DE102009030096A1 - Verfahren zur Herstellung einer EWT-Solarzelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer EWT-Solarzelle aus einem Halbleitersubstrat (1) eines ersten Dotierungstyps mit einer Vorder- und einer Rückseite und einer Mehrzahl von Ausnehmungen, welche sich jeweils von der Vorder- zu der Rückseite des Halbleitersubstrates erstrecken, folgende Verfahrensschritte, umfassend: A Erzeugen zumindest folgender Emitterbereiche eines zweiten, zum ersten Dotierungstyp entgegengesetzten Dotierungstyps in dem Halbleitersubstrat (1): - ein Vorderseitenemitter, welcher die Vorderseite des Halbleitersubstrates zumindest teilweise bedeckt, - ein Rückseitenemitter, welcher die Rückseite des Halbleitersubstrates teilweise bedeckt und - eine Mehrzahl von Verbindungsemittern, welche jeweils die Wand einer Ausnehmung zumindest teilweise bedecken, sodass der Vorderseitenemitter über die Verbindungsemitter elektrisch leitend mit dem Rückseitenemitter verbunden ist, wobei die Emitterbereiche jeweils einen pn-Übergang zu dem Halbleitersubstrat (1) ausbilden, B Aufbringen mindestens einer Basiskontaktierungsstuktur und mindestens einer Emitterkontaktierungsstuktur jeweils auf die Rückseite des Halbleitersubstrates, gegebenenfalls nach Aufbringen weiterer Zwischenschichten, wobei die Basiskontaktierungsstruktur mit mindestens einem nicht durch Emitter bedeckten Bereich des Halbleitersubstrates und die Emitterkontaktierungsstruktur mit dem Rückseitenemitter elektrisch leitend verbunden sind...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer EWT-Solarzelle aus einem Halbleitersubstrat.
  • Der Begriff EWT-Solarzelle (Emitter-Wrap-Through-Solarzelle) bezeichnet eine Halbleitersolarzelle, die sowohl auf der zur Lichteinkopplung ausgebildeten Vorderseite, als auch auf der Rückseite Emitterbereiche aufweist.
  • Wie beispielsweise in J. M. Gee, W. K. Schubert, and P. A. Basore, „Emitter wrap-through solar cell," in Proceedings of the 23rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference (Louisville, Kentucky, USA), pp. 265–270, 1993 beschrieben, besteht eine EWT-Solarzelle aus einem Halbleitersubstrat, das eine Vielzahl von Ausnehmungen aufweist. Diese „Löcher” erstrecken sich von der Vorderzu der Rückseite des Halbleitersubstrates und sind üblicherweise in etwa zylinderförmig ausgebildet, wobei die Zylinderachsen in etwa senkrecht zur Vorderseite stehen.
  • Die nicht durch Emitter bedeckten Bereiche sind entgegengesetzt zu den Emitterbereichen dotiert, so dass sich pn-Übergänge an den Grenzen der Emitterbereiche ausbilden. Bei den vorbekannten EWT-Solarzellen ist an der Vorderseite ein ganzflächiger Emitter ausgebildet und die Rückseite ist in Teilbereichen, zumindest an den von einem Loch durchdrungenen Bereichen der Rückseite ebenfalls von einem oder mehreren Emitterbereichen bedeckt. Darüber hinaus sind an den Lochwänden Emitterbereiche ausgebildet, so dass eine e lektrisch leitende Verbindung ausgehend von dem Vorderseitenemitter über die Emitter an den Lochwänden zu dem Rückseitenemitter besteht.
  • Bei der Bezeichnung „elektrisch leitend verbunden” werden hier und im Folgenden solche Ströme vernachlässigt, die beispielsweise aufgrund von Rekombinationseffekten an oder über einen pn-Übergang auftreten. Im Sinne dieser Anmeldung sind somit zwei entgegengesetzt dotierte Bereiche, zwischen denen sich ein pn-Übergang ausbildet, an dem pn-Übergang nicht elektrisch leitend verbunden.
