 Volt mit wirtschaftlichen Massenfertigungsverfahren herzustellen.
Dabei ist es durch die HOR-ZELleTM-Technologie
sogar möglich, bereits auf einzelnen Wafern, Teilbereiche
durch geeignete Verschaltungstechnik im Modulverbund so zu verbinden,
daß sich Spannungen von deutlich über 100 Volt
pro Wafer ergeben, falls dies gewünscht wird. Werden ferner
die Wafer, die sehr viele Einzel-Solarzellen enthalten können,
ebenfalls über geeignete Bypaßdioden seriell miteinander
verbunden, so sind Modul-Leerlaufspannungen von deutlich über
1000 Volt möglich, falls dies wünschenswert erscheint.
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Dies
wird insbesondere dadurch ermöglicht, daß mit
der HOR-ZELleTM-Technologie hergestellt
Solarzellen und Solarmodule eine erheblich bessere Beständigkeit
und Absicherung gegen Abschattungen und hohe Rückwärtsspannungen
haben und Leckagepfade selbst bei diesen hohen Spannungen noch nicht
auftreten. Es ergeben sich daraus also beim Verschalten von Modulen
in photovoltaischen Systeme ganz erhebliche Vorteile gegenüber
dem Stand der Technik für kristalline Solarmodule sowie
auch gegenüber Dünnschicht-Solarmodulen. Es erscheint
dadurch also möglich, Solar-Module in entsprechenden Strängen
durch geeignete Bypaßabsicherungen parallel miteinander
zu verbinden und das photovoltaische System weniger anfällig
gegen Ausfälle und Abschattung zu machen. Dies ist besonders
bei Aufstellungsorten sinnvoll, bei denen keine permanente Überwachung
des photovoltaischen Systems erfolgt, bzw. die Reparatur oder der
Austausch von Komponenten mit erheblichem Zeitaufwand und Kosten
verbunden sind. Weitere Kostenvorteile ergeben sich durch geringere
Leistungsverluste in den Kabelverbindungen und geringere Kosten
für die Kabelverbindungen.
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Ferner
scheint es mit den entwickelten Erfindungen erstmals möglich,
auch Modulstränge mit sehr hohen Ausgangs-Spannungen herzustellen.
Bei geeigneter Absicherung der Solarmodule über Bypaß-Wege (gegebenenfalls
mit intelligenter Leistungselektronik) erscheint es erstmals möglich,
Spannungen aufzubauen, die für Ultra-Hochspannungsleitungen,
die mit Gleichstrom (400 kV und mehr) betrieben werden, geeignet sind.
Dabei ist bekannt, daß derartige Hochspannungsleitungen
bereits erhebliche Vorteile gegenüber den konventionellen
Wechselstrom-Hochspannungsleitungen aufweisen. Da die Solarmodule
bereits Gleichspannung liefern, kann auf eine erneute Umrichtung
verzichtet werden, so daß es genügt, Transformatoren
in die photovoltaischen Systeme zu integrieren, um diese sehr hohen
Gleichspannungen aufbauen zu können. Es ist ferner bekannt,
daß mit derartigen Gleichstrom-Hochpsannungsleitungen beim
Transport über sehr lange Strecken (Hunderte von Kilometern)
deutlich geringere Leistungsverluste beim Transport von Energie
erreicht werden können. Diese Technologie erscheint also
besonders geeignet für entlegene, sonnenreiche Gebiete, wie
Wüsten, aus denen die elektrische Energie in Regionen transportiert
werden soll, in denen die Energie von Kunden verbraucht wird. Es
erscheint damit auch möglich, Energieaustausch zwischen
Regionen herzustellen, die sehr unterschiedliche Zyklen bei Angebot
und Nachfrage günstiger elektrischer Energie haben. So
ist es beispielsweise auch denkbar, Regionen mit unterschiedlichen
Zeitzonen oder sogar unterschiedlichen Jahreszeiten miteinander
zu verbinden, um jederzeit eine Versorgung mit kostengünstiger
Solarenergie sicherstellen zu können.
-
Ein
weiterer Vorteil von Modulen mit sehr hoher Ausgangsspannung kann
in photovoltaischen Systemen dadurch erzielt werden, daß diese
Module vor Diebstahl geschützt werden, indem die Hochspannung
so eingesetzt wird, daß ein Demontieren von Solarmodulen
(Abklemmen der Verbindungsleitungen, bzw. Zugang zu den Modulen
in Freiflächenanlagen) nur von Experten vorgenommen werden
kann und mit erheblichem Zeitaufwand verbunden ist. Durch diese
Sicherungsmaßnahme kann bei Verwendung geeigneter Kondensatoren – für
die Zeiten, in denen das photovoltaische System nicht aktiv Energie
produziert, aber dennoch geschützt werden soll – sichergestellt
werden, daß bei ungewünschte Zugang von Unbefugten
eine schnelle Demontage der Solaranlage nicht möglich ist
und in dieser Zeit durch geeignete Überwachungsmechanismen
ein Alarm ausgelöst werden kann, der einerseits ermöglicht,
daß Sicherungskräfte zum Schutz der Anlage vor
Ort eintreffen und andererseits der potentielle Diebstahl oder die
absichtliche Schädigung der Anlage mit Filmaufnahmen oder
photografisch dokumentiert werden kann. Dies ist insbesondere bei
photovoltaischen Systemen nützlich, die sich entfernt oder
weit entfernt von Ansiedlungen befinden. Insbesondere ist dies auch
in Regionen interessant die politisch instabil sind, bzw. keinen
Eigentumsschutz durch staatliche Instanzen oder Sicherheitsorgane
gewährleisten können.
-
In
besondere Weise eignen sich die vorgeschlagenen Neuerungen auch
für Solar-Konzentrator-Anwendungen, bei denen in sonnereichen
Regionen mit viel direkter Sonneneinstrahlung um ein Vielfaches
konzentriertes Sonnenlicht von hocheffizienten Hochspannungs-Solarzellen
mit HOR-ZELleTM-Technologie in elektrische
Energie umgewandelt wird. In Frage kommen auch andere Anwendungen
für Kozentrator-Solarzellen. Besonders geeignet erscheint
jedoch die bereits beschriebene Anwendung mit Receiver-Rohren, in
denen die Konzentrator-Solarzellen miteinander verschaltet werden
und beispielsweise von Parabolrinnen-Spiegeln das konzentrierte
Sonnenlicht zugeführt bekommen. Bei photovoltaischen Systemen
mit Konzentrator-Solarzellen ist es besonders wichtig zu hohen Solarmodul-Spannungen überzugehen
und Leistungsverluste in den leitenden metallischen Kontakten und
Verbindungen zu minimieren.
-
Im
folgenden werden die Erfindung und die Teilerfindungen und ihre
verschiedenen Ausführungsformen und bevorzugten Ausführungsformen
sowie ihre Besonderheiten und Vorteile in der Sprache von Patentansprüchen
näher erläutert.
- 1. Verfahren
zur Herstellung von großflächigen, kristallinen,
dünnen Halbleiterplatten, bei dem Halbleitermaterial aufgeschmolzen
wird und nach dem Erstarren der Schmelze die Halbleiterplatten geformt
werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
nach dem
Erstarren der Schmelze, während die Halbleiterplatten geformt
werden, sehr geringe Dotierstoffkonzentrationen von weniger als
1015 Dotierstoffatomen/cm3,
bzw. noch vorteilhafter Dotierstoffkonzentrationen von weniger als
1014 Dotierstoffatomen/cm3,
bzw. noch vorteilhafter Dotierstoffkonzentrationen von weniger als
1013 Dotierstoffatomen/cm3,
bzw. noch vorteilhafter Dotierstoffkonzentrationen von weniger als 1012 Dotierstoffatomen/cm3 im
Halbleitermaterial vorhanden sind.
- 2. Verfahren zur Herstellung von großflächigen,
kristallinen, dünnen Halbleiterplatten,
dadurch gekennzeichnet,
daß
Halbleitermaterial aufgeschmolzen wird, ohne Dotierstoffe
für Halbleitermaterialien absichtlich der Schmelze zuzuführen
und, daß nach dem Erstarren der Schmelze die Halbleiterplatten
geformt werden.
- 3. Verfahren zur Herstellung von großflächigen,
kristallinen, dünnen Halbleiterplatten,
dadurch gekennzeichnet,
daß
Halbleitermaterial aufgeschmolzen wird, ohne Dotierstoffe
für Halbleitermaterialien derart der Schmelze zuzuführen,
daß während die Halbleiterplatten geformt werden,
nach dem Erstarren der Schmelze die Halbleiterplatten mit einer über
ihr Volumen hinweg homogenen effektiven Dotierung vom Typ p-Dotierung
oder n-Dotierung versehen sind, die netto einen spezifischen Widerstand
von weniger als 100 ohm cm aufweist.
- 4. Verfahren zur Herstellung von großflächigen,
kristallinen, dünnen Halbleiterplatten,
dadurch gekennzeichnet,
daß
Halbleitermaterial aufgeschmolzen wird, ohne Dotierstoffe
für Halbleitermaterialien zuzuführen, so daß während
die Halbleiterplatten geformt werden, nach dem Erstarren der Schmelze
die Halbleiterplatten zunächst eine intrinsische Halbleiterqualität
(ohne Vorzugs-Dotierung) aufweisen.
- 5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 4
dadurch gekennzeichnet, daß
durch geringere
Verunreinigungskonzentrationen im Halbleitermaterial Halbleiterplatten
mit weniger kristallinen Defekten gefertigt werden können.
- 6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 5
dadurch gekennzeichnet, daß
die Anzahl
an kristallinen Defekten wie Versetzungslinien in den Halbleiterplatten
gegenüber Verfahren reduziert ist, die vergleichsweise
höhere Verunreinigungskonzentrationen im Halbleitermaterial
während der Schmelzphase des Halbleitermaterials zulassen.
- 7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 6
dadurch gekennzeichnet, daß
die Anzahl
an kristallinen Defekten wie Korngrenzen in multikristallinen Halbleiterplatten
gegenüber Verfahren reduziert ist, die vergleichsweise
höhere Verunreinigungskonzentrationen im Halbleitermaterial
während der Schmelzphase des Halbleitermaterials zulassen.
- 8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 7
dadurch gekennzeichnet, daß
die Anzahl
an kristallinen Defekten wie Leerstellen oder interstitiellen Atomen
in den Halbleiterplatten gegenüber Verfahren reduziert
ist, die vergleichsweise höhere Verunreinigungskonzentrationen
im Halbleitermaterial während der Schmelzphase des Halbleitermaterials
zulassen.
- 9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 8
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierbereiche
im Volumen der hergestellten Halbleiterplatten erst in einem zweiten
Verfahrensschritt nach Herstellung der Halbleiterplatten ausgebildet
werden.
- 10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 9
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierbereiche
im Volumen der hergestellten Halbleiterplatten erst in einem zweiten
Verfahrensschritt nach Herstellung der Halbleiterplatten durch geeignete
Temperaturbehandlungsverfahren ausgebildet werden.
- 11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 10
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierbereiche
beider Dotierungstypen (p-Typ und n-Typ) erst in einem zweiten Verfahrensschritt
nach Herstellung der Halbleiterplatten durch geeignete Temperaturbehandlungsverfahren
ausgebildet werden.
- 12. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 11
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierbereiche
die tiefer als bis zur Hälfte der Dicke der Halbleiterplatte
ins Volumen der Halbleiterplatte eindringen, erst in einem zweiten
Verfahrensschritt nach Herstellung der Halbleiterplatten durch geeignete Temperaturbehandlungsverfahren
ausgebildet werden.
- 13. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 12
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierbereiche
beider Dotierstofftypen (n-Typ und p-Typ) im Volumen der Halbleiterplatte
erst in einem zweiten oder weiteren Verfahrensschritten nach Herstellung
der Halbleiterplatten durch geeignete Temperaturbehandlungsverfahren
ausgebildet werden, so daß die dann in diesem zweiten oder
weiteren Verfahrensschritten Dotierstoffatome in allen Bereichen
der Halbleiterplatte absichtlich und gezielt eingebracht werden.
- 14. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 13
dadurch gekennzeichnet, daß
die Dotierstoffe
nach Herstellung der Halbleiterplatten durch Verfahren wie Diffusion
und oder Legieren bei Temperaturen oberhalb von 500°C in
den Halbleiter eingetrieben werden.
- 15. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 14
dadurch gekennzeichnet, daß
die Dotierstoffe
nach Herstellung der Halbleiterplatten durch Verfahren in die Halbleiterplatte
eingetrieben werden, bei denen Dotierstoffatome ausgehend von den
Oberflächen oder ausgehend von Teilen der Oberfläche
der Halbleiterplatten bei Temperaturen oberhalb von 500°C
in den Halbleiter eingetrieben werden.
- 16. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 15
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem
Herstellen der Halbleiterplatten nach Erstarren des Halbleitermaterials
aus einer Schmelze und dem zweiten oder weiteren Verfahrensschritt,
der Dotierstoffbereiche in der Halbleiterplatte ausbildet ein Reinigungsverfahren
eingesetzt wird, das Verunreinigungen an den Oberflächen
der Halbleiterplatten entfernt.
- 17. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 16
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem
Herstellen der Halbleiterplatten nach Erstarren des Halbleitermaterials
aus einer Schmelze und dem zweiten oder weiteren Verfahrensschritt,
der Dotierstoffbereiche in der Halbleiterplatte ausbildet ein naßchemisches
Reinigungsverfahren eingesetzt wird, das Verunreinigungen an den
Oberflächen der Halbleiterplatten entfernt.
- 18. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 17
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem
Herstellen der Halbleiterplatten nach Erstarren des Halbleitermaterials
aus einer Schmelze und dem zweiten oder weiteren Verfahrensschritt,
der Dotierstoffbereiche in der Halbleiterplatte ausbildet trockenchemische
Reinigungsverfahren, wie beispielsweise Plasma-Reinigungsverfahren
und oder Gasphasen-Reinigungsverfahren eingesetzt werden, die Verunreinigungen
an den Oberflächen der Halbleiterplatten entfernen.
- 19. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 18
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem
Herstellen der Halbleiterplatten nach Erstarren des Halbleitermaterials
aus einer Schmelze und dem zweiten oder weiteren Verfahrensschritt,
der Dotierstoffbereiche in der Halbleiterplatte ausbildet ein Strukturierungs-
oder Texturierungs- oder Oberflächenaufrauhungsverfahren
eingesetzt wird, das zumindest Teile des Halbleitermaterials an
den Oberflächen der Halbleiterplatten entfernt.
- 20. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 19
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem
Herstellen der Halbleiterplatten nach Erstarren des Halbleitermaterials
aus einer Schmelze und dem zweiten oder weiteren Verfahrensschritt,
der Dotierstoffbereiche in der Halbleiterplatte ausbildet ein Ätzverfahren
eingesetzt wird, das zumindest Teile des Halbleitermaterials an
den Oberflächen der Halbleiterplatten entfernt.
- 21. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 20
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem
Herstellen der Halbleiterplatten nach Erstarren des Halbleitermaterials
aus einer Schmelze und dem zweiten oder weiteren Verfahrensschritt,
der Dotierstoffbereiche in der Halbleiterplatte ausbildet ein naßchemisches Ätzverfahren
eingesetzt wird, das zumindest Teile des Halbleitermaterials an
den Oberflächen der Halbleiterplatten entfernt.
- 22. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 21
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem
Herstellen der Halbleiterplatten nach Erstarren des Halbleitermaterials
aus einer Schmelze und dem zweiten oder weiteren Verfahrensschritt,
der Dotierstoffbereiche in der Halbleiterplatte ausbildet ein trockenchemische Ätzverfahren – wie
beispielsweise Plasma-Ätzen – eingesetzt wird,
das zumindest Teile des Halbleitermaterials an den Oberflächen
der Halbleiterplatten entfernt.
- 23. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 22
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem
Herstellen der Halbleiterplatten nach Erstarren des Halbleitermaterials
aus einer Schmelze und dem zweiten oder weiteren Verfahrensschritt,
der Dotierstoffbereiche in der Halbleiterplatte ausbildet, oberflächennahe
kristalline Defekte oder Verunreinigungen auf den Oberflächen
der Halbleiterplatten durch geeignete Verfahren entfernt werden.
- 24. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 23
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
erst dadurch gezielt in die Halbleiterplatten eingebracht wird,
daß zunächst mindestens ein Dotierstoff mit den
Oberflächen der Halbleiterplatten in Berührung
gebracht und dann bei Temperaturen oberhalb 500°C ins Halbleitermaterial
eingetrieben wird.
- 25. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 24
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
erst dadurch gezielt in die Halbleiterplatten eingebracht wird,
daß zunächst mindestens ein Dotierstoff mit Teilen
der Oberflächen der Halbleiterplatten in Berührung
gebracht und dann bei Temperaturen oberhalb 500°C ins Halbleitermaterial
eingetrieben wird.
- 26. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 25
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
erst dadurch gezielt in die Halbleiterplatten eingebracht wird,
daß zunächst mindestens ein Dotierstoff während
einer Temperaturbehandlung zum Beispiel über die, die Halbleiterplatte
umgebende Atmosphäre zu Oberflächen der Halbleiterplatten
transportiert wird und dann bei Temperaturen oberhalb 500°C
ins Halbleitermaterial eingetrieben wird.
- 27. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 26
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
erst dadurch gezielt in die Halbleiterplatten eingebracht wird,
daß zunächst mindestens ein Dotierstoff während
einer Temperaturbehandlung zum Beispiel über die, die Halbleiterplatte
umgebende Atmosphäre gezielt zu Teilen der Oberflächen
der Halbleiterplatten transportiert wird und dann bei Temperaturen
oberhalb 500°C ins Halbleitermaterial eingetrieben wird.
- 28. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 27
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
erst dadurch gezielt in die Halbleiterplatten eingebracht wird,
daß zunächst Dotierstoff in Form einer Dotierstoffquelle
mit den Oberflächen der Halbleiterplatten in Berührung
gebracht und dann bei Temperaturen oberhalb 500°C sich
die Dotierstoffquelle derart umwandelt, daß Dotierstoff
ins Halbleitermaterial eingetrieben wird.
- 29. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 28
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
erst dadurch gezielt in die Halbleiterplatten eingebracht wird,
daß zunächst Dotierstoff in Form einer Dotierstoffquelle
mit Teilen der Oberflächen der Halbleiterplatten in Berührung
gebracht und dann bei Temperaturen oberhalb 500°C sich
die Dotierstoffquelle derart umwandelt, daß Dotierstoff
ins Halbleitermaterial eingetrieben wird.
- 30. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 29
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des für die
Halbleiterplatten verwendeten Halbleitermaterials in den Halbleiter
eingetrieben wird.
- 31. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 30
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
durch lokales Schmelzen, Legieren oder Diffusion in die Halbleiterplatten
eingetrieben wird.
- 32. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 31
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
nicht homogen verteilt in die Halbleiterplatten eingebracht wird
- 33. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 32
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
von Oberflächen oder Teilen der Oberflächen ausgehend
mit Gradienten in der Dotierstoffkonzentrationen, die sich in alle
drei Raumdimensionen erstrecken können, in die Halbleiterplatten
eingetrieben wird.
- 34. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 33
dadurch gekennzeichnet, daß
mehr als ein
Dotierstoff von Teilen der Oberflächen ausgehend in die
Halbleiterplatten eingetrieben wird.
- 35. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 34
dadurch
gekennzeichnet, daß
Dotierstoffe unterschiedlicher
Art und oder unterschiedlichen Typs zur n-Dotierung oder p-Dotierung
der Halbleiterplatten von Oberflächen oder Teilen der Oberflächen
ausgehend in die Halbleiterplatten eingetrieben wird.
- 36. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 35
dadurch gekennzeichnet, daß
einer der
Dotierstoffe, die zur Ausbildung von Dotierstoffbereichen im Volumen
der Halbleiterplatten eingetrieben werden, Phosphor ist.
- 37. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 36
dadurch gekennzeichnet, daß
einer der
Dotierstoffe, die zur Ausbildung von Dotierstoffbereichen im Volumen
der Halbleiterplatten eingetrieben werden, Aluminium ist.
- 38. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 37
dadurch gekennzeichnet, daß
einer der
Dotierstoffe, die zur Ausbildung von Dotierstoffbereichen im Volumen
der Halbleiterplatten eingetrieben werden, Bor ist.
- 39. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 38
dadurch gekennzeichnet, daß
einer der
Dotierstoffe, die zur Ausbildung von Dotierstoffbereichen im Volumen
der Halbleiterplatten eingetrieben werden, eines der Elemente Ga,
In, Tl oder ein weiteres Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems
mit drei Valenzelektronen ist.
- 40. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 39
dadurch gekennzeichnet, daß
einer der
Dotierstoffe, die zur Ausbildung von Dotierstoffbereichen im Volumen
der Halbleiterplatten eingetrieben werden, eines der Elemente As,
Sb, Bi, oder ein weiteres Element der fünften Hauptgruppe
des Periodensystems mit fünf Valenzelektronen oder Tm ist.