  • EWT-Solarzellen gehören zur Familie der Rückkontaktsolarzellen, d. h. sowohl die elektrische Kontaktierung des Emitters, als auch des entgegengesetzt dotierten Basisbereiches erfolgt auf der Rückseite der Solarzelle. Typischerweise werden Ladungsträger mittels metallischer Kontaktstrukturen abgeführt. Rückseitenkontaktsolarzellen weisen daher den Vorteil auf, dass auf der zur Lichteinkopplung ausgebildeten Vorderseite keine Abschattung durch Metallisierungsstrukturen erfolgt.
  • Bei typischen EWT-Solarzellen, insbesondere EWT-Solarzellen aus Silizium, erfolgt bei Beleuchtung der Großteil der Generation von Elektron- und Lochpaaren jedoch nahe der Vorderseite. Daher ist eine Vielzahl hochdotierter Verbindungsemitter zum Ladungsträgertransport zwischen Vorder- und Rückseitenemitter notwendig, um Serienwiderstandsverluste gering zu halten. Ferner muss der rückseitige Emitter durch die jeweilige Kontaktierungstechnologie mit geringem Kontaktwiderstand kontaktierbar sein, was eine hohe Dotierkonzentration an der Oberfläche der rückseitigen Emitterbereiche voraussetzt. Der vorderseitige Emitter soll hingegen eine möglichst geringe Ladungsträgerrekombination im Emitterbereich aufweisen, im Zusammenspiel mit der oder den typischerweise auf die Vorderseite aufgebrachten Passivierungsschichten.
  • Um somit einen niedrig dotierten, ganzflächigen Emitterbereich an der Vorderseite und demgegenüber hochdotierte Emitterbereiche an den Lochwänden und auf der Rückseite der EWT-Solarzelle zu erzeugen, sind typischerweise bei der Herstellung mehrere Hochtemperaturprozesse notwendig, bei denen die Emitterbereiche mit den der jeweiligen Bestimmung angepassten Dotierprofilen mit tels entsprechender Maskierungen erzeugt werden. Hierbei werden typischerweise mehrere Maskierungsschritte und bis zu drei Diffusionsschritte benötigt.
  • Zur Herstellung von Rückseitenkontaktzellen ohne Löcher und Verbindungsemitter ist es aus US 7,135,350 B1 bekannt, eine rückseitige Hochdotierung mittels einer Dotierschicht und eine demgegenüber geringere Dotierung an der Vorderseite mittels eines Diffusionsvorgangs aus der Gasphase in einem gemeinsamen Hochtemperaturschritt durchzuführen. Dieses Verfahren ist aufgrund des hohen Aspektverhältnisses der Löcher jedoch nicht auf EWT-Solarzellen übertragbar, da eine ausreichende Beschichtung mit einer Dotierschicht an den Lochwänden nicht oder nur mit hohem Aufwand erzielt werden kann.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer EWT-Solarzelle zu schaffen, bei dem Emitterbereiche mit unterschiedlichen Dotierkonzentrationen durch ein vereinfachtes Verfahren herstellbar sind. Weiterhin soll sich das Verfahren durch industrielle Anwendbarkeit auszeichnen.