- 41. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 40
dadurch gekennzeichnet, daß
das Halbleitermaterial
der hergestellten Halbleiterplatten vorwiegend Silizium ist
- 42. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 41
dadurch gekennzeichnet, daß
die hergestellten
Halbleiterplatten so genannte Wafer zur Herstellung von Halbleiterbauelementen
sind, die vorzugsweise in zwei Raumrichtungen Abmessungen von mehr
als 50 mm aufweisen, noch bevorzugter Abmessungen zwischen 100 mm
und 400 mm aufweisen und deren Dicke vorzugsweise im Bereich 20 μm bis
500 μm noch bevorzugter im Bereich 50 μm bis 300 μm
ist.
- 43. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 42
dadurch gekennzeichnet, daß
die Halbleiterplatten
nach deren Herstellung zumindest teilweise zur Herstellung von Solarzellen
als Halbleiterbauelemente verwendet werden.
- 44. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 43
dadurch gekennzeichnet, daß
die Halbleiterplatten
zunächst aus nahezu intrinsischem Silizium bestehen und
anschließend Dotierstoffbereiche unterschiedlicher Polarität
und Dotierstoffkonzentration in allen Bereichen der Halbleiterplatten
ausgebildet werden.
- 45. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 44
dadurch gekennzeichnet, daß
die Halbleiterplatten
beim Eintreiben von zumindest einem der Dotierstoffe so zueinander
angeordnet werden, daß auf vergleichsweise geringem Raumvolumen
große Mengen von Halbleiterplatten gleichzeitig einer Temperaturbehandlung
unterzogen werden können.
- 46. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 45
dadurch gekennzeichnet, daß
die Halbleiterplatten
beim Eintreiben von zumindest einem der Dotierstoffe so zueinander
angeordnet werden, daß sich der überwiegende Teil
der Halbleiterplatten bei der Temperaturbehandlung zumindest an
Teilen ihrer Oberflächen mit benachbarten Halbleiterplatten
berührt.
- 47. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 46
dadurch gekennzeichnet, daß
die Halbleiterplatten
beim Eintreiben von zumindest einem der Dotierstoffe so zueinander
angeordnet sind, daß sie während der Temperaturbehandlung
stapelförmige Anordnungen bilden.
- 48. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 47
dadurch gekennzeichnet, daß
die Halbleiterplatten-Anordnungen
in Einhausungen gemeinsam prozessiert werden, die bevorzugt aus
reinen Halbleitermaterialien, Quarz oder hochreinen Keramiken bestehen.
- 49. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 48
dadurch gekennzeichnet, daß
die Halbleiterplatten-Anordnungen
zumindest teilweise durch für Halbleiterprozesse reine
Platten oder andere Form gebende Bauteile stirnseitig und oder an
ihren Seitenkanten abgedeckt oder in ihrer Form, bzw. der Form der
Anordnung stabilisiert werden.
- 50. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 49
dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Temperaturbehandlung
zum Eintreiben zumindest eines der Dotierstoffe Prozeßtemperaturen
oberhalb von 1100°C verwendet werden.
- 51. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 50
dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Temperaturbehandlung
zum Eintreiben zumindest eines der Dotierstoffe Prozeßtemperaturen
zwischen 1100°C und 1400°C, bevorzugt zwischen
1200°C und 1400°C verwendet werden.
- 52. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 51
dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Temperaturbehandlung
zum Eintreiben zumindest eines der Dotierstoffe Prozeßzeiten
von mehr als 2 Stunden, bevorzugt von mehr als 4 Stunden, besonders
bevorzugt von mehr als 8 Stunden, ganz besonders bevorzugt von mehr
als 12 Stunden bzw. gar von mehr als 24 Stunden verwendet werden.
- 53. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 52
dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Temperaturbehandlung
zum Eintreiben zumindest eines der Dotierstoffe reduzierende Prozeßatmosphären
verwendet werden.
- 54. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 53
dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Temperaturbehandlung
zum Eintreiben zumindest eines der Dotierstoffe oxidierende bzw.
sauerstoffhaltige Prozeßatmosphären verwendet
werden.
- 55. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 54
dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Temperaturbehandlung
zum Eintreiben zumindest eines der Dotierstoffe inerte Prozeßatmosphären wie
beispielsweise Stickstoff oder Argon verwendet werden.
- 56. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 55
dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Temperaturbehandlung
zum Eintreiben zumindest eines der Dotierstoffe Prozeßatmosphären
mit Unterdruck zur Umgebungsatmosphäre bzw. Vakuums-Umgebungsbedingungen
verwendet werden.
- 57. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 56
dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Temperaturbehandlung
zum Eintreiben zumindest eines der Dotierstoffe in einem Kammerofensystem
durchgeführt wird.
- 58. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 57
dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Temperaturbehandlung
zum Eintreiben zumindest eines der Dotierstoffe in einem Kammerofensystem
durchgeführt wird, wie es zur Kristallisation von Halbleitermaterialien
zum Beispiel bei der Herstellung multikristalliner Siliziumblöcke
verwendet wird.
- 59. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 58
dadurch gekennzeichnet, daß
die dünnen
großflächigen Halbleiterplatten einer weiteren
Temperaturbehandlung oberhalb von 1100°C mit dem Ziel unterzogen
werden, Verunreinigungen im Halbleitermaterial während
der Temperaturbehandlung aus dem Material in eine die Halbleiterplatten
umgebende Atmosphäre bzw. in auf dem Halbleitermaterial aufgebrachte
oberflächennahe Schichten entweichen zu lassen und somit
die Verunreinigungskonzentration im den Halbleiterplatten merklich
zu reduzieren.
- 60. Verfahren zur Herstellung von großflächigen,
kristallinen, dünnen Halbleiterplatten, die nach dem Kristallisationsprozeß zu
deren Herstellung zunächst größere Mengen
an Verunreinigungen im Halbleitermaterial aufweisen,
dadurch
gekennzeichnet, daß
die dünnen großflächigen
Halbleiterplatten einer weiteren Temperaturbehandlung oberhalb von
1100°C mit dem Ziel unterzogen werden, Verunreinigungen
im Halbleitermaterial während der Temperaturbehandlung aus
dem Material in eine die Halbleiterplatten umgebende Atmosphäre
bzw. in auf dem Halbleitermaterial aufgebrachte oberflächennahe
Schichten entweichen zu lassen und somit die Verunreinigungskonzentration
im den Halbleiterplatten merklich zu reduzieren.
- 61. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 60
dadurch gekennzeichnet, daß
die dünnen
großflächigen Halbleiterplatten nach der Kristallisation
in einem separaten Verfahrensschritt einer weiteren Temperaturbehandlung
oberhalb von 1200°C und/oder einer weiteren Temperaturbehandlung oberhalb
von 1300°C unterzogen werden.
- 62. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 61
dadurch gekennzeichnet, daß
die dünnen
großflächigen Halbleiterplatten nach der Kristallisation
in einem separaten Verfahrensschritt einer weiteren Temperaturbehandlung
oberhalb von 1100°C mit einer Behandlungsdauer von mehr
als 4 Stunden unterzogen werden.
- 63. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 62
dadurch gekennzeichnet, daß
die dünnen
großflächigen Halbleiterplatten nach der Kristallisation
in einem separaten Verfahrensschritt einer weiteren Temperaturbehandlung
oberhalb von 1100°C mit einer Behandlungsdauer von mehr
als 12 Stunden unterzogen werden.
- 64. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 63
dadurch gekennzeichnet, daß
die dünnen
großflächigen Halbleiterplatten nach der Kristallisation
in einem separaten Verfahrensschritt einer weiteren Temperaturbehandlung
oberhalb von 1100°C mit einer Behandlungsdauer von mehr
als 24 Stunden unterzogen werden.
- 65. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 64
dadurch gekennzeichnet, daß
die dünnen
großflächigen Halbleiterplatten nach der Kristallisation
in einem separaten Verfahrensschritt einer weiteren Temperaturbehandlung
oberhalb von 1100°C unterzogen werden, bei der oberhalb
von 1000°C Abkühlgradienten verwendet werden,
die weniger steil als beim Kristallisationsprozeß verlaufen.
- 66. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 65
dadurch gekennzeichnet, daß
die dünnen
großflächigen Halbleiterplatten nach der Kristallisation
in einem separaten Verfahrensschritt einer weiteren Temperaturbehandlung
oberhalb von 1100°C unterzogen werden, bei der oberhalb
von 900°C Abkühlgradienten verwendet werden, die
weniger steil als beim Kristallisationsprozeß verlaufen.
- 67. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 66
dadurch gekennzeichnet, daß
die dünnen
großflächigen Halbleiterplatten nach der Kristallisation
in einem separaten Verfahrensschritt einer weiteren Temperaturbehandlung
oberhalb von 1100°C unterzogen werden, bei der oberhalb
von 500°C Abkühlgradienten verwendet werden, die
weniger steil als beim Kristallisationsprozeß verlaufen.
- 68. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 67
dadurch gekennzeichnet, daß
die dünnen
großflächigen Halbleiterplatten nach der Kristallisation
in einem separaten Verfahrensschritt einer weiteren Temperaturbehandlung
oberhalb von 1100°C unterzogen werden, bei dem Dotierstoffe
aus dem Halbleitermaterial an dessen Oberfläche an die
die Halbleiterplatten umgebende Atmosphäre abgegeben werden.
- 69. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 68
dadurch gekennzeichnet, daß
die dünnen
großflächigen Halbleiterplatten nach der Kristallisation
in einem separaten Verfahrensschritt einer weiteren Temperaturbehandlung
oberhalb von 1100°C unterzogen werden, bei dem Dotierstoffe
aus dem Halbleitermaterial an dessen Oberfläche an die
die Halbleiterplatten umgebende Atmosphäre oder oberflächennahe
Schichten abgegeben werden.
- 70. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 69
dadurch gekennzeichnet, daß
die dünnen
großflächigen Halbleiterplatten nach der Kristallisation
in einem separaten Verfahrensschritt einer weiteren Temperaturbehandlung
oberhalb von 1100°C unterzogen werden, bei dem metallische
Verunreinigungen aus dem Halbleitermaterial an dessen Oberfläche
an die die Halbleiterplatten umgebende Atmosphäre oder
oberflächennahe Schichten abgegeben werden.
- 71. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 70
dadurch gekennzeichnet, daß
während
der Temperaturbehandlung zumindest von Teilen der Halbleiterplatten-Oberflächen
ausgehend zumindest ein Dotierstoff für das entsprechende
Halbleitermaterial mehr als 10 μm tief, bevorzugt mehr
als bis zur Hälfte der Dicke der Halbleiterplatten tief
in das Halbleitermaterial eingetrieben wird
- 72. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 71
dadurch gekennzeichnet, daß
während
der Temperaturbehandlung zumindest von Teilen der Halbleiterplatten-Oberflächen
ausgehend zumindest ein Dotierstoff für das entsprechende
Halbleitermaterial so tief in das Halbleitermaterial eingetrieben
wird, daß zuvor nicht vorhandene Verbindungen von Dotierbereichen
des vom entsprechenden Dotierstoff verursachten Dotierstofftyps
entstehen, die von einer Oberfläche der Halbleiterplatten
zur gegenüberliegenden Oberfläche der Halbleiterplatten
durch die Dicke der Halbleiterplatten hinweg reichen.
- 73. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 72
dadurch gekennzeichnet, daß
während
der Temperaturbehandlung Dotierstoffatome in die Halbleiterplatten
eingetrieben werden, deren Atomradien möglichst wenig von
denen der Halbleiteratome abweichen.
- 74. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 73
dadurch gekennzeichnet, daß
durch die
Verwendung von Aluminium, das in einer separaten Temperaturbehandlung
nach der Kristallisation mehr als 10 μm tief in den Halbleiter
von Oberflächen oder Teilen der Oberflächen ausgehend
eingetrieben wird, weniger mechanische Spannungen oder Stress im
Halbleiter entstehen, als dies bei üblichen Kristallisationsprozessen,
Diffusionsprozessen oder Legierungsprozessen zur Herstellung dieser
p-dotierten Bereiche im Halbleiter bei Verwendung von Bor, Gallium,
Indium oder Thallium als Dotierstoffatome der Fall wäre.
- 75. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 74
dadurch gekennzeichnet, daß
durch die
zusätzliche Temperaturbehandlung oberhalb von 1100°C
mechanische Spannungen oder Streß im Halbleitervolumen
der Halbleiterplatten reduziert werden, daß sich bei den
Abkühlprozessen nach dieser Temperaturbehandlung geringere
Temperaturgradienten innerhalb der Halbleiterplatten ausbilden,
als dies bei Abkühlprozessen nach der Kristallisation für
die entsprechenden Bereiche der Halbleiterplatte der Fall war.
- 76. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 75
dadurch gekennzeichnet, daß
durch die
zusätzliche Temperaturbehandlung oberhalb von 1100°C
mechanische Spannungen oder Streß im Halbleitervolumen
der Halbleiterplatten dadurch reduziert werden, daß sich
in stapelförmigen oder anderen verdichteten Anordnungen
von plattenförmigen Halbleiterscheiben beim Abkühlvorgang
keine so hohen Temperaturgradienten innerhalb des Halbleitermaterials
ausbilden können, wie das im Halbleitermaterial beim Abkühlen
Halbleiterblöcken mit großem Volumen (mehr als
das Hundertfache des Volumens der Halbleiterplatten) nach der Kristallisation
bei vergleichbaren Abkühlraten der Fall ist.
- 77. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 76
dadurch gekennzeichnet, daß
durch die
zusätzliche Temperaturbehandlung oberhalb von 1100°C
mechanische Spannungen oder Streß im Halbleitervolumen
der Halbleiterplatten dadurch reduziert werden, daß sich
in stapelförmigen oder anderen verdichteten Anordnungen
von plattenförmigen Halbleiterscheiben beim Abkühlvorgang
keine so hohen Temperaturgradienten innerhalb des Halbleitermaterials
ausbilden können, wie das bei Kristallisationsprozessen
für bandgezogene Halbleiterplatten oder Folien-Halbleiterplatten
der Fall ist.
- 78. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 77
dadurch gekennzeichnet, daß
das Halbleitermaterial
Silizium ist.
- 79. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 78
dadurch gekennzeichnet, daß
das Halbleitermaterial
so genanntes UMG-Silizium (up-grated metallurgical grade) oder anderes
qualitativ gegenüber Silizium, das für die Halbleiterindustrie üblicherweise
verwendet wird (semiconductor grade), qualitativ minderwertigeres
Silizium ist.
- 80. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 79
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem oder den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
die Anzahl kristalliner Defekte wie Versetzungslinien, Versetzungsebenen,
Versetzungs-Cluster, Korngrenzen die in flachem Winkel zu den Oberflächen
der Halbleiterplatten verlaufen, oder andere bekannte kristalline Defekte
in ihrer Anzahl in den Halbleiterplatten reduziert werden oder aus
dem Halbleitermaterial entfernt werden.
- 81. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 80
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem oder den, der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n mechanische
Spannungen oder Streß in den Halbleiterplatten reduziert
werden.
- 82. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 81
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem oder den, der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
die Welligkeit der Halbleiterplatten reduziert wird und oder die
Ebenheit der Halbleiterplatten verbessert wird.
- 83. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 82
dadurch gekennzeichnet, daß
durch den
oder die, der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
die Bruchanfälligkeit der Halbleiterplatten in nachfolgenden
Prozeßschritten zur Herstellung von Halbleiterbauelementen
signifikant reduziert wird.
- 84. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 83
dadurch gekennzeichnet, daß
durch den
oder die, der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
die Anzahl der Verunreinigungen innerhalb der Halbleiterplatten
signifikant reduziert wird.
- 85. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 84
dadurch gekennzeichnet, daß
durch den
oder die der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Verunreinigungen innerhalb der Halbleiterplatten unschädlich
gemacht werden, weniger schädlich gemacht werden oder in
Bereichen angesammelt werden, in denen sie die Funktionsweise der
späteren Halbleiterbauelemente weniger stören.
- 86. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 85
dadurch gekennzeichnet, daß
der oder die,
der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome in den Halbleiter eintreiben.
- 87. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 86
dadurch gekennzeichnet, daß
der oder die
der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome nur einen Typs (n-Typ oder p-Typ) in den Halbleiter
eintreiben.
- 88. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 87
dadurch gekennzeichnet, daß
der oder die,
der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome verschiedener Dotierstoff-Elemente und oder verschiedener
Dotierstofftypen in einem oder mehreren aufeinander folgenden Verfahrensschritten
in den Halbleiter eintreiben.
- 89. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 88
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Teile der Halbleiterplattenoberflächen vom Eindringen vom
Verunreinigungen durch geeignete Maskierschichten wie beispielsweise
Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder andere, für
Halbleiterprozesse geeignete Schichten, geschützt werden.
- 90. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 89
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Teile der Halbleiterplattenoberflächen vom Eindringen vom
Dotierstoffatomen durch geeignete Maskierschichten wie beispielsweise
Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder andere, für
Halbleiterprozesse geeignete Schichten, geschützt werden.
- 91. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 90
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome ausgehend von lokalen, nicht durch Masken abgedeckten
Bereichen der Halbleiterplattenoberflächen in die Halbleiterplatten
eindringen, während andere Bereiche der Oberflächen
der Halbleiterplatten vor dem Eindringen dieser Dotierstoffatome
geschützt oder maskiert sind.
- 92. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 91
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
unterschiedliche Dotierstoffatome ausgehend von verschiedenen lokalen,
nicht durch Masken abgedeckten Bereichen der Halbleiterplattenoberflächen
in die Halbleiterplatten eindringen, während andere Bereiche
der Oberflächen der Halbleiterplatten vor dem Eindringen
dieser Dotierstoffatome geschützt oder maskiert sind.
- 93. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 92
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
zumindest ein Typ Dotierstoffatome weiter als 10 μm in
die Halbleiterplatten eindringt.
- 94. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 93
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
zumindest ein Typ Dotierstoffatome weiter als 30 μm in
die Halbleiterplatten eindringt.
- 95. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 94
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
zumindest ein Typ Dotierstoffatome weiter als bis zur Hälfte
der Dicke der Halbleiterplatten in die Halbleiterplatten eindringt.
- 96. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 95
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome von zumindest einem der Elemente Al, B, P in die
Halbleiterplatten eindringen.
- 97. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 96
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome so eingetrieben werden, daß sich Dotierstoffkonzentrations-Gradienten
ausgehend von den Oberflächen, von denen ausgehend die
Dotierstoffatome eingetrieben werden, einstellen.
- 98. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 97
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome so eingetrieben werden, daß sich Dotierstoffkonzentrations-Gradienten
ausgehend von den Oberflächen, von denen ausgehend die
Dotierstoffatome eingetrieben werden, einstellen, die bis zum Halbleiterübergang
oder den Halbleiterübergansbereichen reichen.
- 99. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1
bis 98
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome so eingetrieben werden, daß sich Dotierstoffkonzentrations-Gradienten
ausgehend von den Oberflächen, von denen ausgehend die
Dotierstoffatome eingetrieben werden, einstellen, die sowohl für
die n-Typ-Dotierung, als auch die p-Typ-Dotierung bis zum Halbleiterübergang
oder den Halbleiterübergansbereichen reichen.
- 100. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 99
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome so eingetrieben werden, daß sich Dotierstoffkonzentrations-Gradienten
ausgehend von den Oberflächen, von denen ausgehend die
Dotierstoffatome eingetrieben werden, einstellen, die zumindest
für einen Dotierstofftyp an keiner Stelle eine Dotierstoffkonzentration
von mehr als 1020 Dotierstoffatomen/cm3 aufweisen.
- 101. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 100
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome so eingetrieben werden, daß sich Dotierstoffkonzentrations-Gradienten
ausgehend von den Oberflächen, von denen ausgehend die
Dotierstoffatome eingetrieben werden, einstellen, die zumindest
für einen Dotierstofftyp an keiner Stelle eine Dotierstoffkonzentration
von mehr als 1019 Dotierstoffatomen/cm3 aufweisen.
- 102. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 101
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome so eingetrieben werden, daß sich Dotierstoffkonzentrations-Gradienten
ausgehend von den Oberflächen, von denen ausgehend die
Dotierstoffatome eingetrieben werden, einstellen, die zumindest
für einen Dotierstofftyp an keiner Stelle eine Dotierstoffkonzentration
von mehr als 1018 Dotierstoffatomen/cm3 aufweisen.
- 103. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 102
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome so eingetrieben werden, daß sich Dotierstoffkonzentrations-Gradienten
ausgehend von den Oberflächen, von denen ausgehend die
Dotierstoffatome eingetrieben werden, einstellen, die für
beide Dotierstofftypen an keiner Stelle eine Dotierstoffkonzentration
von mehr als 1019 Dotierstoffatomen/cm3 aufweisen.
- 104. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 103
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome so eingetrieben werden, daß sich durchgängige
Bereiche diesen Dotierstofftyps durch die komplette Dicke der Halbleiterplatte
hinweg ergeben.
- 105. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 104
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome so eingetrieben werden, daß es auch tiefer
als 10 μm in der Halbleiterplatte zu (horizontalen) Halbleiterübergängen
in zumindest einer Richtung senkrecht zur Waferoberfläche
kommt.
- 106. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 105
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome so eingetrieben werden, daß es auch tiefer
als 10 μm in der Halbleiterplatte zu vielen – vorzugsweise
mehr als hundert – (horizontalen) Halbleiterübergängen
in zumindest einer Richtung senkrecht zur Waferoberfläche
kommt.
- 107. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 106
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome so eingetrieben werden, daß es in der
Halbleiterplatte zu vielen – vorzugsweise mehr als hundert – vertikal
durchgängigen Dotierstoffgebieten unterschiedlichen Typs
mit vielen – vorzugsweise über hundert – (horizontalen)
Halbleiterübergängen in zumindest einer Richtung
senkrecht zur Waferoberfläche kommt.
- 108. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 107
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome so eingetrieben werden, daß es bei multikristallinen
Halbleiterplatten zu mehreren vertikal durchgängigen Dotierstoffgebieten
unterschiedlichen Typs innerhalb der meisten multikristallinen Körner
kommt.
- 109. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 108
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome so eingetrieben werden, daß es bei bandgezogenen
multikristallinen Halbleiterplatten (wie beispielsweise EFG-Si oder „string
ribbon Si”) zu vielen – vorzugsweise mehr als
hundert – vertikal durchgängigen Dotierstoffgebieten
unterschiedlichen Typs – vorzugsweise abwechselnder Polarität
oder alternierenden Dotierstofftyps – entlang der Ziehrichtung
beim Kristallisieren dieser Halbleiterplatten kommt.
- 110. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 109
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome so eingetrieben werden, daß der Abstand
des p-n-Halbleiterüberganges zu den entsprechenden Oberflächen,
von denen ausgehend die Dotierstoffe eingetrieben wurden, so gewählt
ist, daß das Verhältnis des Abstandes im p-Gebiet
zum Abstand im n-Gebiet im Wesentlichen dem Verhältnis
der Minderheitsladungsträger-Diffusionslängen
von p-Gebiet zu n-Gebiet entspricht.
- 111. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 110
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem/den der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome so eingetrieben werden, daß Halbleiterplatten
entstehen, die in oberflächennahen Gebieten von mehr als
10 μm Eindringtiefe ein zunächst über
zumindest eine der Oberflächen hinweg ein im Wesentlichen
gleichmäßiges Dotierstoff-Eindringtiefen-Profil
entsteht, innerhalb dessen später Halbleiterbauelemente
auf den Halbleiterplatten gefertigt werden.
- 112. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 111
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
großflächige dünne Halbleiterplatten
so verdichtet werden, daß möglichst viele Halbleiterplatten
schädigungsarm auf vergleichsweise geringem Volumen gleichzeitig
einer Temperaturbehandlung mit nahezu identischem Temperatur-Zeit-Verlauf
ausgesetzt werden können.
und/oder
daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
zum Eintreiben von Dotierstoffatomen Teile der Oberflächen
der Halbleiterplatten so mit oberflächennahen Schichten versehen
sind, daß das Eindringen von Dotierstoffatomen an diesen
Stellen verlangsamt oder verhindert wird.
- 113. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 112
dadurch gekennzeichnet, daß
zunächst
Barriere-Schichten für Verunreinigungen wie Dotierstoffe
oder Metallatome auf die Oberflächen der großflächigen,
dünnen Halbleiterplatten aufgebracht oder in diesen Oberflächen
einwächst und sodann in einem weiteren Verfahrensschritt
an Teilen der Oberflächen diese Schichten durch Verfahren
wie beispielsweise Ablation, Ätzen oder mechanisches Entfernen
wieder zum Halbleiter hin geöffnet werden und schließlich
in einem weiteren Verfahrensschritt – zumindest lokal an
den in den Barriere-Schichten geöffneten Bereichen – Dotierstoffe
bei erhöhten Prozeßtemperaturen zwischen 577°C
und 1407°C in den Halbleiter eingetrieben werden.
- 114. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 113
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Barriere-Schichten zumindest an Teilen der Oberflächen
der Halbleiterplatten das Eindringen von Verunreinigungen verhindern
und gleichzeitig als Dotierstoffquelle dienen.
- 115. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 114
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
an in Barriereschichten auf den Halbleiterplatten-Oberflächen
zumindest teilweise zum Halbleiter hin geöffneten Bereichen
Dotierstoffe aus der Prozeßatmosphäre oder Gasphase
in den Halbleiter eingetrieben werden.
- 116. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 115
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
an zumindest Teilen der Halbleiterplatten-Oberflächen Schichten
wie Siliziumoxide, Siliziumoxinitride, Aluminiumoxide, Silziumcarbide,
Diamantbeschichtungen oder keramische Beschichtungen zumindest teilweise
das Eindringen von Verunreinigungen wir beispielsweise Dotierstoffen
oder Metallatomen reduzieren oder verhindern.
- 117. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 116
dadurch gekennzeichnet, daß
vor einem
oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n eine
oder mehrere Dotierstoffquellen auf den Halbleiterplatten aufgebracht
werden, so daß in dem/n nachfolgenden Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffe von dort ausgehend in den Halbleiterplatten eingetrieben
werden können.
- 118. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 117
dadurch gekennzeichnet, daß
vor einem
oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n eine
oder mehrere Dotierstoffquellen derart auf den Halbleiterplatten
aufgebracht werden, so daß in dem/n nachfolgenden Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffe in die in verdichteten Anordnungen wie beispielsweise
Halbleiterplatten-Stapeln befindlichen Halbleiterplatten eingetrieben
werden können und die verdichteten Anordnungen wie beispielsweise
Halbleiterplatten-Stapel, danach wieder aufgelöst werden können,
ohne die Halbleiterplatten zu schädigen.
- 119. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 118
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffe in die Halbleiterplatten eingetrieben werden, die sich
nicht dazu eignen, um direkt aus Halbleiterschmelzen heraus beim
Abkühlen nach der Kristallisation weitgehend homogen dotierte
Halbleiterplatten zu erhalten.
- 120. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 119
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffe in die Halbleiterplatten eingetrieben werden und dabei
Dotierstoffatome gewählt werden, deren Atomradien möglichst
wenig von denen der in den Halbleiterplatten am häufigsten
vorkommenden Halbleiter-Elemente abweichen.
- 121. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 120
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffe in die Halbleiterplatten eingetrieben werden und dadurch
eine höhere gemittelte Minderheitsladungsträger-Diffusionslänge
in den aus den Halbleiterplatten herzustellenden Halbleiterbauelementen
erzielt wird, als dies der Fall wäre, wenn zumindest einer
der nachträglich in den Halbleiterplatten entstehenden Dotierstoffbereiche
entsprechenden Dotierstofftyps bereits während der Kristallisation
ausgebildet worden wäre.
- 122. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 121
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffe in die Halbleiterplatten eingetrieben werden und dadurch
geringere mechanische Spannungen in den Halbleiterplatten entstehen,
als dies der Fall wäre, wenn zumindest einer der nachträglich
in den Halbleiterplatten entstehenden Dotierstoffbereiche entsprechenden
Dotierstofftyps bereits während der Kristallisation ausgebildet
worden wäre.
- 123. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 122
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffe in die Halbleiterplatten eingetrieben werden und dadurch
geringere mechanische Spannungen in den Halbleiterplatten entstehen,
als dies der Fall wäre, wenn zumindest einer der nachträglich
in den Halbleiterplatten entstehenden Dotierstoffbereiche entsprechenden
Dotierstofftyps bereits während der Kristallisation ausgebildet
worden wäre und dadurch die Bruchempfindlichkeit für
Halbleiterplatten und Halbleiterbauelemente in nachfolgenden Prozeßschritten
und oder während der Lebensdauer der Halbleiterbauelemente
gesenkt werden kann.
- 124. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 123
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffe in die Halbleiterplatten eingetrieben werden und dadurch
eine geringere Welligkeit oder eine verbesserte Ebenheit in den
Halbleiterplatten entstehen, als dies vergleichsweise der Fall wäre,
wenn zumindest einer der nachträglich in den Halbleiterplatten
entstehenden Dotierstoffbereiche entsprechenden Dotierstofftyps
bereits während der Kristallisation ausgebildet worden
wäre.
- 125. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 124
dadurch gekennzeichnet, daß
nach der
Kristallisation zunächst wellige Oberflächen von
beispielsweise bandgezogenen Siliziumwafer durch diese Verfahren
in ihrer Welligkeit deutlich reduziert werden können, so
daß vorzugsweise eine Welligkeit von weniger als 1 mm,
vorzugsweise von weniger als 0,5 mm und noch bevorzugter eine Welligkeit im
Bereich der Dicke bzw. Dickenschwankungen der Halbleiterplatten
entsteht.
- 126. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 125
dadurch gekennzeichnet, daß
nach der
Kristallisation während einem der nachfolgenden Temperatur-Behandlungsschritte
Halbleiterplatten wie beispielsweise bandgezogene Halbleiterplatten
wie beispielsweise EFG-Silliziumwafer durch mechanische Kräfte
während der Temperaturbehandlung in eine andere Form gebracht
werden, die vorzugsweise eine geringere Welligkeit und oder verbesserte
Ebenheit der Halbleiterplatten zur Folge hat.
- 127. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 126
dadurch gekennzeichnet, daß
nach der
Kristallisation während einem der nachfolgenden Temperatur-Behandlungsschritte
Halbleiterplatten wie beispielsweise bandgezogene Halbleiterplatten
wie beispielsweise EFG-Silliziumwafer durch Hilfsmittel wie beispielsweise
Platten oder Carrier oder Boxen während der Temperaturbehandlung
mechanisch gehalten, geführt, stabilisiert, komprimiert
oder vor Verunreinigungen oder mechanischen Schädigungen geschützt
werden.
- 128. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 127
dadurch gekennzeichnet, daß
durch Vermeiden
eines entsprechenden Dotierstoffes als Zugabe bei der Kristallisation
und das nachträgliche Eintreiben diesen Dotierstoffes in
nachfolgenden Hochtemperatur-Behandlungsschritten das Lösen von
Verunreinigungen aus den Tiegelwänden in die Halbleiterschmelze
zumindest verringert werden kann und oder die Tiegelwände
länger beständig sind und oder länger
der Halbleiterschmelze ausgesetzt werden können.
- 129. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 128
dadurch gekennzeichnet, daß
während
der Kristallisation auf die Zugabe von Bor verzichtet wird und dadurch
weniger Kohlenstoff aus die Halbleiterschmelze umgebenden Oberflächen
in die Halbleiterschmelze gelangen.
- 130. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 129
dadurch gekennzeichnet, daß
während
der Kristallisation auf die Zugabe von Dotierstoffatomen verzichtet
wird und dadurch auch weniger andere Verunreinigungen in die Halbleiterschmelze
gelangen oder weniger andere Verunreinigungen aus der Halbleiterschmelze
in die nach der Kristallisation geformten Halbleiterplatten gelangen.
- 131. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 130
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Verunreinigungen aus dem Volumen der Halbleiterplatten an Oberflächen
der Halbleiterplatten entfernt oder abgedampft werden.
- 132. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
P1 bis P131
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Verunreinigungen aus dem Volumen der Halbleiterplatten in oberflächennahen
Bereichen oder Schichten angesammelt werden.
- 133. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 132
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Verunreinigungen aus dem Volumen der Halbleiterplatten in oberflächennahen
Bereichen oder Schichten zunächst angesammelt werden und
dann mit zumindest einem Teil dieser Bereiche oder Schichten entfernt
werden (beispielsweise durch Ätz- oder Ablationsprozesse).
- 134. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 133
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Verunreinigungen im Volumen der Halbleiterplatten mobilisiert werden
und bis zu den Oberflächen der Halbleiterplatten gelangen,
so daß sie dort durch Ätz-, Ablations- oder Reinigungsverfahren
entfernt werden können.
- 135. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 134
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Verunreinigungen im Volumen der Halbleiterplatten mobilisiert werden
und bis zu den Oberflächen der Halbleiterplatten gelangen,
so daß sie dort durch Getterverfahren, wie beispielsweise
PhosphorGettern, Aluminium-Gettern, Chlor-Gettern oder durch Oxidation
der Oberflächen gebunden bzw. aus dem Halbleitermaterial
durch geeignete Schritte entfernt werden können.
- 136. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 135
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n,
bei denen Verunreinigungen im Volumen der Halbleiterplatten mobilisiert
werden können, die bei gängigen Verfahrensabläufen
für separate Temperaturbehandlungsschritte nach der Kristallisation
mit maximalen Prozeßtemperaturen für die herzustellenden
Halbleiterbauelemente von 900°C nicht mobilisiert und eingesammelt
werden könnten.
- 137. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 136
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n,
bei denen Verunreinigungen im Volumen der Halbleiterplatten mobilisiert
werden können, die bei gängigen Verfahrensabläufen
für separate Temperaturbehandlungsschritte nach der Kristallisation
mit maximalen Prozeßtemperaturen für die herzustellenden
Halbleiterbauelemente von 1100°C nicht mobilisiert und eingesammelt
werden könnten.
- 138. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 137
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Verunreinigungen im Volumen des Halbleitermaterials mobilisiert
werden und dadurch unschädlich gemacht werden, daß die
Halbleiterplatten während zumindest Phasen der Hochtemperaturbehandlung
einer reduzierenden Atmosphäre, die beispielsweise Wasserstoff
und Chlor oder Chlorverbindungen oder Fluor oder Fluorverbindungen
enthalten kann, ausgesetzt werden.
- 139. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 138
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Verunreinigungen im Volumen des Halbleitermaterials mobilisiert
werden und dadurch unschädlich gemacht werden, daß die
Halbleiterplatten während zumindest Phasen der Hochtemperaturbehandlung
einer sauerstoffhaltigen oder oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt
werden.
- 140. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 139
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Verunreinigungen im Volumen des Halbleitermaterials mobilisiert
werden und dadurch unschädlich gemacht werden, daß die
Halbleiterplatten während zumindest Phasen der Hochtemperaturbehandlung
einer ätzenden Atmosphäre ausgesetzt werden, wobei
diese Atmosphäre entweder das Halbleitermaterial und oder
Schichten an der Oberfläche des Halbleitermaterials wegätzen
kann.
- 141. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 140
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Verunreinigungen im Volumen des Halbleitermaterials mobilisiert
werden und dadurch unschädlich gemacht werden, daß die
Halbleiterplatten während zumindest Phasen der Hochtemperaturbehandlung
wahlweise sequentiell nacheinander unterschiedlichen Atmosphären
wie beispielsweise oxidierenden, reduzierenden, ätzenden
oder inerten Gasatmosphären ausgesetzt werden.
- 142. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 141
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Verunreinigungen im Volumen des Halbleitermaterials mobilisiert
werden und dadurch unschädlich gemacht werden, daß sie
zeitgleich oder sequentiell nacheinander durch zwei oder mehr unterschiedliche Gettermechanismen
mit unterschiedlichem Einfangsquerschnitt und unterschiedlicher
Bindungsaffinität für die entsprechenden Verunreinigungen
eingesammelt oder in oberflächennahen Gebieten angesammelt werden.
- 143. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 142
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Verunreinigungen entlang von Korngrenzen und oder anderen kristallinen
Defekten wie Versetzungslinien in höherer Konzentration
angereichert werden, als dies in benachbarten nicht gestörten
Kristallbereichen der Fall ist.
- 144. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 143
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
Dotierstoffatome entlang von Korngrenzen und oder anderen kristallinen
Defekten wie Versetzungslinien in höherer Konzentration
angereichert werden, als dies in benachbarten nicht gestörten
Kristallbereichen der Fall ist.
- 145. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 144
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
ausgehend von den Oberflächen der Halbleiterplatten Dotierstoffatome
entlang von Korngrenzen und oder anderen kristallinen Defekten wie
Versetzungslinien in höherer Konzentration angereichert
werden, als dies in benachbarten nicht gestörten Kristallbereichen
der Fall ist.
- 146. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 145
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
ausgehend von den Oberflächen der Halbleiterplatten Dotierstoffatome
entlang von Korngrenzen und oder anderen kristallinen Defekten wie
Versetzungslinien in höherer Konzentration angereichert
werden, als dies in benachbarten nicht gestörten Kristallbereichen
der Fall ist und sich dadurch in unmittelbarer Näher der
Kristalldefekte mit erhöhter Dotierstoffanreicherung elektrische
Felder ausbilden, die Minderheitsladungsträger in den aus
den Halbleiterplatten hergestellten Halbleiterbauelementen von diesen
Bereichen abschirmen.
- 147. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 146
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
ausgehend von den Oberflächen der Halbleiterplatten Dotierstoffatome
entlang von Korngrenzen und oder anderen kristallinen Defekten wie
Versetzungslinien in höherer Konzentration angereichert
werden, als dies in benachbarten nicht gestörten Kristallbereichen
der Fall ist und zugleich in diesen Bereichen andere mobile Verunreinigungen
im Halbleitermaterial, wie beispielsweise metallische Verunreinigungen
dort ebenfalls angereichert werden.
- 148. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 147
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
ausgehend von den Oberflächen der Halbleiterplatten Dotierstoffatome
entlang von Korngrenzen und oder anderen kristallinen Defekten wie
Versetzungslinien deutlich schneller und tiefer in den Halbleiter
eingetrieben werden, als dies in benachbarten nicht gestörten
Kristallbereichen der Fall ist.
- 149. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 148
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
ausgehend von den Oberflächen der Halbleiterplatten Dotierstoffatome
entlang von Korngrenzen und oder anderen kristallinen Defekten wie
Versetzungslinien deutlich schneller und tiefer in den Halbleiter
eingetrieben werden, als dies in benachbarten nicht gestörten
Kristallbereichen der Fall ist und sich daraus durch die Dicke der
Halbleiterplatte vertikal durchgängige Bereiche höherer
Dotierstoffkonzentration entlang dieser kristallinen Defektbereiche – wie
beispielsweise vertikal durchgängigen Korngrenzen oder
Versetzungen – ergeben, die ferner beispielsweise für
Minderheitsladungsträger als Potentialbarrieren wirken können.
- 150. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 149
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
ausgehend von den Oberflächen der Halbleiterplatten Dotierstoffatome
entlang von Korngrenzen und oder anderen kristallinen Defekten wie
Versetzungslinien deutlich schneller und tiefer in den Halbleiter
eingetrieben werden, als dies in benachbarten nicht gestörten
Kristallbereichen der Fall ist und sich daraus Potentialbarrieren
für Minderheitsladungsträger in den späteren
Halbleiterbauelementen ergeben, entlang derer die Minderheitsladungsträger
mit höherer Wahrscheinlichkeit einem p-n-Übergang
zugeführt werden, als dies ohne die Potentialbarrieren
entlang kristalliner Defekte der Fall wäre
- 151. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 150
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
ausgehend von den Oberflächen der Halbleiterplatten Dotierstoffatome
entlang von Korngrenzen und oder anderen kristallinen Defekten wie
Versetzungslinien deutlich schneller und tiefer in den Halbleiter
eingetrieben werden, als dies in benachbarten nicht gestörten
Kristallbereichen der Fall ist und sich daraus Potentialbarrieren
für Minderheitsladungsträger in den späteren
Halbleiterbauelementen ergeben, die die effektive Diffusionslänge
für Minderheitsladungsträger im fertiggestellten
Halbleiterbauelement erhöhen.
- 152. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 151
dadurch gekennzeichnet, daß
während
einem oder mehreren der Kristallisation folgenden separaten Hochtemperatur-Behandlungsschritte/n
aus Verunreinigungselementen bestehende Präzipitatbereiche
im Halbleitermaterial zunächst derart umgewandelt werden,
daß sich zumindest ein Teil der Verunreinigungen aus den
Präzipitaten löst und als interstitielle oder
ins Kristallgitter eingebundene Verunreinigungen ausreichend mobil
wird, um an anderen Orten der Halbleiterplatten, wie zum Beispiel
an deren Oberflächen, eingesammelt oder unschädlich
gemacht oder aus dem Halbleiter entfernt zu werden.
- 153. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 152
dadurch gekennzeichnet, daß
die einzelnen
Verfahrensschritte derart angepaßt werden, daß bei
Verwendung von UMG-Si als Ausgangs-Halbleitermaterial (vor dem Kristallisationsprozeß)
die einzelnen Prozeßparameter bei den Hochtemperatur-Behandlungsschritten
so angepaßt werden, daß Verunreinigungen und kristalline
Defekte, die die Diffusionslänge von Minderheitsladungsträgern
in UMG-Si-Halbleiterplatten limitieren, merklich in ihrer Konzentration
gesenkt werden.
- 154. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 153
dadurch gekennzeichnet, daß
die einzelnen
Verfahrensschritte derart angepaßt werden, daß bei
Verwendung von UMG-Si als Ausgangs-Halbleitermaterial (vor dem Kristallisationsprozeß)
die einzelnen Prozeßparameter bei den Hochtemperatur-Behandlungsschritten
so angepaßt werden, daß Verunreinigungen und kristalline
Defekte, die die Diffusionslänge von Minderheitsladungsträgern
in UMG-Si-Halbleiterplatten limitieren, um mindestens eine Größenordnung
in ihrer Konzentration gesenkt werden.