  • Gelöst sind diese Aufgaben durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens befinden sich in den Ansprüchen 2 bis 16.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren dient somit zur Herstellung einer EWT-Solarzelle aus einem Halbleitersubstrat mit einer Vorder- und einer Rückseite. Das Halbleitersubstrat ist mit einem ersten Dotierungstyp dotiert und weist eine Mehrzahl von Ausnehmungen auf, welche sich jeweils von der Vorder- zu der Rückseite des Halbleitersubstrates erstrecken. Dies sind typischerweise die eingangs genannten in etwa zylinderförmigen Löcher. Ebenso liegen jedoch auch andere Ausgestaltungen der Ausnehmungen im Rahmen der Erfindung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst einen Verfahrensschritt A, indem zumindest folgende Emitterbereiche eines zweiten, zum ersten Dotierungstyp entgegengesetzten Dotierungstyps in dem Halbleitersubstrat erzeugt werden:
    Ein Vorderseitenemitter, welcher die Vorderseite des Halbleitersubstrates zumindest teilweise bedeckt, ein Rückseitenemitter, welcher die Rückseite des Halbleitersubstrates teilweise bedeckt und eine Mehrzahl von Verbindungsemittern, welche jeweils die Wand einer Ausnehmung zumindest teilweise bedecken, so dass der Vorderseitenemitter über die Verbindungsemitter elektrisch leitend mit dem Rückseitenemitter verbunden ist.
  • Dotierungstypen sind hierbei die n-Dotierung und die hierzu entgegengesetzte p-Dotierung. Zwischen den Emitterbereichen und den entgegengesetzt dotierten angrenzenden Bereichen des Halbleitersubstrates bilden sich somit pn-Übergänge aus.
  • Vorzugsweise überdeckt der Vorderseitenemitter die Vorderseite ganzflächig, ebenso liegt jedoch auch die teilweise Bedeckung der Vorderseite durch ein oder mehrere Vorderseitenemitter im Rahmen der Erfindung.
  • Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass lediglich ein Rückseitenemitter ausgebildet ist. Ebenso liegt auch die Ausbildung mehrerer an der Rückseite räumlich voneinander getrennter Rückseitenemitter im Rahmen der Erfindung. Wesentlich ist, dass jeder Rückseitenemitter über eine Mehrzahl von Verbindungsemittern mit einem Vorderseitenemitter elektrisch leitend verbunden ist.
  • In einem Verfahrensschritt B werden mindestens eine Basiskontaktierungsstruktur und mindestens eine Emitterkontaktierungsstruktur jeweils auf der Rückseite des Halbleitersubstrates, gegebenenfalls über weitere Zwischenschichten, aufgebracht. Die Basiskontaktierungsstruktur steht hierbei mit mindestens einem nicht durch Emitter bedeckten Bereich des Halbleitersubstrates und die Emitterkontaktierungsstruktur mit dem Rückseitenemitter elektrisch leitend in Verbindung. Über Basis- und Emitterkontaktierungsstruktur ist die EWT-Solarzelle somit mit einem externen Stromkreis oder weiteren Solarzellen elektrisch verbindbar.
  • Wesentlich ist, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vor Verfahrensschritt A eine Vorderseitenschichtstruktur auf die Vorderseite des Halbleitersubstrates aufgebracht wird. Die Vorderseitenschichtstruktur kann hierbei aus lediglich einer oder aus mehreren übereinander aufgebrachten Schichten bestehen.
  • Die Vorderseitenschichtstruktur umfasst mindestens eine den Durchtritt von Dotierstoffen hemmende Diffusionsbarrierenschicht welche keinen Dotierstoff des zweiten Dotierungstyps enthält und/oder mindestens eine den Dotierstoff des zweiten Dotierungstyps enthaltende Vorderseitendotierschicht.
  • Der Begriff „Diffusionsbarrierenschicht” bedeutet hierbei, dass bei einer Diffusion aus der Gasphase zwar Dotierstoffe durch die Diffusionsbarrierenschicht hindurch in das Halbleitersubstrat eindringen, jedoch in einem geringeren Umfang, als dies ohne Diffusionsbarrierenschicht der Fall wäre.