- 155. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 154
dadurch gekennzeichnet, daß
die einzelnen
Verfahrensschritte derart angepaßt werden, daß bei
Verwendung von UMG-Si als Ausgangs-Halbleitermaterial (vor dem Kristallisationsprozeß)
die einzelnen Prozeßparameter bei den Hochtemperatur-Behandlungsschritten
so angepaßt werden, daß Verunreinigungen und kristalline
Defekte, die zu Degradationseffekten von aus UMG-Si-Halbleiterplatten
hergestellten Halbleiterbauelementen führen, merklich in
ihrer Konzentration gesenkt werden.
- 156. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 155
dadurch gekennzeichnet, daß
die einzelnen
Verfahrensschritte derart angepaßt werden, daß bei
Verwendung von UMG-Si als Ausgangs-Halbleitermaterial (vor dem Kristallisationsprozeß)
die einzelnen Prozeßparameter bei den Hochtemperatur-Behandlungsschritten so
angepaßt werden, daß Verunreinigungen und kristalline
Defekte, die zu Degradationseffekten von aus UMG-Si-Halbleiterplatten
hergestellten Halbleiterbauelementen führen, um eine Größenordnung
in ihrer Konzentration gesenkt werden.
- 157. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 156
dadurch gekennzeichnet, daß
die einzelnen
Verfahrensschritte derart angepaßt werden, daß bei
Verwendung von UMG-Si als Ausgangs-Halbleitermaterial (vor dem Kristallisationsprozeß)
die einzelnen Prozeßparameter bei den Hochtemperatur-Behandlungsschritten
so angepaßt werden, daß die Dotierstoffkonzentration
zumindest eines Dotierstoffes innerhalb dieser Halbleiterplatten
durch Abgabe von Dotierstoff an zumindest Teilen der Halbleiterplatten-Oberflächen
durch Abläufe wie beispielsweise Verdampfen oder Oxidation
oder Ätzen merklich reduziert wird und/oder um mindestens
eine Größenordnung reduziert wird.
- 158. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 157
dadurch gekennzeichnet, daß
die Hochtemperaturbehandlungsschritte
zur Verbesserung von mit UMG-Si hergestellten Wafern bei Maximaltemperaturen
zwischen 577°C und 1407°C erfolgen und mit der
jeweiligen Temperaturbehandlung ein Durchsatz von mehr als 1000
Halbleiterplatten pro Stunde bei der für die Hochtemperaturbehandlung
gewählten Prozeßzeit in wirtschaftlich vorteilhaften
Prozessen und Prozeßanlagen möglich ist.
- 159. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 158
dadurch gekennzeichnet, daß
die Hochtemperaturbehandlungsschritte
zur Verbesserung von mit UMG-Si hergestellten Wafern bei Temperaturen
erfolgen, die einen ausreichend hohen Dampfdruck für Verunreinigungen
erzeugen, die aus dem Halbleitermaterial durch Verdampfen oder Abdampfen
entfernt werden sollen, um die Materialqualität in später
aus den Halbleiterplatten hergestellten Halbleiterbauelementen nachweislich
zu verbessern.
- 160. Verfahren zur Herstellung kristalliner, großflächiger,
dünner Halbleiterplatten bei gleichzeitiger Verbesserung
der Materialqualität von verunreinigtem Silizium wie beispielsweise
UMG-Silizium
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Konzentration an Verunreinigungsatomen zumindest eines Typs um mindestens
eine Größenordnung innerhalb der Halbleiterplatten
gegenüber der Verunreinigungskonzentration im Ausgangsmaterial
gesenkt wird, und daß die Halbleiterplatten in so genannten
Bandziehverfahren wie EFG-Verfahren oder string ribbon Verfahren
hergestellt werden und die Verunreinigung, deren Konzentration um
mindestens eine Größenordnung gesenkt wird, durch
Segregation im Wesentlichen bevorzugt in der Halbleiterschmelze
zurück gehalten wird.
- 161. Verfahren zur Herstellung kristalliner, großflächiger,
dünner Halbleiterplatten bei gleichzeitiger Verbesserung
der Materialqualität von verunreinigtem Silizium wie beispielsweise
UMG-Silizium
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Konzentration an Verunreinigungsatomen zumindest eines Typs um mindestens
zwei Größenordnungen innerhalb der Halbleiterplatten
gegenüber der Verunreinigungskonzentration im Ausgangsmaterial
gesenkt wird, und daß die Halbleiterplatten in so genannten
Bandziehverfahren wie EFG-Verfahren oder string ribbon Verfahren
hergestellt werden und die Verunreinigung, deren Konzentration um
mindestens zwei Größenordnungen gesenkt wird,
durch Segregation im Wesentlichen bevorzugt in der Halbleiterschmelze
zurück gehalten wird.
- 162. Verfahren zur Herstellung kristalliner, großflächiger,
dünner Halbleiterplatten bei gleichzeitiger Verbesserung
der Materialqualität von verunreinigtem Silizium wie beispielsweise
UMG-Silizium
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Konzentration an Verunreinigungsatomen zumindest eines Typs um mindestens
drei Größenordnungen innerhalb der Halbleiterplatten
gegenüber der Verunreinigungskonzentration im Ausgangsmaterial
gesenkt wird, und daß die Halbleiterplatten in so genannten
Bandziehverfahren wie EFG-Verfahren oder string ribbon Verfahren
hergestellt werden und die Verunreinigung, deren Konzentration um
mindestens drei Größenordnungen gesenkt wird,
durch Segregation im Wesentlichen bevorzugt in der Halbleiterschmelze
zurück gehalten wird.
- 163. Verfahren zur Herstellung kristalliner, großflächiger,
dünner Halbleiterplatten bei gleichzeitiger Verbesserung
der Materialqualität von verunreinigtem Silizium wie beispielsweise
UMG-Silizium
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Konzentration an Dotierstoffatomen zumindest eines Typs um mindestens
eine Größenordnung innerhalb der Halbleiterplatten
gegenüber der Dotierstoffkonzentration im Ausgangsmaterial
gesenkt wird, und daß die Halbleiterplatten in so genannten
Bandziehverfahren – wie EFG-Verfahren oder string ribbon
Verfahren – hergestellt werden und die Dotierstoffe im
Wesentlichen durch Segregation bevorzugt in der Halbleiterschmelze
zurück gehalten werden.
- 164. Verfahren zur Herstellung kristalliner, großflächiger,
dünner Halbleiterplatten bei gleichzeitiger Verbesserung
der Materialqualität von verunreinigtem Silizium wie beispielsweise
UMG-Silizium
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Konzentration an Dotierstoffatomen zumindest eines Typs um mindestens
zwei Größenordnungen innerhalb der Halbleiterplatten
gegenüber der Dotierstoffkonzentration im Ausgangsmaterial
gesenkt wird, und daß die Halbleiterplatten in so genannten
Bandziehverfahren – wie EFG-Verfahren oder string ribbon Verfahren – hergestellt
werden und die Dotierstoffe im Wesentlichen durch Segregation bevorzugt
in der Halbleiterschmelze zurück gehalten werden.
- 165. Verfahren zur Herstellung kristalliner, großflächiger,
dünner Halbleiterplatten bei gleichzeitiger Verbesserung
der Materialqualität von verunreinigtem Silizium wie beispielsweise
UMG-Silizium
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Konzentration an Dotierstoffatomen zumindest eines Typs um mindestens
drei Größenordnungen innerhalb der Halbleiterplatten
gegenüber der Dotierstoffkonzentration im Ausgangsmaterial
gesenkt wird, und daß die Halbleiterplatten in so genannten
Bandziehverfahren – wie EFG-Verfahren oder string ribbon
Verfahren – hergestellt werden und die Dotierstoffe im
Wesentlichen durch Segregation bevorzugt in der Halbleiterschmelze
zurück gehalten werden.
- 166. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
160 bis 165
dadurch gekennzeichnet, daß
die Halbleiterplatten
gemäß mindestens einem der Ansprüche
1 bis 159 weiter zu Halbleiterplatten mit verbesserten Eigenschaften
verarbeitet werden.
- 167. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 166
dadurch gekennzeichnet, daß
kürzere
Prozeßzeiten bei der Kristallisation bzw. bei den Abkühlprozessen
unmittelbar nach der Kristallisation gewählt werden, als
dies bei Verfahren der Fall wäre, die nicht in separaten
Hochtemperaturschritten gemäß den Ansprüche
1 bis 166 die Materialqualität in den Halbleiterplatten
verbessern
und daß
diese kürzeren Prozeßzeiten
somit insgesamt zu wirtschaftlicheren Herstellungsprozessen entlang
der kompletten Wertschöpfungskette von Ausgangs-Halbleitermaterial
bis zum fertigen Halbleiterbauelement, das aus den Halbleiteplatten
gefertigt wird, führen.
- 168. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 167
dadurch gekennzeichnet, daß
höhere
Verunreinigungskonzentrationen – wie beispielsweise Dotierstoffkonzentrationen – bei
der Kristallisation bzw. bei den Abkühlprozessen unmittelbar
nach der Kristallisation zugelassen werden, als dies bei Verfahren
der Fall wäre, die nicht in separaten Hochtemperaturschritten
gemäß den Ansprüchen 1 bis 167 die Materialqualität
in den Halbleiterplatten verbessern
und daß
diese
höheren zugelassenen Verunreinigungskonzentrationen zu
geringeren Kosten für das Ausgangs-Halbleitermaterial und
somit insgesamt zu wirtschaftlicheren Herstellungsprozessen entlang
der kompletten Wertschöpfungskette von Ausgangs-Halbleitermaterial
bis zum fertigen Halbleiterbauelement, das aus den Halbleiteplatten
gefertigt wird, führen.
- 169. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 168
dadurch gekennzeichnet, daß
das Ausgangs-Halbleitermaterial
vor der Kristallisation ohne Zugabe weiterer Dotierstoffe bereits
eine Dotierstoffkonzentration von mehr als 1016 Dotierstoffatomen/cm3 aufweist.
- 170. Verfahren nach Anspruch 169
dadurch gekennzeichnet,
daß
das Ausgangs-Halbleitermaterial vor der Kristallisation
ohne Zugabe weiterer Dotierstoffe bereits eine Dotierstoffkonzentration
von mehr als 1017 Dotierstoffatomen/cm3 aufweist.
- 171. Verfahren nach Anspruch 170
dadurch gekennzeichnet,
daß
das Ausgangs-Halbleitermaterial vor der Kristallisation
ohne Zugabe weiterer Dotierstoffe bereits eine Dotierstoffkonzentration
von mehr als 1018 Dotierstoffatomen/cm3 aufweist.
- 172. Verfahren nach Anspruch 171
dadurch gekennzeichnet,
daß
das Ausgangs-Halbleitermaterial vor der Kristallisation
ohne Zugabe weiterer Dotierstoffe bereits eine Dotierstoffkonzentration
von mehr als 1019 Dotierstoffatomen/cm3 aufweist.
- 173. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten
dadurch gekennzeichnet,
daß
die Verunreinigungskonzentration von im Halbleiter-Ausgangsmaterial
vorhandenen Verunreinigungen dadurch erheblich abgesenkt wird, daß Verfahren
wie Bandziehverfahren (z. B. EFG-Verfahren oder string ribbon Verfahren)
oder Strangziehverfahren oder andere Verfahren, bei denen Halbleitermaterial
im Wesentlichen kontinuierlich aus einer Halbleiterschmelze heraus
gefördert und anschließend zum Kristallisieren (Erstarren)
gebracht wird, eingesetzt werden, um die Verunreinigungskonzentration
im daraus entstehenden Halbleitermaterial erheblich gegenüber
der Verunreinigungskonzentration im Ausgangsmaterial zu senken
und
daß
das so entstandene Halbleitermaterial mit geringerer
Verunreinigungskonzentration erneut einem Kristallisationsverfahren
zur Herstellung großflächiger, kristalliner, dünner
Halbleiterplatten zugeführt wird.
- 174. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten
dadurch gekennzeichnet,
daß
die Verunreinigungskonzentration von im Halbleiter-Ausgangsmaterial
vorhandenen Verunreinigungen dadurch erheblich abgesenkt wird, daß Verfahren
wie Bandziehverfahren (z. B. EFG-Verfahren oder string ribbon Verfahren)
oder Strangziehverfahren oder andere Verfahren, bei denen Halbleitermaterial
im Wesentlichen kontinuierlich aus einer Halbleiterschmelze heraus
gefördert und anschließend zum Kristallisieren (Erstarren)
gebracht wird, eingesetzt werden, um die Verunreinigungskonzentration
im daraus entstehenden Halbleitermaterial erheblich gegenüber
der Verunreinigungskonzentration im Ausgangsmaterial zu senken
und
daß
das so entstandene Halbleitermaterial mit geringerer
Verunreinigungskonzentration zunächst zerkleinert und dann
erneut einem Kristallisationsverfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten zugeführt
wird.
- 175. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten
dadurch gekennzeichnet,
daß
die Verunreinigungskonzentration von im Halbleiter-Ausgangsmaterial
vorhandenen Verunreinigungen dadurch erheblich abgesenkt wird, daß Verfahren
wie Bandziehverfahren (z. B. EFG-Verfahren oder string ribbon Verfahren)
oder Strangziehverfahren oder andere Verfahren, bei denen Halbleitermaterial
im Wesentlichen kontinuierlich aus einer Halbleiterschmelze heraus
gefördert und anschließend zum Kristallisieren (Erstarren)
gebracht wird, eingesetzt werden, um die Verunreinigungskonzentration
im daraus entstehenden Halbleitermaterial erheblich gegenüber
der Verunreinigungskonzentration im Ausgangsmaterial zu senken
und
daß
das so entstandene Halbleitermaterial mit geringerer
Verunreinigungskonzentration zunächst mit mechanischen
Verfahren – wie Backenbrechern oder Zentrifugen, die harte
und für Halbleitermaterial reine Oberflächen zum
Zerkleinern des Materials verwenden – zerkleinert und dann
erneut einem Kristallisationsverfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten zugeführt
wird.
- 176. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten nach wenigstens
einem der Ansprüche 173 bis 175
dadurch gekennzeichnet,
daß
das Halbleitermaterial mit geringerer Verunreinigungskonzentration,
das nach der ersten Kristallisation mit einem Verfahren wie Bandziehverfahren
(z. B. EFG-Verfahren oder string ribbon Verfahren) oder Strangziehverfahren
oder andere Verfahren, bei denen Halbleitermaterial im Wesentlichen
kontinuierlich aus einer Halbleiterschmelze heraus gefördert
wird hergestellt wurde so zerkleinert wird, daß es anschließend
erneut einem Verfahren wie Bandziehverfahren (z. B. EFG-Verfahren
oder string ribbon Verfahren) oder Strangziehverfahren oder anderen
Verfahren, bei denen Halbleitermaterial im Wesentlichen kontinuierlich
aus einer Halbleiterschmelze heraus gefördert und anschließend
zum Kristallisieren (Erstarren) gebracht wird, zugeführt
wird.
- 177. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten nach wenigstens
einem der Ansprüche 173 bis 176
dadurch gekennzeichnet,
daß
die Verunreinigungskonzentration in den entstehenden
Halbleiterplatten zur Herstellung von Halbleiterbauelementen zumindest
bei einer Verunreinigung auf ein Hundertstel oder weniger der zuvor
im Ausgangs-Halbleitermaterial vorhandenen Konzentration dieser
Verunreinigung reduziert wird.
- 178. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten nach wenigstens
einem der Ansprüche 173 bis 177
dadurch gekennzeichnet,
daß
die Verunreinigungskonzentration in den entstehenden
Halbleiterplatten zur Herstellung von Halbleiterbauelementen zumindest
bei einer Verunreinigung auf ein Tausendstel oder weniger der zuvor
im Ausgangs-Halbleitermaterial vorhandenen Konzentration dieser
Verunreinigung reduziert wird.
- 179. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten nach wenigstens
einem der Ansprüche 173 bis 178
dadurch gekennzeichnet,
daß
die Verunreinigungskonzentration in den entstehenden
Halbleiterplatten zur Herstellung von Halbleiterbauelementen zumindest
bei einer Verunreinigung auf ein Zehntausendstel oder weniger der
zuvor im Ausgangs-Halbleitermaterial vorhandenen Konzentration dieser
Verunreinigung reduziert wird.
- 180. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten nach wenigstens
einem der Ansprüche 173 bis 179
dadurch gekennzeichnet,
daß
die Verunreinigungskonzentration in den entstehenden
Halbleiterplatten zur Herstellung von Halbleiterbauelementen zumindest
bei einer Verunreinigung auf ein Hunderttausendstel oder weniger
der zuvor im Ausgangs-Halbleitermaterial vorhandenen Konzentration
dieser Verunreinigung reduziert wird.
- 181. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten nach wenigstens
einem der Ansprüche 173 bis 180
dadurch gekennzeichnet,
daß
die Verunreinigungskonzentration in den entstehenden
Halbleiterplatten zur Herstellung von Halbleiterbauelementen bei
einer der für die Funktion der Halbleiterbauelemente entscheidenden
oder die Qualität der Halbleiterbauelemente limitierenden
Verunreinigung um mehr als eine Größenordnung
gesenkt wird.
- 182. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten nach wenigstens
einem der Ansprüche 173 bis 181
dadurch gekennzeichnet,
daß
die Dotierstoffkonzentration von zumindest einem
Dotierstoffelement in den entstehenden Halbleiterplatten zur Herstellung
von Halbleiterbauelementen gegenüber der Dotierstoffkonzentration
im Ausgangs-Halbleitermaterial auf ein Zehntel oder weniger abgesenkt
wird.
- 183. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten nach wenigstens
einem der Ansprüche 173 bis 182
dadurch gekennzeichnet,
daß
die Dotierstoffkonzentration von zumindest einem
Dotierstoffelement in den entstehenden Halbleiterplatten zur Herstellung
von Halbleiterbauelementen gegenüber der Dotierstoffkonzentration
im Ausgangs-Halbleitermaterial auf ein Hundertstel oder weniger
abgesenkt wird.
- 184. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten nach wenigstens
einem der Ansprüche 173 bis 183
dadurch gekennzeichnet,
daß
die Dotierstoffkonzentration von zumindest einem
Dotierstoffelement in den entstehenden Halbleiterplatten zur Herstellung
von Halbleiterbauelementen gegenüber der Dotierstoffkonzentration
im Ausgangs-Halbleitermaterial auf ein Tausendstel oder weniger
abgesenkt wird.
- 185. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten nach wenigstens
einem der Ansprüche 173 bis 184
dadurch gekennzeichnet,
daß
die Dotierstoffkonzentration des im Ausgangsmaterial
am meisten vorkommenden Dotierstoffelements in den entstehenden
Halbleiterplatten zur Herstellung von Halbleiterbauelementen gegenüber
der Dotierstoffkonzentration im Ausgangs-Halbleitermaterial auf
ein Zehntel oder weniger abgesenkt wird.
- 186. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten nach wenigstens
einem der Ansprüche 173 bis 185
dadurch gekennzeichnet,
daß
die Dotierstoffkonzentration des im Ausgangsmaterial
am meisten vorkommenden Dotierstoffelements in den entstehenden
Halbleiterplatten zur Herstellung von Halbleiterbauelementen gegenüber
der Dotierstoffkonzentration im Ausgangs-Halbleitermaterial soweit
abgesenkt wird, daß nahezu intrinsisches Halbleitermaterial
entsteht.
- 187. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten nach wenigstens
einem der Ansprüche 173 bis 186
dadurch gekennzeichnet,
daß
das metallurgisches Silizium oder anderes qualitativ
minderwertiges Silizium als Ausgangsmaterial eingesetzt wird um
es mit den beschriebenen Verfahren so von Verunreinigungen zu reinigen,
daß es sich zur wirtschaftlich vorteiligen Herstellung
von Halbleiterbauelementen wie beispielsweise Solarzellen eignet.
- 188. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten nach wenigstens
einem der Ansprüche 173 bis 187
dadurch gekennzeichnet,
daß
das zu reinigende Ausgangs-Halbleitermaterial
zunächst nach einem Verfahren wie Bandziehverfahren (z. B.
EFG-Verfahren oder string ribbon Verfahren) oder Strangziehverfahren
oder andere Verfahren, bei denen Halbleitermaterial im Wesentlichen
kontinuierlich aus einer Halbleiterschmelze heraus gefördert
wird, einem sehr raschen Abkühlprozeß nach dieser
ersten Kristallisation unterzogen wird, bei dem sich mehr Kristalldefekte
bilden, als dies für die vorteilhafte Herstellung von Halbleiterplatten
und Halbleiterbauelementen wie beispielsweise Solarzellen vorteilhaft
ist
und daß
diese kristallinen Defekte dennoch
keine nachteilige Auswirkung auf die nach dem zweiten Kristallisationsprozeß entstehenden
Halbleiterplatten haben.
- 189. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten nach wenigstens
einem der Ansprüche 173 bis 188
dadurch gekennzeichnet,
daß
das zu reinigende Ausgangs-Halbleitermaterial
zunächst nach einem Verfahren wie Bandziehverfahren (z. B.
EFG-Verfahren oder string ribbon Verfahren) oder Strangziehverfahren
oder andere Verfahren, bei denen Halbleitermaterial im Wesentlichen
kontinuierlich aus einer Halbleiterschmelze heraus gefördert
wird, einem sehr raschen Abkühlprozeß nach dieser
ersten Kristallisation unterzogen wird, bei dem sich mehr mechanische
Spannungen im entstehenden Halbleitermaterial bilden, als dies für
die vorteilhafte Herstellung von Halbleiterplatten und Halbleiterbauelementen
wie beispielsweise Solarzellen vorteilhaft ist
und daß
diese
mechanischen Spannungen dennoch keine nachteilige Auswirkung auf
die nach dem zweiten Kristallisationsprozeß entstehenden
Halbleiterplatten haben.
- 190. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten nach wenigstens
einem der Ansprüche 173 bis 189
dadurch gekennzeichnet,
daß
nach dem ersten Kristallisieren entstehende kristalline
Defekte oder entstehende mechanische Spannungen im Halbleitermaterial
in diesem Zustand oder eine erhöhte Welligkeit des Halbleitermaterial
in diesem Zustand – beispielsweise aufgrund vergleichsweise
hoher oder ungleichmäßiger Abkühlraten
nach dem ersten Kristallisieren – zu Vorteilen (beispielsweise
einfacheres Zerkleinern des Materials) bei den weiterhin folgenden
Prozeßschritten bei der Herstellung von Halbleiterplatten
oder Halbleiterbauelementen führen
- 191. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten nach wenigstens
einem der Ansprüche 173 bis 190
dadurch gekennzeichnet,
daß
mehrfach Kristallisationsprozesse zur Reinigung
des Ausgangsmaterials eingesetzt werden, die Verfahren wie Bandziehverfahren
(z. B. EFG-Verfahren oder string ribbon Verfahren) oder Strangziehverfahren
oder andere Verfahren, bei denen Halbleitermaterial im Wesentlichen
kontinuierlich aus einer Halbleiterschmelze heraus gefördert
wird, anwenden.
- 192. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten nach wenigstens
einem der Ansprüche 173 bis 191
dadurch gekennzeichnet,
daß
das zu reinigende aufgeschmolzene Ausgangs-Siliziummaterial
mit Schwerkraft und oder Kapillarkräften nach unten hin
oder seitlich aus einem Tiegel quasi kontinuierlich gezogen wird,
um unterhalb oder seitlich des Tiegels zu erstarren.
- 193. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten nach wenigstens
einem der Ansprüche 173 bis 192
dadurch gekennzeichnet,
daß
das zu reinigende aufgeschmolzene Ausgangs-Siliziummaterial
mit Schwerkraft und oder Kapillarkräften nach unten hin
oder seitlich aus einem Tiegel quasi kontinuierlich gezogen wird,
um unterhalb oder seitlich des Tiegels zu erstarren und sofern vorteilhaft
oder notwendig aufgefangen werden zu können, falls mechanische
Spannungen (z. B. aufgrund drastisch erhöhter Abkühlraten)
im Material dazu führen, daß das erstarrte Material
bricht und um nicht den im Wesentlichen kontinuierlichen Ziehprozeß unterbrechen
zu müssen.
- 194. Verfahren zur Herstellung großflächiger,
kristalliner, dünner Halbleiterplatten nach wenigstens
einem der Ansprüche 173 bis 193
dadurch gekennzeichnet,
daß
die entstehenden Halbleiterplatten gemäß zumindest
einem der Ansprüche 1 bis 172 weiter bearbeitet werden.
- 195. Industriell zu wirtschaftlichen Kosten hergestellte großflächige,
kristalline, dünne (30–500 μm) Halbleiterplatten,
die zur Herstellung von Halbleiterbauelementen eingesetzt werden
können,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Halbleiterplatten über ihr gesamtes Volumen hinweg Dotierstoffkonzentrationen
unterhalb 1015 Dotierstoffatomen/cm3 aufweisen.
- 196 Industriell zu wirtschaftlichen Kosten hergestellte großflächige,
kristalline, dünne (30–500 μm) Halbleiterplatten,
die zur Herstellung von Halbleiterbauelementen eingesetzt werden
können,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Halbleiterplatten nach der Kristallisation über ihr gesamtes
Volumen hinweg Dotierstoffkonzentrationen unterhalb 1014 Dotierstoffatomen/cm3 aufweisen.
- 197. Industriell zu wirtschaftlichen Kosten hergestellte großflächige,
kristalline, dünne (30–500 μm) Halbleiterplatten,
die zur Herstellung von Halbleiterbauelementen eingesetzt werden
können,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Halbleiterplatten nach der Kristallisation über ihr gesamtes
Volumen hinweg nahezu intrinsische Halbleiterqualität aufweisen
und keine deutlich ausgeprägte Dotierung eines Typs aufweisen,
bevor sie weiteren Bearbeitungsschritten zur Herstellung von Halbleiterbauelementen
unterzogen werden.
- 198. Industriell zu wirtschaftlichen Kosten hergestellte großflächige,
kristalline, dünne (30–500 μm) Halbleiterplatten,
die zur Herstellung von Halbleiterbauelementen eingesetzt werden
können,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Halbleiterplatten nach der Kristallisation über ihr gesamtes
Volumen hinweg eine höhere Verunreinigungskonzentration
mit Kohlenstoff als mit allen anderen Verunreinigungen im Halbleitermaterial
aufweisen.
- 199. Industriell zu wirtschaftlichen Kosten hergestellte großflächige,
kristalline, dünne (30–500 μm) Halbleiterplatten,
die zur Herstellung von Halbleiterbauelementen eingesetzt werden
können,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Halbleiterplatten nach der Kristallisation über ihr gesamtes
Volumen hinweg eine höhere Verunreinigungskonzentration
mit Sauerstoff, als mit allen anderen Verunreinigungen im Halbleitermaterial
aufweisen.
- 200. Halbleiterplattennach wenigstens einem der Ansprüche
195 bis 199
dadurch gekennzeichnet, daß
die Halbleiterplatten
gemäß einem Verfahren nach wenigstens einem der
Ansprüche 1 bis 194 hergestellt wurden.
- 201. Halbleiterbauelement
dadurch gekennzeichnet, daß
daß es
aus Halbleiterplatten nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 200 hergestellt wird.
- 202. Halbleiterbauelement nach Anspruch 201
dadurch gekennzeichnet,
daß
es sich bei dem Halbleiterbauelement um ein Halbleiterbauelement
zur Konvertierung von Licht in elektrische Energie oder eine Solarzelle
handelt.
- 203. Halbleiterbauelement nach Anspruch 201 oder 202,
dadurch
gekennzeichnet, daß
Dotierbereiche (p-Typ bzw. n-Typ-Dotierung)
innerhalb der kristallinen Halbleiterplatten im Wesentlichen erst
nach der Herstellung (Kristallisationsprozeß) der Halbleiterplatten
ausgebildet werden.
- 204. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 203,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierbereiche
(p-Typ bzw. n-Typ-Dotierung) innerhalb der kristallinen Halbleiterplatten
im Wesentlichen erst nach der Herstellung (Kristallisationsprozeß)
der Halbleiterplatten ausgehend von Oberflächen der Halbleiterplatten
durch das Eintreiben von Dotierstoffen hergestellt werden.
- 205. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 204,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierbereiche
(p-Typ bzw. n-Typ-Dotierung) innerhalb der kristallinen Halbleiterplatten
im Wesentlichen erst nach der Herstellung (Kristallisationsprozeß)
der Halbleiterplatten ausgehend von mit den Oberflächen der
Halbleiterplatten in Wechselwirkung stehenden Dotierstoffquellen
mindestens 10 μm tief ins Innere der Halbleiterplatten
eingetrieben werden.
- 206. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 205,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierbereiche
(p-Typ bzw. n-Typ-Dotierung) innerhalb der kristallinen Halbleiterplatten
im Wesentlichen erst nach der Herstellung (Kristallisationsprozeß)
der Halbleiterplatten ausgehend von mit den Oberflächen der
Halbleiterplatten in Wechselwirkung stehenden Dotierstoffquellen
mindestens 30 μm tief ins Innere der Halbleiterplatten
eingetrieben werden.
- 207. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 206,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierbereiche
zumindest eines Dotierstofftyps (p-Typ oder n-Typ) innerhalb der
kristallinen Halbleiterplatten im Wesentlichen erst nach der Herstellung
(Kristallisationsprozeß) der Halbleiterplatten – ausgehend von
mit Teilen der Oberflächen der Halbleiterplatten in Wechselwirkung
stehenden Dotierstoffquellen – mindestens bis zur Hälfte
der Dicke der Halbleiterplatte ins Innere der Halbleiterplatten
eingetrieben werden.
- 208. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 207,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierbereiche
mit Diffusionsverfahren ausgehend von mit den Oberflächen
bzw. Teilen der Oberflächen der Halbleiterplatten in Wechselwirkung
stehenden Dotierstoffquellen eingetrieben werden.
- 209. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 208,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierbereiche
in Legierungsverfahren zwischen Halbleitermaterial und Dotierstoffen – ausgehend
von mit den Oberflächen bzw. Teilen der Oberflächen
der Halbleiterplatten in Wechselwirkung stehenden Dotierstoffquellen – eingetrieben
werden.
- 210. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 209,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierbereiche
ausgehend von mit den Oberflächen bzw. Teilen der Oberflächen
der Halbleiterplatten in Wechselwirkung stehenden Dotierstoffquellen
dadurch eingetrieben werden, daß sich die Dotierstoffe
bei einem angepaßten Temperaturbehandlungsverfahren im
Halbleitermaterial lösen (z. B. gemäß Phasendiagramm
zwischen Dotierstoff- und Halbleiter-Element).
- 211. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 210,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierbereiche
ausgehend von mit den Oberflächen bzw. Teilen der Oberflächen
der Halbleiterplatten in Wechselwirkung stehenden Dotierstoffquellen
dadurch eingetrieben werden, daß die eutektische Temperatur
zwischen Halbleiterelement und Dotierstoffelement überschritten
wird.
- 212. Halbleiterbauelement,
dadurch gekennzeichnet, daß
es
aus Halbleiterplatten gefertigt wird, deren effektive Dotierstoff-Konzentration
(n-Typ oder p-Typ Netto-Dotierstoff-Konzentration) in nahezu allen
Bereichen der Halbleiterplatten so gering ist, daß ein
spezifischer Widerstand von über 100 ohm cm im Halbleitermaterial
vorherrscht.
- 213. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 212,
dadurch gekennzeichnet, daß
es aus
Halbleiterplatten gefertigt wird, deren effektive Dotierstoff-Konzentration
(n-Typ oder p-Typ Netto-Dotierstoff-Konzentration) in nahezu allen
Bereichen der Halbleiterplatten so gering ist, daß ein
spezifischer Widerstand von über 1000 ohm cm im Halbleitermaterial
vorherrscht.
- 214. Halbleiterbauelement,
dadurch gekennzeichnet, daß
ausgehend
von den Oberflächen der Halbleiterplatten, aus denen das
Halbleiterbauelement gefertigt wird, Dotierstoffgradienten ausgebildet
werden, die sich im Wesentlichen durch das gesamte Volumen der Halbleiterplatten
hindurch erstrecken und bis zu den jeweiligen Halbleiterübergängen
zwischen n-dotierten und p-dotierten Bereichen reichen.
- 215. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 213,
dadurch gekennzeichnet, daß
ausgehend
von den Oberflächen der Halbleiterplatten, auf denen das
Halbleiterbauelement gefertigt wird, Dotierstoffgradienten ausgebildet
werden, die sich im Wesentlichen durch das gesamte Volumen der Halbleiterplatten
hindurch erstrecken und bis zu den jeweiligen Halbleiterübergängen
zwischen n-dotierten und p-dotierten Bereichen reichen.
- 216. Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 215,
dadurch gekennzeichnet, daß
im durch
Dotierstoffgradienten im kompletten Halbleitervolumen der kristallinen
Solarzelle elektrische Felder ausgebildet sind, die erzeugten Minderheitsladungsträgern
an nahezu jeder Stelle des Halbleitervolumens eine Vorzugsrichtung
hin zu den Halbleiterübergängen im Inneren der
Solarzelle aufprägen.
- 217. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 216,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich
die Dotierstoffkonzentration entlang von Linien senkrecht zu den
beiden Oberflächen der Halbleiterplatten kontinuierlich
mit zunehmender Eindringtiefe ändert.
- 218. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 217,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich
die Dotierstoffkonzentration entlang von Linien senkrecht zu den
beiden Oberflächen der Halbleiterplatten kontinuierlich
und stetig mit zunehmender Eindringtiefe ändert.
- 219. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 218,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich
die Dotierstoffkonzentration entlang von jeder beliebigen Linie
senkrecht zu den beiden Oberflächen der Halbleiterplatten
kontinuierlich mit zunehmender Eindringtiefe ändert.
- 220. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 219,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoffbereiche
nach der Kristallisation der Halbleiterplatten bei Temperaturen
oberhalb von 1100°C ausgehend von den Oberflächen
der Halbleiterbauelemente eingetrieben werden.
- 221. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 220,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoffbereiche
nach der Kristallisation der Halbleiterplatten in Temperaturbehandlungsschritten
mit mehr als 2 Stunden Dauer ausgehend von den Oberflächen
der Halbleiterbauelemente eingetrieben werden.
- 222. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 221,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoffbereiche
nach der Kristallisation der Halbleiterplatten in Temperaturbehandlungsschritten
mit mehr als 4 Stunden Dauer ausgehend von den Oberflächen
der Halbleiterbauelemente eingetrieben werden.
- 223. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 222,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoffbereiche
nach der Kristallisation der Halbleiterplatten in Temperaturbehandlungsschritten
mit mehr als 8 Stunden Dauer ausgehend von den Oberflächen
der Halbleiterbauelemente eingetrieben werden.
- 224. Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 223,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoffbereiche
nach der Kristallisation der Halbleiterplatten in Temperaturbehandlungsschritten
oberhalb von 1100°C ausgehend von den Oberflächen
der Halbleiterbauelemente eingetrieben werden.
- 225. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 224,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoffbereiche
beider Dotierstofftypen nach der Kristallisation der Halbleiterplatten
in Temperaturbehandlungsschritten mehr als 10 μm tief eingetrieben
werden.
- 226. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 225,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoffbereiche
beider Dotierstofftypen nach der Kristallisation der Halbleiterplatten
in Temperaturbehandlungsschritten mehr als 30 μm tief eingetrieben
werden.
- 227. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 226,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoffbereiche
nach der Kristallisation der Halbleiterplatten in Temperaturbehandlungsschritten
mehr als 10 μm tief eingetrieben werden und dabei die Dotierstoffkonzentration
in allen Bereichen der Halbleiterbauelemente unterhalb 1019 Dotierstoffatomen/cm3 bleibt.
- 228. Halbleiterbauelement nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 227,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoffbereiche
beider Dotierstofftypen nach der Kristallisation der Halbleiterplatten
in Temperaturbehandlungsschritten mehr als 10 μm tief eingetrieben
werden und dabei die Dotierstoffkonzentration in allen Bereichen
der Halbleiterbauelemente unterhalb 1019 Dotierstoffatomen/cm3 bleibt.
- 229. Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 228,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoffbereiche
beider Dotierstofftypen nach der Kristallisation der Halbleiterplatten
in Temperaturbehandlungsschritten mehr als 10 μm tief eingetrieben
werden und dabei die Dotierstoffkonzentration so gewählt
wird, daß an keiner Stelle innerhalb des Halbleitervolumens
Auger-Rekombination von Minderheitsladungsträger den Wirkungsgrad
der Solarzelle limitiert.
- 230. Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 229,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Eindringtiefe und Dotierstoffkonzentration von p-dotierten Bereichen
und die Eindringtiefe und Dotierstoffkonzentration von n-dotierten
Bereichen so angepaßt sind, daß die interne Quantenausbeute
für Minderheitsladungsträger für das
einfallende Lichtspektrum und die einfallende Lichtintensität
insgesamt dadurch maximiert wird, daß die Dotierbereiche
der jeweiligen Diffusionslänge für Minderheitsladungsträger optimal
angepaßt sind, so daß gemittelt insgesamt die
meisten Minderheitsladungsträger den Halbleiterübergang
erreichen.
- 231. Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 230,
dadurch gekennzeichnet, daß
der
Halbleiterübergang (im Wesentlichen parallel zu den Oberflächen
der Halbleiterplatten) zwischen p-dotiertem Bereichen (ausgehend
von einer Oberfläche der Solarzelle) und n-dotiertem Bereich
(ausgehend von der gegenüberliegenden Oberfläche
der Solarzelle) in einer Tiefe gewählt wird, daß das
Verhältnis der Tiefe des n-dotierten Bereiches zur Tiefe
des p-dotierten Bereiches ungefähr dem Verhältnis
der gemittelten Diffusionslänge für Minderheitsladungsträger
von n-dotiertem Bereich zu der gemittelten Diffusionslänge von
Minderheitsladungsträgern im p-dotiertem Bereich entspricht.
- 232. Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 231,
dadurch gekennzeichnet, daß
Minderheitsladungsträger
an jeder Position innerhalb der Solarzelle aufgrund von Dotierstoffgradienten durch
ein elektrisches Feld bevorzugt in Richtung Halbleiterübergang
getrieben werden.
- 233. Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 232,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Halbleiterplatten nach Temperaturbehandlungsschritten oberhalb von
1000°C zumindest bis hinunter zu Temperaturen von 1100°C
langsamer abgekühlt werden, als dies nach den Kristallisationsprozessen
zur Herstellung der Halbleiterplatten der Fall war.
- 234. Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 233,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Halbleiterplatten nach Temperaturbehandlungsschritten oberhalb von
1000°C zumindest bis hinunter zu Temperaturen von 1000°C
langsamer abgekühlt werden, als dies nach den Kristallisationsprozessen
zur Herstellung der Halbleiterplatten der Fall war.
- 235. Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 234,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Halbleiterplatten nach Temperaturbehandlungsschritten oberhalb von
1000°C zumindest bis hinunter zu Temperaturen von 900°C
langsamer abgekühlt werden, als dies nach den Kristallisationsprozessen
zur Herstellung der Halbleiterplatten der Fall war.
- 236. Verfahren zur Herstellung von Solarzellen gemäß mindestens
einem der Ansprüche 201 bis 235,
dadurch gekennzeichnet,
daß
die Halbleiterplatten bei Temperaturbehandlungsschritten
oberhalb von 1000°C vor dem Eindringen von ungewünschten
Fremdatomen geschützt werden
- 237. Verfahren nach Anspruch 236,
dadurch gekennzeichnet,
daß
die Halbleiterplatten bei Temperaturbehandlungsschritten
oberhalb von 1000°C vor dem Eindringen von ungewünschten
Fremdatomen durch geeignete Schichten an der Oberfläche
der Halbleiterbauelemente geschützt werden.
- 238. Verfahren nach Anspruch 236 oder 237,
dadurch gekennzeichnet,
daß
die Halbleiterplatten bei Temperaturbehandlungsschritten
oberhalb von 1000°C vor dem Eindringen von ungewünschten
Fremdatomen durch Dotierstoffschichten an der Oberfläche
der Halbleiterbauelemente geschützt werden.
- 239. Verfahren nach einem der Ansprüche 236 bis 238,
dadurch
gekennzeichnet, daß
die Halbleiterplatten bei Temperaturbehandlungsschritten
oberhalb von 1000°C vor dem Eindringen von ungewünschten
Fremdatomen durch dielektrische Schichten wie SiOx,
SiNx, SiOxNy, AlOx, SiCx, oder andere für Halbleiterprozesse
geeignete Schichten an der Oberfläche der Halbleiterbauelemente
geschützt werden.
- 240. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 239,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Halbleiterplatten bei Temperaturbehandlungsschritten oberhalb von
1000°C vor dem Eindringen von ungewünschten Fremdatomen
durch eine geeignete Ofenatmosphäre bzw. durch Verwendung
von für Halbleiterprozesse hochreiner Materialien im Ofeninneren
geschützt werden.
- 241. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 240,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Halbleiterplatten bei Temperaturbehandlungsschritten oberhalb von
1000°C vor dem Eindringen von ungewünschten Fremdatomen
durch eine geeignete Ofenatmosphäre wie beispielsweise
einer reduzierenden Ofenatmosphäre, einer oxidierenden
Ofenatmosphäre, einer ätzenden Ofenatmosphäre
oder einer reinigenden Ofenatmosphäre geschützt
werden.
- 242. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 241,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Halbleiterplatten nach der Kristallisation erneut Temperaturbehandlungsschritten
zwischen 1000°C und 1407°C ausgesetzt werden und
anschließend zumindest bis hinunter zu Temperaturen von
1100°C mit Temperaturrampen abgekühlt werden,
die ähnlich oder geringer sind, als die Abkühlraten,
die in diesem Temperaturbereich nach der Kristallisation von Halbleiterblöcken
sind.
- 243. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 242,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Halbleiterplatten nach der Kristallisation erneut Temperaturbehandlungsschritten
zwischen 1000°C und 1407°C ausgesetzt werden und
anschließend zumindest bis hinunter zu Temperaturen von
1100°C mit Temperaturrampen abgekühlt werden,
die ähnlich oder geringer sind, als die Abkühlraten,
die in diesem Temperaturbereich nach der Kristallisation von Halbleiterblöcken
sind und sich dadurch mechanische Spannungen bzw. Defektbereiche
in den kristallinen Halbliterplatten reduzieren, daß sich
innerhalb der Halbleiterplatten dabei geringere Temperaturgradienten
ausbilden, als dies beim Abkühlen nach der Kristallisation
(z. B. in kristallinen Blöcken aus Halbleitermaterial)
der Fall war.