  • Wesentlich ist weiterhin, dass in Verfahrensschritt A eine Diffusion mittels mindestens eines Dotierstoffes des zweiten Dotierungstyps aus der Gasphase zur Erzeugung zumindest des Rückseitenemitters und der Verbindungsemitter durchgeführt wird und diese Diffusion aus der Gasphase und die Erzeugung des Vorderseitenemitters hierbei in situ in einem Diffusionsofen erfolgt, d. h. ohne dass als Zwischenschritt ein Ausschleusen aus der Prozesskammer des Diffusionsofens erfolgt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden somit zumindest Rückseitenemitter und die Verbindungsemitter mittels Diffusion aus der Gasphase erzeugt. Das Dotierprofil des Vorderseitenemitters ist hingegen zusätzlich durch die Ausgestaltung der auf die Vorderseite aufgebrachten Vorderseitenschichtstruktur wählbar. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, in situ in einem Diffusionsofen, d. h. ohne zwischengelagertes Ausschleusen des Halbleitersubstrates aus dem Diffusionsofen Rückseiten- und Verbindungsemitter sowie den demgegenüber geringer dotierten Vorderseitenemitter zu erzeugen. Dies vereinfacht die Prozessführung und führt somit zu einer Kostenverringerung des Herstellungsprozesses. Weiterhin werden aufgrund der Erzeugung der Verbindungsemitter mittels Diffusion aus der Gasphase Fehler durch eine unzulängliche Beschichtung einer Innenwand einer Ausnehmung somit ausgeschlossen.
  • Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Vorderseitenschichtstruktur sowohl eine Diffusionsbarrierenschicht, als auch eine Vorderseitendotierschicht umfasst.
  • Vorzugsweise wird jedoch entweder eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt, in der die Vorderseitenschichtstruktur mindestens eine Diffusionsbarrierenschicht, jedoch keine Vorderseitendotierschicht umfasst. In dieser Ausgestaltung erfolgt die Diffusion des Vorderseitenemitters somit mittels Dotierstoffen, welche die Diffusionsbarrierenschicht durchdringen und das Halbleitersubstrat an der Vorderseite dotieren.
  • Die niedrigere Dotierung des Vorderseitenemitters wird somit dadurch erzielt, dass die Diffusionsbarrierenschicht das Eindringen von Dotierstoffen in die Vorderseite des Halbleitersubstrates hemmt, jedoch nicht vollständig unterbindet. Hierdurch entsteht ein gegenüber dem Rückseitenemitter und den Verbindungsemittern geringer dotierter Vorderseitenemitter.
  • Oder die Vorderseitenschichtstruktur umfasst in einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Vorderseitendotierschicht und es wird ein Eindringen von Dotierstoffen aus der Gasphase durch die Vorderseitenschichtstruktur in das Halbleitersubstrat völlig oder im Wesentlichen unterbunden. In dieser Ausgestaltung erfolgt die Diffusion des Vorderseitenemitters somit ausschließlich oder im Wesentlichen aufgrund der in der Vorderseitendotierschicht enthaltenen Dotierstoffe. Das Unterbinden des Durchdringens der Vorderseitenschichtstruktur von Dotierstoffen aus der Gasphase erfolgt vorzugsweise derart, dass die Vorderseitenschichtstruktur mindestens eine auf die Vorderseitendotierschicht, gegebenenfalls über weitere Zwischenschichten, aufgebrachte, den Durchtritt von Dotierstoffen aus der Gasphase unterbindende Diffusionssperrschicht umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann die Zusammensetzung und Dicke der Vorderseitendotierschicht auch derart gewählt werden, dass die Vorderseitendotierschicht selbst eine Diffusionssperrschicht für die Dotanten aus der Gasphase ist.
  • Bei dieser Variante wird das Dotierprofil des Vorderseitenemitters im Wesentlichen durch die Wahl der Vorderseitendotierschicht vorgegeben, so dass auch hier die Dotierprofile von Rückseitenemitter und den Verbindungsemittern einerseits und des Vorderseitenemitters andererseits im Wesentlichen unabhängig voneinander vorgebbar sind und ein gegenüber dem Rückseitenemitter und den Verbindungsemittern geringer dotierter Vorderseitenemitter erzeugt wird.
  • Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von EWT-Solarzellen aus einem Silizium-Halbleitersubstrat verwendet, insbesondere ein p-dotiertes Silizium-Halbleitersubstrat. Ebenso liegt jedoch die Herstellung von EWT-Solarzellen aus anderen Halbleitersubstraten im Rahmen dieser Erfindung.
  • Die Vorderseitenschichtstruktur wird vorzugsweise mittels CVD (Chemical Vapour Deposition) aufgebracht, insbesondere vorzugsweise mittels PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition). Diese Verfahren finden bei der Herstellung von Solarzellen bereits vielfältige Anwendung (wie beispielsweise in A. G. Aberle, "Crystalline silicon solar cells: advanced surface passivation and analysis of crystalline silicon solar cells" Sydney, Australia, 1999 beschrieben), so dass auf vorbekannte Prozessschritte und Apparaturen zurückgegriffen werden kann.
  • Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass zur Erzeugung eines vorteilhaften niedrig dotieren Vorderseitenemitters die Schichten der Vorderseitenschichtstruktur, insbesondere die Vorderseitendotierschicht oder die Diffusionsbarrierenschicht Dicken im Bereich zwischen 20 nm bis 100 nm aufweisen.
  • Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der zweiten Variante ausgebildet, bei der die Vorderseitenschichtstruktur mindestens eine Vorderseitendotierschicht und eine gegebenenfalls über weitere Zwischenschichten darüber aufgebrachte Diffusionssperrschicht umfasst. Die Dotierquelle auf der Vorderseite ist somit derart beschaffen, dass sich bei gleichem Temperatur-Zeit-Profil für den Diffusionsprozess ein Dotierprofil auf der Vorderseite ausbildet, das sich von dem Dotierprofil der Rückseite und den Wänden der Ausnehmungen unterscheidet.
  • Vorzugsweise sind der Dotierstoffgehalt der Vorderseitendotierschicht und die Prozessbedingungen bei der Diffusion aus der Gasphase in den Diffusionsofen derart gewählt, dass eine Verarmung des Dotierstoffes der Vorderseitendotierschicht erzielt wird.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Vorderseitendotierschicht eine so genannte „endliche Quelle” für die Dotierung der Vorderseite darstellt. Die Dotierkonzentration des Vorderseitenemitters ist somit im Wesentlichen durch den Dotierstoffgehalt der Vorderseitendotierschicht vorgegeben und näherungsweise unabhängig von der Prozessdauer bei der Diffusion aus der Gasphase. Die Diffusion aus der Gasphase stellt hingegen ausreichend Dotierstoff zur Verfügung, so dass bezüglich des Rückseitenemitters und des Verbindungsemitters eine im Wesentlichen „unendliche Quelle” vorliegt.
  • Die zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens weist somit den Vorteil einer besonders starken Entkopplung der Erzeugung des Vorderseitenemitters einerseits und des Rückseitenemitters und der Verbindungsemitter andererseits auf, insbesondere unter Verwendung lediglich eines Hochtemperaturschrittes.
  • Hochtemperaturschritt bedeutet hierbei ein Prozessschritt bei einer Temperatur größer 660°C, vorzugsweise größer 800°C.
  • Hierbei ist insbesondere die Herstellung einer p-Typ EWT-Solarzelle vorteilhaft, d. h. dass der erste Dotierungstyp eine p-Dotierung und der zweite Dotierungstyp eine n-Dotierung ist. Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass sich insbesondere eine mit Phosphor dotierte Siliziumoxidschicht als Vorderseitendotierschicht eignet sowie eine dotierstofffreie Siliziumoxidschicht als Diffusionssperrschicht. Siliziumoxidschichten werden bei der Herstellung von Solarzellen häufig für unterschiedliche Verwendungszwecke aufgebracht, so dass auch hier auf bekannte Verfahren und Prozessapparaturen zurückgegriffen werden kann. Der Begriff Siliziumoxidschicht umfasst hierbei Schichten, die neben Silizium und Sauerstoff auch weitere Stoffe enthalten können. Wesentlich ist jedoch, dass die Vorderseitendotierschicht Phosphor enthält und die Diffusionssperrschicht keinen Dotierstoff, insbesondere keinen Phosphor ent hält.