- 244. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 243,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoffe
im Wesentlichen ausgehend von den Oberflächen in das Volumen
der nahezu intrinsischen Halbleiterplatten, auf denen die Halbleiterbauelemente
hergestellt werden, eingetrieben werden, indem zunächst
Dotierstoff auf den Oberflächen aufgebracht wird und anschließend
von dort aus in Temperaturbehandlungsschritten in den Halbleiter
eingetrieben wird.
- 245. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 244,
dadurch gekennzeichnet, daß
Aluminium
zur Ausbildung tiefer p-dotierter Bereiche (> 30 μm Tiefe) und Phosphor zur
Ausbildung tiefer n-dotierter Bereiche (> 10 μm Tiefe) in zuvor nahezu
intrinsischem Halbleitermaterial verwendet wird.
- 246. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 245,
dadurch gekennzeichnet, daß
Aluminium
zur Ausbildung tiefer p-dotierter Bereiche und Phosphor zur Ausbildung
tiefer n-dotierter Bereiche in Temperaturbehandlungsschritten ins
Halbleitermaterial eingetrieben werden und diese so hergestellten
Dotierbereiche nahezu das komplette Volumen (> 90%) der Halbleiterplatten durchdringen,
auf denen die Halbleiterbauelemente gefertigt werden
- 247. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 246,
dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest
zwei der Dotierstoffe Aluminium, Phosphor, Bor, Antimon, Wismut,
Gallium, Indium, Thallium, Thulium, Holmium in Silizium-Halbleiterplatten
ausgehend von den Oberflächen dieser Halbleiterplatten
so tief ins Silizium eingetrieben werden, daß danach alle
Bereiche des Volumens der Halbleiterplatten mit zumindest einem
dieser eingetriebenen Dotierstoffe dotiert ist.
- 248. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 247,
dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest
zwei der Dotierstoffe Aluminium, Phosphor, Bor, Antimon, Wismut,
Gallium, Indium, Thallium, Thulium, Holmium in elementarer Form
auf den Oberflächen von Silizium-Halbleiterplatten aufgetragen werden
und in anschließenden Temperaturbehandlungsverfahren weiter
als 10 μm tief ins Silizium eingetrieben werden.
- 249. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 248,
dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest
einer der Dotierstoffe Aluminium, Phosphor, Bor, Antimon, Wismut,
Gallium, Indium, Thallium, Thulium, Holmium in elementarer Form
auf den Oberflächen von Silizium-Halbleiterplatten aufgetragen wird
und in einem anschließenden Temperaturbehandlungsverfahren
weiter als bis zur Hälfte der Dicke der kristallinen Siliziumplatten
ins Silizium eingetrieben werden.
- 250. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 249,
dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest
einer der Dotierstoffe Aluminium, Phosphor, Bor, Antimon, Wismut,
Gallium, Indium, Thallium, Thulium, Holmium in elementarer Form
auf den Oberflächen von Silizium-Halbleiterplatten aufgetragen wird
und in einem anschließenden Temperaturbehandlungsverfahren
der Dotierstoff gemäß Phasendiagramm tief (> 10 μm) ins
Silizium einlegiert wird.
- 251. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 250,
dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest
einer der Dotierstoffe Aluminium, Phosphor, Bor, Antimon, Wismut,
Gallium, Indium, Thallium, Thulium, Holmium in elementarer Form
auf den Oberflächen von Silizium-Halbleiterplatten aufgetragen wird
und in einem anschließenden Temperaturbehandlungsverfahren
der Dotierstoff gemäß Phasendiagramm tief (> 10 μm) ins
Silizium einlegiert wird, wobei die Eindringtiefe durch die Dicke
der Dotierstoffschicht kontrolliert wird.
- 252. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 251,
dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest
einer der Dotierstoffe Aluminium, Phosphor, Bor, Antimon, Wismut,
Gallium, Indium, Thallium, Thulium, Holmium in elementarer Form
auf den Oberflächen von Silizium-Halbleiterplatten aufgetragen wird
und in einem anschließenden Temperaturbehandlungsverfahren
der Dotierstoff gemäß Phasendiagramm tief (> 10 μm) ins
Silizium einlegiert wird, wobei die Eindringtiefe durch die Temperatur
und Zeit beim Legierungsprozeß kontrolliert wird.
- 253. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 252,
dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest
einer der Dotierstoffe Aluminium, Phosphor, Bor, Antimon, Wismut,
Gallium, Indium, Thallium, Thulium, Holmium in elementarer Form
auf den Oberflächen von Silizium-Halbleiterplatten aufgetragen wird
und in einem anschließenden Temperaturbehandlungsverfahren
der Dotierstoff durch Diffusion tief (> 10 μm) ins Silizium eingetrieben
wird, wobei die Eindringtiefe durch die Temperatur und Zeit beim
Diffusionsprozeß kontrolliert wird.
- 254. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 253,
dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest
einer der Dotierstoffe Aluminium, Phosphor, Bor, Antimon, Wismut,
Gallium, Indium, Thallium, Thulium, Holmium in elementarer Form
auf den mit einer dünnen Diffusionsbarriere versehenen
Oberflächen von Silizium-Halbleiterplatten aufgetragen
wird und in einem anschließenden Temperaturbehandlungsverfahren
der Dotierstoff durch diese Barriereschicht hindurch tief (> 10 μm) ins
Silizium eingetrieben wird.
- 255. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
247 bis 254,
dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest
einer der Dotierstoffe Aluminium, Phosphor, Bor, Antimon, Wismut,
Gallium, Indium, Thallium, Thulium, Holmium in Form einer Diffusionsquelle
anstatt in elementarer Form auf den Oberflächen von Silizium-Halbleiterplatten
aufgetragen wird und in einem anschließenden Temperaturbehandlungsverfahren der
Dotierstoff tief (> 10 μm)
ins Silizium eingetrieben wird.
- 256. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 255,
dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest
einer der Dotierstoffe Aluminium, Phosphor, Bor, Antimon, Wismut,
Gallium, Indium, Thallium, Thulium, Holmium in Form einer Diffusionsquelle
anstatt in elementarer Form mit den Oberflächen von Silizium-Halbleiterplatten
in einem Temperaturbehandlungsverfahren in Wechselwirkung tritt
und dadurch der Dotierstoff tief (> 10 μm)
ins Silizium eingetrieben wird.
- 257. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 256,
dadurch gekennzeichnet, daß
während
dem Eintreiben von Dotierstoffen zumindest Teile der Halbleiterbauelementoberflächen
vor dem Eindringen von Dotierstoffen oder anderen Verunreinigungen
durch geeignete Schichten wie beispielsweise SiOx,
SiNx, SiOxNy, AlOx, SiCx oder anderen adäquaten dielektrischen
Schichten geschützt oder maskiert sind.
- 258. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 257,
dadurch gekennzeichnet, daß
zum
Eintreiben von Dotierstoffen Dotierstoffquellen verwendet werden,
die mehrere unterschiedliche Dotierstoffe eines Typs gleichzeitig
ausgehend von denselben Oberflächenbereichen der Halbleiterplatten
ins Innere der Halbleiterplatten eintreiben.
- 259. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 258,
dadurch gekennzeichnet, daß
das
Eintreiben von Dotierstoffen in stapelförmigen Anordnungen
der Halbleiterplatten in geschlossenen Kammeröfen mit kontrollierter
Prozeßatmosphäre erfolgt.
- 260. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 259,
dadurch gekennzeichnet, daß
das
Eintreiben von Dotierstoffen in stapelförmigen Anordnungen
der Halbleiterplatten in geschlossenen Kammeröfen mit kontrollierter
Prozeßatmosphäre erfolgt, wie sie zur Kristallisation
von multikristallinen Siliziumblöcken verwendet werden.
- 261. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 260,
dadurch gekennzeichnet, daß
das
Eintreiben von Dotierstoffen in stapelförmigen Anordnungen
der Halbleiterplatten in geeigneten hochreinen Durchlauf-Temperaturbehandlungsöfen
erfolgt.
- 262. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 261,
dadurch gekennzeichnet, daß
das
Eintreiben von Dotierstoffen in stapelförmigen Anordnungen
der Halbleiterplatten erfolgt und die Halbleiterplatten dabei durch
hochreine Stapelboxen oder hochreine Carrier (bevorzugt aus Halbleitermaterial, Quarz
oder hochreiner Keramik) in ihrer Form stabilisiert werden.
- 263. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 262,
dadurch gekennzeichnet, daß
das
Eintreiben von Dotierstoffen in stapelförmigen Anordnungen
der Halbleiterplatten erfolgt und jeweils mehr als 20 Halbleiterplatten,
bevorzugt jedoch mehr als 100 Halbleiterplatten, noch bevorzugter
jedoch mehr als 200 Halbleiterplatten in hochreinen Stapelboxen
(bevorzugt aus Halbleitermaterial, Quarz oder hochreiner Keramik)
derart angeordnet sind, daß sich die Oberflächen
der benachbarten Halbleiterplatten berühren.
- 264. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 263,
dadurch gekennzeichnet, daß
das
Eintreiben von Dotierstoffen in stapelförmigen Anordnungen
der Halbleiterplatten erfolgt und mehr als 100000 Halbleiterplatten
zusammen in einem Temperaturbehandlungsofen dieselbe Temperaturbehandlung
erfahren.
- 265. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 264,
dadurch gekennzeichnet, daß
in zuvor
nahezu intrinsischen Halbleiterplatten Dotierstoffe so tief eingetrieben
werden, daß danach nahezu das komplette Volumen (> 90%) der Halbleiterplatten
eine höhere Dotierstoffkonzentration aufweist, als dies
vor dem Eintreiben der Dotierstoffe der Fall war.
- 266. Verfahren nach Anspruch 265,
dadurch gekennzeichnet,
daß
in zuvor nahezu intrinsischen Halbleiterplatten
Dotierstoffe so tief eingetrieben werden, daß danach nahezu das
komplette Volumen (> 90%)
der Halbleiterplatten eine höhere Dotierstoffkonzentration
aufweist, als dies vor dem Eintreiben der Dotierstoffe der Fall
war und dennoch an keiner Stelle des Halbleitervolumens, das einen
größeren Abstand, als 1 μm zu den Oberflächen
der Halbleiterplatten aufweist, eine Dotierstoffkonzentration von
mehr als 1019 Dotierstoffatomen/cm3 vorherrscht.
- 267. Verfahren nach Anspruch 265 oder 266,
dadurch gekennzeichnet,
daß
in zuvor nahezu intrinsischen Halbleiterplatten
Dotierstoffe so tief eingetrieben werden, daß danach nahezu das
komplette Volumen (> 90%)
der Halbleiterplatten eine höhere Dotierstoffkonzentration
aufweist, als dies vor dem Eintreiben der Dotierstoffe der Fall
war und dennoch an keiner Stelle des Halbleitervolumens, das einen
größeren Abstand, als 1 μm zu den Oberflächen
der Halbleiterplatten aufweist, eine Dotierstoffkonzentration von
mehr als 1018 Dotierstoffatomen/cm3 vorherrscht.
- 268: Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 267,
dadurch gekennzeichnet, daß
es beim
tiefen Eintreiben von Dotierstoffen in die Halbleiterplatten ausgehend
von den Oberflächen der Dotierstoffe an Oberflächen
der Halbleiterplatten bzw. an Teilen der Oberflächen der
Halbleiterplatten zu einer Anhäufung von Dotierstoffen
kommt, weil Schichten wie beispielsweise dielektrische Oxidschichten
auf den Halbleiterplatten den Austritt von Dotierstoffen verhindern
und zu einer erhöhten Konzentration der Dotierstoffe in unmittelbarer
Nähe der Oberflächen (< 1 μm Eindringtief von den
Oberflächen ausgehend) beitragen.
- 269. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 268,
dadurch gekennzeichnet, daß
beim
tiefen Eintreiben von Dotierstoffen in die Halbleiterplatten an
den Oberflächen der Halbleiterplatten bzw. an Teilen der
Oberflächen der Halbleiterplatten metallische Verunreinigungen
aus dem Halbleitermaterial angehäuft werden.
- 270. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 269,
dadurch gekennzeichnet, daß
beim
tiefen Eintreiben von Dotierstoffen in die Halbleiterplatten an
den Oberflächen der Halbleiterplatten bzw. an Teilen der
Oberflächen der Halbleiterplatten metallische Verunreinigungen
aus dem Halbleitermaterial angehäuft werden und in nachfolgenden
Prozeßschritten entfernt werden.
- 271. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 270,
dadurch gekennzeichnet, daß
nach
dem tiefen Eintreiben von Dotierstoffen in das Volumen der Halbleiterplatten
die Seitenkanten der Halbleiterplatten um einen Abstand, der der
Eindringtiefe der Dotierstoffe oder mehr entspricht entfernt werden.
- 272. Verfahren nach Anspruch 271,
dadurch gekennzeichnet,
daß
nach dem tiefen Eintreiben von Dotierstoffen in
das Volumen der Halbleiterplatten die Seitenkanten der Halbleiterplatten
um einen Abstand, der der Eindringtiefe der Dotierstoffe oder mehr
entspricht durch Verfahren wie Schleifverfahren, oder Schneidverfahren
oder selektive Ätzverfahren (Ätzen nur im Bereich
der Wafer-Seitenkanten) oder durch mechanische Abtragsverfahren
(z. B. Partikelbeschuß) entfernt werden und gegebenenfalls
durch zusätzliche Ätzschritte geschädigte
Gebiete an den Halbleiterplatten-Oberflächen und/oder Halbleiterplatten-Seitenkanten
entfernt werden.
- 273. Verfahren nach Anspruch 271 oder 272,
dadurch gekennzeichnet,
daß
nach dem tiefen Eintreiben von Dotierstoffen in
das Volumen der Halbleiterplatten die Seitenkanten der Halbleiterplatten
um einen Abstand, der der Eindringtiefe der Dotierstoffe oder mehr
entspricht durch Verfahren wie Schleifverfahren, oder Schneidverfahren
oder selektive Ätzverfahren (Ätzen nur im Bereich
der Wafer-Seitenkanten) oder durch mechanische Abtragsverfahren
(z. B. Partikelbeschuß) entfernt werden und gegebenenfalls
durch zusätzliche Ätzschritte geschädigte
Gebiete an den Halbleiterplatten-Oberflächen und/oder Halbleiterplatten-Seitenkanten
entfernt werden, so daß parasitäre Halbleiterübergänge
in den Solarzellen oder Kurzschlußpfade, bzw. Leckageströme
im Randbereich der Halbleiterplatten vermieden werden.
- 274. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
271 bis 273,
dadurch gekennzeichnet, daß
nach
dem tiefen Eintreiben von Dotierstoffen in das Volumen der Halbleiterplatten
oberflächennahe Gebiete der Halbleiterplatten durch Ätzverfahren
wie naßchemische Ätzverfahren oder trockenchemische Ätzverfahren
oder Oberflächen-Strukturierungsverfahren oder Texturverfahren
oder Polierverfahren zumindest teilweise entfernt werden und gegebenenfalls
zusätzlich die Seitenkanten der Halbleiterplatten um einen Abstand,
der der Eindringtiefe der Dotierstoffe oder mehr entspricht durch
Verfahren wie Schleifverfahren, oder Schneidverfahren oder selektive Ätzverfahren
(Ätzen nur im Bereich der Wafer-Seitenkanten) oder durch
mechanische Abtragsverfahren (z. B. Partikelbeschuß) entfernt
werden.
- 275. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
271 bis 274,
dadurch gekennzeichnet, daß
nach
dem tiefen Eintreiben von Dotierstoffen in das Volumen der Halbleiterplatten
oberflächennahe Gebiete der Halbleiterplatten durch Ätzverfahren
wie naßchemische Ätzverfahren oder trockenchemische Ätzverfahren
oder Oberflächen-Strukturierungsverfahren oder Texturverfahren
oder Polierverfahren zumindest teilweise entfernt werden und dennoch
tief dotierte Bereiche zurückbleiben, die in großem
Abstand zur Oberfläche der Solarzelle Halbleiterübergänge
zwischen n-dotierten und p-dotierten Gebieten der Solarzelle aufweisen.
- 276. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
271 bis 275,
dadurch gekennzeichnet, daß
nach
dem tiefen Eintreiben von Dotierstoffen in das Volumen der Halbleiterplatten
oberflächennahe Gebiete der Halbleiterplatten durch Ätzverfahren
wie naßchemische Ätzverfahren oder trockenchemische Ätzverfahren
oder Oberflächen-Strukturierungsverfahren oder Texturverfahren
oder Polierverfahren zumindest teilweise entfernt werden und damit
zeitgleich eine Reinigung der Halbleiterplattenoberflächen
für nachfolgende Prozeßschritte erfolgt.
- 277. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
271 bis 276,
dadurch gekennzeichnet, daß
nach
dem tiefen Eintreiben von Dotierstoffen in das Volumen der Halbleiterplatten
oberflächennahe Gebiete der Halbleiterplatten durch Oxidation
der Oberflächen oder Oxidation von Teilen der Oberflächen
chemisch umgewandelt werden und gegebenenfalls in nachfolgenden Ätzschritten
entfernt werden und damit gegebenenfalls zeitgleich eine Reinigung
der Halbleiterplattenoberflächen für nachfolgende
Prozeßschritte erfolgt.
- 278. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 277,
dadurch gekennzeichnet, daß
beim
Eintreiben von Dotierstoffen in das Volumen der zuvor nahezu intrinsischen
Halbleiterplatten Dotierstoffquellen verwendet werden, die es zulassen
zu sehr hohen Temperaturen (>> 1100°C) und
sehr langen Zeiten bei der Temperaturbehandlung (>> 4 h) zu gehen und zeitgleich zulassen
daß die maximale Dotierstoffkonzentration innerhalb der
Halbleiterbauelementen überall im Volumen des Halbleiternmaterials
außer an sehr oberflächennahen Gebieten (Abstand > 1 μm zur
Oberfläche der Halbleiterplatten) unterhalb von 1019 Dotierstoffatomen/cm3 bleibt.
- 279. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
236 bis 278,
dadurch gekennzeichnet, daß
beim
Eintreiben von Dotierstoffen in das Volumen der zuvor nahezu intrinsischen
Halbleiterplatten und beim anschließenden Abkühlvorgang
zumindest eine der folgenden Materialeigenschaften der Halbleiterplatten wie
Minderheitsladungsträger-Lebensdauer, Defektkonzentration,
Reinheit, Kristallinität, Ebenheit, mechanische Festigkeit
oder Bruchfestigkeit im Hinblick auf verbesserte Solarzelleneigenschaften
verbessert wird.
- 280. Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 279,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich
entlang zumindest einer (horizontalen) Richtung parallel zur Oberfläche
der Halbleiterplatten im Abstand von mehr als 10 μm zur
Oberfläche der Halbleiterplatte mehrere p-n-Halbleiterübergänge
befinden.
- 281. Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich
entlang zumindest einer (horizontalen) Richtung parallel zur Oberfläche
der Halbleiterplatten im Abstand von mehr als 30 μm zur
Oberfläche der Halbleiterplatte mehrere p-n-Halbleiterübergänge
befinden.
- 282. Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich
entlang zumindest einer (horizontalen) Richtung parallel zur Oberfläche
der Halbleiterplatten in einer Ebene in der Mitte der Halbleiterplattenoberflächen
mehrere p-n-Halbleiterübergänge befinden.
- 283. Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 282,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich
entlang zumindest einer (horizontalen) Richtung parallel zur Oberfläche
der Halbleiterplatten in einer Ebene, die sich mindestens im Abstand
von 10 μm zu den Halbleiteroberflächen befindet
mehr als hundert p-n-Halbleiterübergänge befinden.
- 284. Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 283,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich
entlang zumindest einer (horizontalen) Richtung parallel zur Oberfläche
der Halbleiterplatten in einer Ebene, die sich mindestens im Abstand
von 10 μm zu den Halbleiteroberflächen befindet
mehr als fünfhundert p-n-Halbleiterübergänge
befinden.
- 285. Kristalline Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 284,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
zumindest eines Dotierstofftyps (n-Typ oder p-Typ) ausgehend von
lokalen Teilbereichen zumindest einer der Halbleiterplattenoberflächen
sehr tief – mehr als 10 μm, bevorzugt mehr als
30 μm und noch vorteilhafter über die Hälfte
der Halbleiterplattendicke hinaus – in die Halbleiterplatten
eingetrieben wird.
- 286. Kristalline Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 285,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
zumindest eines Dotierstofftyps (n-Typ oder p-Typ) ausgehend von
lokalen Teilbereichen zumindest einer der Halbleiterplattenoberflächen
sehr tief – mehr als 10 μm, bevorzugt mehr als
30 μm und noch vorteilhafter über die Hälfte
der Halbleiterplattendicke hinaus – in die Halbleiterplatten
eingetrieben wird und sich dabei ausgehend von den Teilbereichen,
von denen der Dotierstoff eingetrieben wird Gradienten in der Dotierstoffkonzentration
ausbilden bei denen die Dotierstoffkonzentration mit zunehmender
Eindringtiefe in die Halbleiterplatte abnimmt.
- 287. Kristalline Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 286,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
beider Dotierstofftypen (n-Typ und p-Typ) ausgehend von lokalen
Teilbereichen zumindest einer der Halbleiterplattenoberflächen
sehr tief – mehr als 10 μm, bevorzugt mehr als
30 μm und noch vorteilhafter über die Hälfte
der Halbleiterplattendicke hinaus – in die Halbleiterplatten
eingetrieben wird.
- 288. Kristalline Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 287,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
beider Dotierstofftypen (n-Typ und p-Typ) ausgehend von lokalen
Teilbereichen zumindest einer der Halbleiterplattenoberflächen
sehr tief – mehr als 10 μm, bevorzugt mehr als
30 μm und noch vorteilhafter über die Hälfte
der Halbleiterplattendicke hinaus – in die Halbleiterplatten
eingetrieben wird und sich dabei Dotierstoffgradienten von den Oberflächenbereichen
ausgehend, von denen der jeweilige Dotierstoff eingetrieben wird
hin zu den p-n-Halbleiterübergängen ausbilden.
- 289. Kristalline Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 288,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
beider Dotierstofftypen (n-Typ und p-Typ) ausgehend von lokalen
Teilbereichen zumindest einer der Halbleiterplattenoberflächen
sehr tief – mehr als 10 μm, bevorzugt mehr als
30 μm und noch vorteilhafter über die Hälfte
der Halbleiterplattendicke hinaus – in die Halbleiterplatten
eingetrieben wird und sich dabei Dotierstoffgradienten von den Oberflächenbereichen
ausgehend, von denen der jeweilige Dotierstoff eingetrieben wird
mit kontinuierlich abnehmender Dotierstoffkonzentration hin zu den
p-n-Halbleiterübergängen ausbilden.
- 290. Kristalline Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 289,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
zumindest eines Dotierstofftyps (n-Typ oder p-Typ) ausgehend von
lokalen Teilbereichen zumindest einer der Halbleiterplattenoberflächen
sehr tief – mehr als 10 μm, bevorzugt mehr als
30 μm und noch vorteilhafter über die Hälfte
der Halbleiterplattendicke hinaus – in die Halbleiterplatten
eingetrieben wird und andere Teilbereiche der jeweiligen Halbleiterplattenoberfläche
mit einer als Diffusionsbarriere wirkenden Schicht maskiert sind.
- 291. Kristalline Solarzellen nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 290
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
beider Dotierstofftypen (n-Typ und p-Typ) ausgehend von lokalen
Teilbereichen zumindest einer der Halbleiterplattenoberflächen
sehr tief – mehr als 10 μm, bevorzugt mehr als
30 μm und besonders bevorzugt über die Hälfte
der Halbleiterplattendicke hinaus – in die Halbleiterplatten
eingetrieben wird und andere Teilbereiche der jeweiligen Halbleiterplattenoberfläche
mit einer als Diffusionsbarriere wirkenden Schicht maskiert sind.
- 292. Kristalline Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 291,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
zumindest eines Dotierstofftyps (n-Typ oder p-Typ) ausgehend von
lokalen Teilbereichen zumindest einer der Halbleiterplattenoberflächen
so tief in die Halbleiterplatten eingetrieben wird, daß sich
lokal vertikal durchgängige Bereiche – also sich
von einer Oberfläche der Halbleiterplatten hin zur anderen
Oberfläche der Halbleiterplatten erstreckende lokale Bereiche – zumindest
eines Dotierstofftyps ergeben.
- 293. Kristalline Solarzellen nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 292
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
zumindest eines Dotierstofftyps (n-Typ oder p-Typ) ausgehend von
lokalen Teilbereichen beider gegenüberliegender Halbleiterplattenoberflächen
so tief in die Halbleiterplatten eingetrieben wird, daß sich lokal
vertikal durchgängige Bereiche – also sich von
einer Oberfläche der Halbleiterplatten hin zur anderen Oberfläche
der Halbleiterplatten erstreckende lokale Bereiche – zumindest
eines Dotierstofftyps ergeben.
- 294. Kristalline Solarzellen nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 293,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
beider Dotierstofftypen (n-Typ und p-Typ) ausgehend von lokalen
Teilbereichen zumindest einer der Halbleiterplattenoberflächen
so tief in die Halbleiterplatten eingetrieben wird, daß sich
lokal vertikal durchgängige Bereiche – also sich
von einer Oberfläche der Halbleiterplatten hin zur anderen
Oberfläche der Halbleiterplatten erstreckende lokale Bereiche – zumindest
eines Dotierstofftyps ergeben.
- 295. Kristalline Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 294,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
beider Dotierstofftypen (n-Typ und p-Typ) ausgehend von lokalen
Teilbereichen beider gegenüberliegender Halbleiterplattenoberflächen
so tief in die Halbleiterplatten eingetrieben wird, daß sich
lokal vertikal durchgängige Bereiche – also sich
von einer Oberfläche der Halbleiterplatten hin zur anderen
Oberfläche der Halbleiterplatten erstreckende lokale Bereiche – zumindest
eines Dotierstofftyps ergeben.
- 296. Kristalline Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 295,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
beider Dotierstofftypen (n-Typ und p-Typ) ausgehend von lokalen
Teilbereichen zumindest einer der Halbleiterplattenoberflächen
so tief in die Halbleiterplatten eingetrieben wird, daß sich
benachbarte, lokal vertikal durchgängige Bereiche – also
sich von einer Oberfläche der Halbleiterplatten hin zur
anderen Oberfläche der Halbleiterplatten erstreckende lokale
Bereiche – beider Dotierstofftypen ergeben.
- 297. Kristalline Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 296,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
beider Dotierstofftypen (n-Typ und p-Typ) ausgehend von lokalen
Teilbereichen beider gegenüberliegender Halbleiterplattenoberflächen
so tief in die Halbleiterplatten eingetrieben wird, daß sich
benachbarte, lokal vertikal durchgängige Bereiche – also
sich von einer Oberfläche der Halbleiterplatten hin zur anderen
Oberfläche der Halbleiterplatten erstreckende lokale Bereiche – beider
Dotierstofftypen ergeben.
- 298. Kristalline Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 297,
dadurch gekennzeichnet, daß
im
Volumen der Solarzelle erzeugte Minderheitsladungsträger
unabhängig von ihrem Ort im Halbleitervolumen in einen
minimalen Abstand zu einem Halbleiterübergang haben, der
geringer als die halbe Dicke der Halbleiterplatten ist.
- 299. Kristalline Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 298,
dadurch gekennzeichnet, daß
im
Volumen der Solarzelle erzeugte Minderheitsladungsträger
unabhängig von ihrem Ort im Halbleitervolumen sowohl in
horizontaler Richtung (parallel zu den Oberflächen der
Halbleiterplatten), als auch in vertikaler Richtung (senkrecht zu
den Oberflächen der Halbleiterplatten) einen p-n-Halbleiterübergang
erreichen können, der sich in maximalem Abstand von weniger
als der Waferdicke von diesem Ort befindet.
- 300. Kristalline Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 299
dadurch gekennzeichnet, daß
im
Volumen der Solarzelle erzeugte Minderheitsladungsträger
unabhängig von ihrem Ort im Halbleitervolumen im Wesentlichen
entlang von Dotierstoffgradienten – durch entlang dieser
Dotierstoffgradienten ausgebildete elektrische Drift-Felder – zu
einem nahe gelegenen Halbleiterübergang getrieben werden.
- 301. Kristalline Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 300,
dadurch gekennzeichnet, daß
im
Volumen der Solarzelle erzeugte Minderheitsladungsträger
unabhängig von ihrem Ort im Halbleitervolumen im Wesentlichen
entlang von Dotierstoffgradienten – durch entlang dieser
Dotierstoffgradienten ausgebildete elektrische Drift-Felder – zum
nächstgelegenen Halbleiterübergang getrieben werden.
- 302. Kristalline Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 301
dadurch gekennzeichnet, daß
im
Volumen der Solarzelle erzeugte Minderheitsladungsträger
auch dann mit hoher Wahrscheinlichkeit (> 70%, bevorzugt > 90%) an Halbleiterübergängen
eingesammelt werden und zur Stromdichte der Solarzelle beitragen,
wenn das Halbleitermaterial am Ende des Solarzellenprozesses eine
gemittelte Diffusionslänge für Minderheitsladungsträger
aufweist, die kleiner als die Waferdicke ist.
- 303. Kristalline Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 302,
dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere
längliche (streifenförmige) Gebiete zumindest
einen Dotierstofftyps (n-Typ oder p-Typ) parallel zueinander angeordnet
von zumindest einer Oberfläche ausgehend tief ins Innere
(typischerweise mehr als bis zur Hälfte der Halbleiterplattendicke)
der Halbleiterplatten reichen und durch Bereiche umgekehrter Dotierung
zumindest an der Oberfläche von der aus diese Gebiete in
den Halbleiter eingetrieben wurden, voneinander getrennt sind.
- 304. Kristalline Solarzelle nach wenigstens einem der Ansprüche
201 bis 235 oder 281 bis 303
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Solarzellen durch benachbarte streifenförmige oder längliche
n-Typ-Gebiete und p-Typ-Gebiete in vertikaler Richtung (senkrecht
zu den Halbleiterplatten-Oberflächen) durchgängig
von der Vorderseite der Solarzelle zur Rückseite der Solarzelle
durchzogen sind.
- 305. Verfahren zur Herstellung von Solarzellen gemäß zumindest
einem der Ansprüche 201 bis 235 oder 281 bis 304,
dadurch
gekennzeichnet, daß
zunächst eine Diffusionsbarriere-Schicht,
wie beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid, Aluminiumoxid
oder eine andere für Halbleiterprozesse geeignete dielektrische
Schicht auf zumindest einer der Halbleiterplattenoberflächen
abgeschieden wird, diese Schicht sodann mit geeigneten Verfahren
wie Laserablation oder lokalem Ätzen bzw. lokalem Aufbringen
eines Ätzmediums oder anderen geeigneten Verfahren lokal
geöffnet wird und anschließend in einem thermischen
Verfahren (gegebenenfalls nach einem Reinigungs- oder Ätzschritt)
Dotierstoff ausgehend von den lokal geöffneten Bereichen
der anderswo mit einer Diffusionsbarriere versehenen Oberfläche
Dotierstoff tief – typischerweise mehr als 10 μm,
bevorzugt jedoch mehr als 30 μm, noch bevorzugter bis über
die Hälfte der Dicke der Halbleiterplatten hinaus – in
den Halbleiter eingetrieben wird.
- 306. Verfahren nach Anspruch 305,
dadurch gekennzeichnet,
daß
die Diffusionsbarriere-Schicht eine Siliziumoxid-Schicht
ist.
- 307. Verfahren nach Anspruch 306,
dadurch gekennzeichnet,
daß
die Diffusionsbarriere-Schicht eine Siliziumoxid-Schicht
ist die durch Naßoxidation und oder thermische Oxidation
aufgebracht wird.
- 308. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
305 bis 307,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Diffusionsbarriere-Schicht auf beiden gegenüberliegenden
Oberflächen der Halbleiterplatten aufgebracht wird.
- 309. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
305 bis 308,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Diffusionsbarriere-Schicht mit Verfahren wie CVD-Abscheideverfahren,
Aufdampfverfahren oder Sputterverfahren aufgebracht wird.
- 310. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
305 bis 309,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Diffusionsbarriere-Schicht mit Verfahren bei geringem Druck (deutlich
geringer als Atmosphärendruck) oder im Vakuum aufgebracht
wird.
- 311. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
305 bis 310,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Diffusionsbarriere-Schicht mit Laser-Verfahren lokal geöffnet
wird.
- 312. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
305 bis 311,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Diffusionsbarriere-Schicht mit Laser-Verfahren bei geringem Atmosphärendruck
oder im Vakuum lokal geöffnet wird.
- 313. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
305 bis 312,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
lokal in der Diffusionsbarriere-Schicht geöffneten Bereiche
vor dem Eintreiben von Dotierstoff zunächst mit einem naßchemischen
oder trockenchemischen Verfahren von Verunreinigungen gereinigt
oder lokal zurückgeätzt werden.
- 314. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
305 bis 313,
dadurch gekennzeichnet, daß
lokal
auf den geöffneten Bereichen der Diffusionsbarriereschicht
eine Diffusionsquelle aufgetragen wird.
- 315. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
305 bis 308,
dadurch gekennzeichnet, daß
auf
der zuvor lokal geöffneten Diffusionsbarriereschicht eine
Diffusionsquelle aufgetragen oder abgeschieden wird.
- 316. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
305 bis 315,
dadurch gekennzeichnet, daß
auf
der zuvor lokal geöffneten Diffusionsbarriereschicht eine
Diffusionsquelle mit einem Verfahren wie CVD, Aufdampfverfahren
oder Sputterverfahren abgeschieden wird.
- 317. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
305 bis 308,
dadurch gekennzeichnet, daß
auf
der zuvor lokal geöffneten Diffusionsbarriereschicht eine
Diffusionsquelle mit einem Verfahren wie CVD, Aufdampfverfahren
oder Sputterverfahren bei geringem Atmosphärendruck oder
im Vakuum abgeschieden wird.
- 318. nach wenigstens einem der Ansprüche 305 bis 317,
dadurch
gekennzeichnet, daß
in den lokal in der Diffusionsbarriere-Schicht
geöffneten Bereichen Dotierstoff über eine Gasphase
vor oder während der Temperaturbehandlung zum Eintreiben
des Dotierstoffs zur Oberfläche lokal geöffneten
Oberfläche der Halbleiterplatte gelangt und dort mit einem
Temperaturbehandlungsschritt eingetrieben wird.
- 319. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
305 bis 318,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoffe
von mehr als einer Diffusionsquelle lokal – ausgehend von
lokal in einer Diffusionsbarriere-Schicht geöffneten Bereichen – in
die Halbleiterplatten eingetrieben werden.
- 320. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
305 bis 319,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoffe
beider Dotierstofftypen (n-Typ und p-Typ) von mehr als einer Diffusionsquelle
lokal – ausgehend von lokal in einer Diffusionsbarriere-Schicht
geöffneten Bereichen – in die Halbleiterplatten
eingetrieben werden.
- 321. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
305 bis 320,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoffe
ausgehend von beiden gegenüberliegenden Oberflächen
der Halbleiterplatten lokal – ausgehend von lokal in einer
Diffusionsbarriere-Schicht geöffneten Bereichen – in
die Halbleiterplatten eingetrieben werden.
- 322. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
305 bis 320,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
in elementarer Form auf den Oberflächen oder Teilen der
Oberflächen abgeschieden wird.
- 323. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
305 bis 322,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff
in elementarer Form auf den Oberflächen oder Teilen der
Oberflächen abgeschieden wird und die Auftragsmenge bzw.
die Schichtdicke der Dotierstoffquelle mit dem jeweiligen Auftragsverfahren
gezielt bestimmt werden kann.
- 324 Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 305
bis 323,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff über
Legierungsverfahren gemäß Phasendiagramm mit dem
Halbleitermaterial und den jeweils miteinander in Austausch befindlichen
Stoffmengen lokal an den in der Diffusionsbarriere-Schicht geöffneten
Bereichen tief in den Halbleiter eingetrieben wird.
- 325. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
305 bis 324,
dadurch gekennzeichnet, daß
Dotierstoff über
Diffusion lokal an den in der Diffusionsbarriere-Schicht geöffneten
Bereichen tief in den Halbleiter eingetrieben wird.
- 326 Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 305
bis 325,
dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest
einer der Dotierstoffe Al, P, B, Ga, In, Tl, Ho, As, Sb, Bi, Tm
ausgehend von lokalen Bereichen der Oberflächen der Halbleiterplatten
tief in die Halbleiterplatten eingetrieben wird.
- 327. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
305 bis 326,
dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest
zwei Dotierstoffe unterschiedlichen Dotierstofftyps – wobei
die Dotierstoffe jeweils zumindest eines der Elemente Al, P, B,
Ga, In, Tl, Ho, As, Sb, Bi, Tm enthalten – ausgehend von
lokalen Bereichen der Oberflächen der Halbleiterplatten
tief in die Halbleiterplatten eingetrieben werden.
- 328 Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 305
bis 327,
dadurch gekennzeichnet, daß
Al und P
als Dotierstoffelemente ausgehend von lokalen Bereichen der Oberflächen
der Halbleiterplatten tief in die Halbleiterplatten eingetrieben
werden.
- 329. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
305 bis 328,
dadurch gekennzeichnet, daß
zunächst
eine dielektrische Schutzschicht wie beispielsweise Siliziumoxid,
Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid, Aluminiumoxid, SiCx,
oder andere für Halbleiterprozesse geeignete Schichten
auf den Halbleiterplatten-Oberflächen abgeschieden und
dann in einem weiteren Verfahrensschritt lokal geöffnet
bevor in einem dritten Verfahrensschritt eine Metallschicht auf
zumindest Teilen der lokal geöffneten Bereiche oder auf
der kompletten Oberfläche der Halbleiterplatten abgeschieden
wird.
- 330. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
305 bis 329,
dadurch gekennzeichnet, daß
zunächst
eine dielektrische Schutzschicht wie beispielsweise Siliziumoxid,
Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid, Aluminiumoxid, SiCx,
oder andere für Halbleiterprozesse geeignete Schichten
auf den Halbleiterplatten-Oberflächen abgeschieden und
dann in einem weiteren Verfahrensschritt lokal geöffnet
bevor in einem dritten Verfahrensschritt eine Metallschicht auf
zumindest Teilen der lokal geöffneten Bereiche oder auf
der kompletten Oberfläche der Halbleiterplatten abgeschieden
wird und in einem vierten Verfahrensschritt Metall an den in der
Schutzschicht geöffneten Bereichen in die Halbleiterplatte
zumindest teilweise eingetrieben wird.
- 331. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 oder 330,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht eine Siliziumoxidschicht ist, die in
einem Naßoxidationsverfahren und/oder einem thermischen
Verfahren in den Siliziumhalbleiterplatten-Oberflächen
wächst.
- 332. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 331,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht als Barriere für Metalle dient,
die an den in der Schutzschicht geöffneten Bereichen elektrisch
leitende Kontakte zum Halbleitermaterial herstellen sollen.
- 333. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 332,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht durch ein CVD-Verfahren, ein Aufdampfverfahren
oder ein Sputterverfahren bevorzugt bei geringem Atmosphärendruck
oder im Vakuum aufgetragen wird.
- 334. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 333,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht durch ALD oder Sol-Gel-Verfahren oder
andere Abscheideverfahren aufgebracht wird.
- 335. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 334,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht aus einem Schichtstapel verschiedener
dielektrischer Schichten besteht.
- 336. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 335,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht in der Solarzelle als Anti-Reflexionsschicht
dient.
- 337. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 336,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht in der Solarzelle als Passivierschicht
für die Oberfläche der Halbleiterplatten dient.
- 338. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 337,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht in der Solarzelle als Quelle für
Wasserstoff zur Wasserstoff-Passivierung von Defekten im Halbleitermaterial
dient.
- 339. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 338,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht in der Solarzelle als Wasserstoffbarriere
den Austritt von Wasserstoff bei der Wasserstoffpassivierung von
Defekten im Halbleitermaterial zumindest teilweise verhindert oder
reduziert.
- 340. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 339,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht in der Solarzelle als Rückseitenreflektor-Schicht
Photonen auf der Rückseite der Solarzelle davon abhält,
die Halbleiterplatten zu verlassen.
- 341. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 340,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht durch Laser-Verfahren lokal geöffnet
wird.
- 342. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 341,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht durch Laser-Verfahren bei geringem Atmosphärendruck
oder bevorzugt im Vakuum lokal geöffnet wird.
- 343. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 342,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht durch selektive Ätzverfahren
lokal geöffnet wird.
- 344. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 343,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht bereits beim Eintreiben der Dotierstoffe
gemäß einem der Ansprüche 305 bis 328
zumindest teilweise vorhanden war und durch Entfernen der Dotierstoffquelle
selektiv wieder geöffnet wird.
- 345. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 344,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht an den Stellen lokal geöffnet
wird, an denen später Metallkontakte entstehen sollen oder
an den Stellen, an denen Metallkontakte lokal Kontakt zum Halbleitermaterial
herstellen sollen.
- 346. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 345,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht entlang von länglichen, streifenförmigen
oder linienförmigen Bereichen – gegebenenfalls
nur lokal durch benachbarte Punktreihen – geöffnet
wird.
- 347. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 346,
dadurch gekennzeichnet, daß
Metallkontakte
nur lokal in den Bereichen, die zuvor in der dielektrischen Schutzschicht
geöffnet wurden, aufgebracht werden, wobei die Metallkontakte
dabei wahlweise die geöffneten Bereiche komplett überlappen,
oder über die geöffneten Bereiche hinausragen
oder diese nur teilweise überlappen können.
- 348. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 347,
dadurch gekennzeichnet, daß
Metallkontakte
nur lokal in den Bereichen, die zuvor in der dielektrischen Schutzschicht
geöffnet wurden dort in das Halbleitermaterial zumindest
teilweise eindringen und elektrisch leitfähigen Kontakt
zum Halbleitermaterial herstellen.
- 349. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 348,
dadurch gekennzeichnet, daß
Metallkontakte
mit Verfahren wie Druckverfahren (z. B. Siebdruck, Offsetdruck,
Tampon-Druck, ...) Dispensverfahren, Inkjet- oder Aeorsoldruck-Verfahren,
mit Aufdampfverfahren, mit Sputterverfahren, mit Flammspritzverfahren
oder mit Metallabscheideverfahren aus chemischen Lösungen
(stromlose oder galvanische, bzw. lichtgalvanische Verfahren) oder
andern bekannten Techniken zum Abscheiden von Metallschichten wahlweise
selektiv oder flächig aufgebracht werden.
- 350. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 349,
dadurch gekennzeichnet, daß
sehr
dünne Metallschichten abgeschieden werden.
- 351. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 350,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Metallkontakte in einem Temperaturbehandlungsschritt lokal an den
in der Schutzschicht geöffneten Bereichen in den Halbleiter
eingetrieben werden.
- 352. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 351,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Metallkontakte in einem Temperaturbehandlungsschritt lokal an den
in der Schutzschicht geöffneten Bereichen in den Halbleiter
einlegiert werden.
- 353. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 352,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Metallkontakte in einem Temperaturbehandlungsschritt lokal an den
in der Schutzschicht geöffneten Bereichen Metall-Silizid-Schichten
ausbilden.
- 354. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 353,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Metallkontakte nach einem Temperaturbehandlungsschritt zumindest
teilweise – bevorzugt an den nicht mit der Halbleiterplatte
in direktem Kontakt befindlichen Bereichen – wieder entfernt
werden und sofern vorteilhaft die verbliebenen Metallkontakte anschließend
durch geeignete Verfahren (z. B. Metallabscheidung aus chemischen
Lösungen wie Galvanik, Lichtgalvanik oder stromlose Metallabscheidung)
lokal verstärkt werden, um eine höhere Leitfähigkeit
zu erzielen.
- 355. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 354,
dadurch gekennzeichnet, daß
beim
Eintreiben der Metallkontakte in einem Temperaturbehandlungsschritt
lokal elektrisch leitfähig Kontakte mit geringem Kontaktübergangswiderstand zu
den zuvor in der Schutzschicht geöffneten niedrig dotierten
Halbleiterbereichen (< 1019 Dotierstoffatome/cm3)
entstehen.
- 356. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 355,
dadurch gekennzeichnet, daß
beim
Eintreiben der Metallkontakte in einem Temperaturbehandlungsschritt
gleichzeitig Wasserstoff aus den dielektrischen Schichten in die
Oberflächen und/oder das Volumen der Halbleiterplatten
eingetrieben wird und dort Defekte passiviert werden.
- 357. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 356,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Metallschicht zunächst in Form eines Schichtstapels verschiedener
Metalle oder die Kontaktbildung unterstützender Schichten
abgeschieden wird.
- 358. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 357,
dadurch gekennzeichnet, daß
nur
sehr schmale Bereiche – typischerweise < 30 μm bevorzugt jedoch < 20 μm,
besonders bevorzugt < 10 μm
breite Öffnungen – in der Schutzschicht geöffnet
werden und nur dort elektrisch leitfähige Kontakte zum Halbleitermaterial
entstehen.
- 359. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 358,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Dicke und laterale Ausdehnung der Metallschichten so gewählt
wird, daß bei Legierungsverfahren zum Eintreiben der Metallkontakte
die Eindringtiefe durch die mit dem Halbleitermaterial in Kontakt
befindliche Metallmenge kontrolliert wird.
- 360. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 359,
dadurch gekennzeichnet, daß
sowohl
die Abscheidung der dielektrischen Schutzschicht, als auch das lokale
Laser-Öffnen dieser Schutzschicht, als auch das Abscheiden
von Metallschichten in Vakuumanlagen wie beispielsweise CVD-Beschichtungsanlagen,
Sputteranlagen und/oder Aufdampfanlagen in im Wesentlichen einem
kontinuierlichen Verfahrensablauf erfolgen, ohne daß die
Halbleiterplatten bei der Bearbeitung das Vakuum, bzw. Anlagen mit
geringem Atmosphärendruck verlassen.
- 361. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 360,
dadurch gekennzeichnet, daß
das
lokale Öffnen dielektrischer Schichten im Vakuum, in einer
Inertgas-Atmosphäre in einer reduzierenden Atmosphäre
bzw. unter Ausschluß von Sauerstoff oder Stickstoff stattfindet,
um die Bildung von Oxidschichten oder Nitridschichten in den zu öffnenden
Bereichen an der Halbleiteroberfläche beim Lasern zu vermeiden.
- 362. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 361,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
bei der Temperaturbehandlung an den zuvor in der Schutzschicht geöffneten
Bereichen eingedrungenen Metall-Halbleitervebindungen in einem nachfolgende Ätzschritt
zur Entfernung der übrigen Metallschichten – die
Teile der Metallschicht, die nicht in den Halbleiter eingedrungen
sind, bzw. die nicht im Bereich der lokalen Öffnungen der
dielektrischen Schutzschicht liegen – während
des Ätzschrittes chemisch beständig sind und zumindest
teilweise in den Halbleiterplatten als Metall-Halbleiterverbindung
verbleiben.
- 363. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 362,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
zuvor aufgedampften oder aufgesputterten Metallschichten überall
dort entfernt werden, wo sie nicht in direktem Kontakt zum Halbleitermaterial
stehen.
- 364. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 363,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
zuvor aufgebrachte Metallschicht – z. B. durch Unterätzen
der dielektrischen Schicht oder von Teilen der dielektrischen Schicht
oder durch lokales Öffnen der Metallschicht (an Bereichen
an denen sie nicht im direkten Kontakt mit dem Halbleitermaterial
ist) und anschließendem Unterätzen entlang der
dielektrischen Schicht – überall dort entfernt
wird, wo sie nicht lokal in direktem Kontakt zum Halbleitermaterial
steht oder in dieses eingetrieben wurde.
- 365. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 364,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich
damit auf den Solarzellen in Massenproduktionsverfahren sehr schmale
(< 50 μm
Breite; bevorzugt < 30 μm
optische Breite), ausreichend leitfähige Metallkontakte
ausbilden lassen.
- 366. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 365,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich
damit auf den Solarzellen in Massenproduktionsverfahren sehr schmale
(< 50 μm
Breite; bevorzugt < 30 μm
optische Breite), ausreichend leitfähige Metallkontakte
ausbilden lassen, deren Querschnitt im Wesentlichen halbkreisförmig
ist.
- 367. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 366,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich
damit auf den Solarzellen in Massenproduktionsverfahren sehr schmale
(< 50 μm
Breite; bevorzugt < 30 μm
optische Breite), ausreichend leitfähige Metallkontakte
ausbilden lassen, die nur im Inneren ihres Querschnittes (Breite
10–30 μm) Kontakt zum Halbleitermaterial haben
und in benachbarten Bereichen über eine dielektrische Schutzschicht
zwischen Halbleiter und Metallkontakt hinausragen.
- 368. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 367,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich
ausgehend von den schmalen lokalen Kontakten, die in Öffnungen
der dielektrischen Schutzschicht gebildet wurden, in nahezu isotropem
Wachstum mit stromlosen oder galvanischen Metallabscheideverfahren
Kontakte mit nahezu halbkreisförmigem Querschnitt bilden
- 369. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 368,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich
ausgehend von den schmalen lokalen Kontakten, die in Öffnungen
der dielektrischen Schutzschicht gebildet wurden, mit stromlosen
oder galvanischen Metallabscheideverfahren Kontakte bilden, deren
Querschnitt so gestaltet ist, daß ein erheblicher Teil
der auf den Metallkontakt auftreffenden Photonen so reflektiert
wird, daß die Photonen in das Halbleitermaterial eindringen.
- 370. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
329 bis 369, dadurch gekennzeichnet, daß
zunächst
eine dielektrische Schutzschicht wie beispielsweise Siliziumoxid,
Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid, Aluminiumoxid, SiCx,
oder andere für Halbleiterprozesse geeignete Schichten
auf den Halbleiterplatten-Oberflächen abgeschieden wird
und in einem zweiten Verfahrensschritt eine Metallschicht auf zumindest
Teilen Oberfläche der Halbleiterplatten bzw. auf der Schutzschicht
abgeschieden wird und in einem dritten Verfahrensschritt Metall
selektiv an Teilen der Oberfläche der Halbleiterplatte
durch die dielektrische Schutzschicht hindurch in die Halbleiterplatte
eingetrieben wird.
- 371. Verfahren nach Anspruch 370,
dadurch gekennzeichnet,
daß
die dielektrische Schutzschicht eine Siliziumoxidschicht
ist, die in einem Naßoxidationsverfahren und/oder einem
thermischen Verfahren in den Siliziumhalbleiterplatten-Oberflächen
wächst.
- 372. Verfahren nach Anspruch 370 oder 371,
dadurch gekennzeichnet,
daß
die dielektrische Schutzschicht als Barriere und
Isolationsschicht für Metalle dient, die nur selektiv lokal
beispielsweise mit Laserverfahren durch die Schutzschicht hindurch
in den Halbleiter eingetrieben werden sollen, die dielektrische
Schutzschicht jedoch bei nachfolgenden thermischen Verfahrensschritten – beispielsweise
zum Eintreiben von Wasserstoff aus dielektrischen Schichten – und
oder naßchemischen Verfahrensschritten – beispielsweise
dem Abscheiden von Metallen aus chemischen Lösungen – als
Barriereschicht und Isolationsschicht beständig bleibt.
- 373. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 372,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht durch ein CVD-Verfahren, ein Aufdampfverfahren
oder ein Sputterverfahren bevorzugt bei geringem Atmosphärendruck
oder im Vakuum aufgetragen wird.
- 374. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 373,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht durch ALD oder Sol-Gel-Verfahren oder
andere Abscheideverfahren aufgebracht wird.
- 375. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 374,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht aus einem Schichtstapel verschiedener
dielektrischer Schichten besteht.
- 376. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 375,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht in der Solarzelle als Anti-Reflexionsschicht
dient.
- 377. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 376,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht in der Solarzelle als Passivierschicht
für die Oberfläche der Halbleiterplatten dient.
- 378. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 377,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht in der Solarzelle als Quelle für
Wasserstoff zur Wasserstoff-Passivierung von Defekten im Halbleitermaterial
dient.
- 379. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 378,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht in der Solarzelle als Wasserstoffbarriere
den Austritt von Wasserstoff bei der Wasserstoffpassivierung von
Defekten im Halbleitermaterial zumindest teilweise verhindert oder
reduziert.
- 380. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 379,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht in der Solarzelle als Rückseitenreflektor-Schicht
Photonen auf der Rückseite der Solarzelle davon abhält,
die Halbleiterplatten zu verlassen.
- 381. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 380,
dadurch gekennzeichnet, daß
Metalle
durch die dielektrische Schutzschicht hindurch mit Hilfe von Laser-Verfahren
lokal selektiv in den Halbleiter eingetrieben werden.
- 382. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 381,
dadurch gekennzeichnet, daß
Metalle
durch die dielektrische Schutzschicht hindurch (beispielsweise mit
Laserverfahren) bei geringem Atmosphärendruck oder bevorzugt
im Vakuum lokal selektiv in den Halbleiter eingetrieben werden.
- 383. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 382,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht beim selektiven Eintreiben von Metall
durch die Schutzschicht hindurch selektiv an gewünschten
Bereichen der Halbleiteroberfläche beispielsweise mit Ätzverfahren,
Schmelzverfahren oder Legierungsverfahren lokal geöffnet
bzw. durchdrungen wird.
- 384. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 383,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht bereits beim Eintreiben der Dotierstoffe
gemäß einem der Ansprüche 305 bis 328
zumindest teilweise vorhanden war und durch Entfernen der Dotierstoffquelle
selektiv wieder geöffnet wird.
- 385. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 384,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht an den Stellen lokal von Metall durchdrungen
wird, an denen später Metallkontakte entstehen sollen oder
an den Stellen, an denen Metallkontakte lokal Kontakt zum Halbleitermaterial
herstellen sollen.
- 386. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 385,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
dielektrische Schutzschicht entlang von länglichen, streifenförmigen
oder linienförmigen Bereichen – gegebenenfalls
nur lokal durch benachbarte Punktreihen – von Metall durchdrungen
wird.
- 387. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 386,
dadurch gekennzeichnet, daß
Metallkontakte
im Wesentlichen nur da lokal auf der dielektrischen Schutzschicht
aufgebracht werden, wo die dielektrische Schutzschicht von Metall
durchdrungen werden soll, wobei die Metallkontakte dabei wahlweise
die zu durchdringenden Bereiche der Schutzschicht komplett oder
teilweise überlappen, oder über die zu durchdringenden
Bereiche hinausragen.
- 388. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 387,
dadurch gekennzeichnet, daß
Metall
im Wesentlichen nur lokal in den Bereichen die dielektrischen Schutzschicht
durchdringt, bzw. in das Halbleitermaterial zumindest teilweise
eindringt und elektrisch leitfähigen Kontakt zum Halbleitermaterial herstellt,
von denen ausgehend zuvor Dotierstoff gemäß zumindest
einem der Ansprüche 236 bis 279 oder 305 bis 328 in den
Halbleiter eingetrieben wurde.
- 389. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 388,
dadurch gekennzeichnet, daß
Metallkontakte
mit Verfahren wie Druckverfahren (z. B. Siebdruck, Offsetdruck,
Tampon-Druck, ...) Dispensverfahren, Inkjet- oder Aeorsoldruck-Verfahren,
mit Aufdampfverfahren, mit Sputterverfahren, mit Flammspritzverfahren
oder mit Metallabscheideverfahren aus chemischen Lösungen
(stromlose oder galvanische, bzw. lichtgalvanische Verfahren) oder
andern bekannten Techniken zum Abscheiden von Metallschichten wahlweise
selektiv oder flächig aufgebracht werden.
- 390. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 389,
dadurch gekennzeichnet, daß
sehr
dünne Metallschichten abgeschieden werden.
- 391. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 390,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Metallkontakte in einem selektiven (lokalen) Temperaturbehandlungsschritt
lokal durch die Schutzschicht hindurch in den gewünschten
Bereichen in den Halbleiter eingetrieben werden.
- 392. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 391,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Metallkontakte in einem Temperaturbehandlungsschritt lokal durch
die Schutzschicht hindurch in den gewünschten Bereichen
in den Halbleiter einlegiert werden.
- 393. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 392,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Metallkontakte in einem Temperaturbehandlungsschritt lokal beim
Durchdringen der Schutzschicht Metall-Silizid-Bereiche im Halbleiter
ausbilden.
- 394. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 393,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Metallkontakte nach einem Temperaturbehandlungsschritt zumindest
teilweise – bevorzugt an den nicht mit der Halbleiterplatte
in direktem Kontakt befindlichen Bereichen – wieder entfernt
werden und sofern vorteilhaft die verbliebenen Metallkontakte anschließend
durch geeignete Verfahren (z. B. Metallabscheidung aus chemischen
Lösungen wie Galvanik, Lichtgalvanik oder stromlose Metallabscheidung)
lokal verstärkt werden, um eine höhere Leitfähigkeit
zu erzielen.
- 395. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 394,
dadurch gekennzeichnet, daß
beim
Eintreiben der Metallkontakte in einem Temperaturbehandlungsschritt
lokal elektrisch leitfähig Kontakte mit geringem Kontaktübergangswiderstand
zu den zuvor in der Schutzschicht geöffneten niedrig dotierten
Halbleiterbereichen (< 1019 Dotierstoffatome/cm3)
entstehen.
- 396. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 395,
dadurch gekennzeichnet, daß
beim
Eintreiben der Metallkontakte in einem Temperaturbehandlungsschritt
gleichzeitig Wasserstoff aus den dielektrischen Schichten in die
Oberflächen und/oder das Volumen der Halbleiterplatten
eingetrieben wird und dort Defekte passiviert werden.
- 397. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 396,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Metallschicht zunächst in Form eines Schichtstapels verschiedener
Metalle oder die Kontaktbildung unterstützender Schichten
abgeschieden wird.
- 398. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 397,
dadurch gekennzeichnet, daß
nur
sehr schmale Bereiche – typischerweise < 30 μm bevorzugt < 20 μm
besonders bevorzugt < 10 μm
breite Öffnungen – in der Schutzschicht von Metall
durchdrungen werden und nur dort elektrisch leitfähige
Kontakte zum Halbleitermaterial entstehen.
- 399. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 398,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
Dicke und laterale Ausdehnung der Metallschichten so gewählt
wird, daß bei Legierungsverfahren zum Eintreiben der Metallkontakte
die Eindringtiefe durch die mit dem Halbleitermaterial in Kontakt
befindliche Metallmenge kontrolliert wird.
- 400. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 399,
dadurch gekennzeichnet, daß
sowohl
beim Aufbringen der dielektrischen Schutzschicht, als auch dem Aufbringen
von Metallschichten beispielsweise in CVD-Beschichtungsanlagen,
Sputteranlagen und/oder Aufdampfanlagen – und sofern vorteilhaft
auch für das selektive Durchdringen der dielektrischen
Schutzschicht in geeigneten Anlagen – in im Wesentlichen
einem kontinuierlichen Verfahrensablauf Vakuumanlagen verwendet
werden, ohne daß die Halbleiterplatten bei der Bearbeitung
das Vakuum, bzw. Anlagen mit geringem Atmosphärendruck
verlassen.
- 401. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 400,
dadurch gekennzeichnet, daß
das
lokale Durchdringen der dielektrischen Schichten im Vakuum, in einer
Inertgas-Atmosphäre in einer reduzierenden Atmosphäre
bzw. unter Ausschluß von Sauerstoff oder Stickstoff stattfindet,
um die Bildung von Oxidschichten oder Nitridschichten beispielsweise
beim Lasern zu vermeiden.
- 402. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 401,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
bei der Temperaturbehandlung beim selektiven Durchdringen der Schutzschicht
eingedrungenen Metall-Halbleitervebindungen in einem nachfolgende Ätzschritt
zur Entfernung der übrigen Metallschichten – die
Teile der Metallschicht, die nicht in den Halbleiter eingedrungen
sind – während des Ätzschrittes chemisch
beständig sind und zumindest teilweise in den Halbleiterplatten
als Metall-Halbleiterverbindung verbleiben.
- 403. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 402,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
zuvor aufgedampften oder aufgesputterten Metallschichten überall
dort entfernt werden, wo sie nicht in direktem Kontakt zum Halbleitermaterial
stehen.
- 404. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 403,
dadurch gekennzeichnet, daß
die
zuvor aufgebrachte Metallschicht – z. B. durch Unterätzen
der dielektrischen Schicht oder von Teilen der dielektrischen Schicht
oder durch lokales Öffnen der Metallschicht (an Bereichen
an denen sie nicht im direkten Kontakt mit dem Halbleitermaterial
ist) und anschließendem Unterätzen entlang der
dielektrischen Schicht – überall dort entfernt
wird, wo sie nicht lokal in direktem Kontakt zum Halbleitermaterial
steht oder in dieses eingetrieben wurde.
- 405. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 404,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich
damit auf den Solarzellen in Massenproduktionsverfahren sehr schmale
(< 50 μm
Breite; bevorzugt < 30 μm
optische Breite), ausreichend leitfähige Metallkontakte
ausbilden lassen.
- 406. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 405,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich
damit auf den Solarzellen in Massenproduktionsverfahren sehr schmale
(< 50 μm
Breite; bevorzugt < 30 μm
optische Breite), ausreichend leitfähige Metallkontakte
ausbilden lassen, deren Querschnitt im Wesentlichen halbkreisförmig
ist.
- 407. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 406,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich
damit auf den Solarzellen in Massenproduktionsverfahren sehr schmale
(< 50 μm
Breite; bevorzugt < 30 μm
optische Breite), ausreichend leitfähige Metallkontakte
ausbilden lassen, die nur im Inneren ihres Querschnittes (Breite
10–30 μm) Kontakt zum Halbleitermaterial haben
und in benachbarten Bereichen über eine dielektrische Schutzschicht
zwischen Halbleiter und Metallkontakt hinausragen.
- 408. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 407,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich
ausgehend von den schmalen lokalen Kontakten, die in Öffnungen
der dielektrischen Schutzschicht gebildet wurden, in nahezu isotropem
Wachstum mit stromlosen oder galvanischen Metallabscheideverfahren
Kontakte mit nahezu halbkreisförmigem Querschnitt bilden.
- 409. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
370 bis 408,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich
ausgehend von den schmalen lokalen Kontakten, die in Öffnungen
der dielektrischen Schutzschicht gebildet wurden, mit stromlosen
oder galvanischen Metallabscheideverfahren Kontakte bilden, deren
Querschnitt so gestaltet ist, daß ein erheblicher Teil,
der auf den Metallkontakt auftreffenden Photonen so reflektiert
wird, daß die Photonen in das Halbleitermaterial eindringen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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