  • In einer vorzugsweisen Ausführungsform werden Vorderseitendotierschicht und Diffusionssperrschicht mittels PECVD abgeschieden und als Precursorflüssigkeit wird TEOS (Tetraethylorthosilicat) verwendet oder es wird das Gas Silan als Oxidquelle verwendet. Weiterhin ist die Verwednung des Gases Monophosphan (Phosphin) als gasförmige Phosphorquelle vorteilhaft. Bei Verwendung von TEOS ist ebenso die Kombination mit der unten aufgeführten Precursorflüssigkeit TMPi vorteilhaft, um eine weniger gefährliche Prozessführung zu ermöglichen.
  • Der Begriff „Precursorflüssigkeit” bezeichnet hierbei eine Flüssigkeit, durch die ein Trägergas, vorzugsweise Argon, geleitet wird. Vorzugsweise erfolgt dies mittels Durchleiten des Trägergases durch die Precursorflüssigkeit in einer gekühlten Verdampfereinheit.
  • Hierbei ist eine besonders einfache Prozessführung dadurch möglich, dass Vorderseitendotierschicht und Diffusionssperrschicht mittels PECVD abgeschieden werden, wobei für die Vorderseitendotierschicht als Precursorflüssigkeit Tetramethyltetracyclotetrasyloxan (TMCTS, C4H16Si4O4) und für die Diffusionssperrschicht als Precursorflüssigkeit Trimethyphosphit (TMPi, P(OCH3)3 verwendet wird. Diese genannten Precursorflüssigkeiten weisen den Vorteil auf, dass die Verwendung von Flüssigkeiten einfacher steuerbar und damit weniger gefährlich als die übliche Verwendung von Silan- oder Phosphingas ist.
  • Ebenso liegt die Verwendung anderer vorbekannter Abscheidetechnologien zur Aufbringung der Schichten an der Vorderseite, wie z. B. APCVD (J. L. Vossen and W. Kern, "Thin Film Processes", Academic Press, San Diego, CA, USA, 1978) und anderer Precursorflüssigkeiten, wie z. B. TEOS (Tetraethylen-Oxisilan: Si(OC2H5)4) im Rahmen der Erfindung. Auch liegt das Aufbringen der vorderseitigen Vorderseitendotierschicht mittels Spin-On Dotierquellen (beispielsweise wie in US 4514440 beschrieben) oder das Aufbringen der Vorderseitendotierschicht mittels Siebdruck (beispielsweise wie in US 4104091 beschrieben) im Rahmen der Erfindung.
  • Vorzugsweise besteht die vorderseitige Vorderseitendotierschicht vorzugsweise zu 8% bis 10% aus Phosphor, zu 5% bis 10% aus Kohlenstoff, zu 60% bis 65% aus Sauerstoff und zu 15% bis 20% aus Silizium. Alternativ oder zusätzlich besteht die Diffusionssperrschicht vorteilhafterweise zu 5% bis 10% aus Kohlenstoff, zu 60% bis 65% aus Sauerstoff und zu 25% bis 35% aus Silizium. Die vorgenannten Zusammensetzungen weisen den Vorteil auf, dass die Schichten nur einen geringen Anteil an Kohlenstoff und Silizium besitzen, so dass einerseits Defekte im Halbleitersubstrat durch Kohlenstoff vermieden werden und andererseits die Ätzbarkeit der Schichten mittels Flusssäure (HF) nicht wesentlich durch Kohlenstoff oder Silizium verringert wird.
  • Untersuchungen des Anmelders haben gezeigt, dass für EWT-Solarzellen aus Silizium vorteilhafte Vorderseitenemitter erzeugt werden, wenn die Vorderseitendotierschicht eine Dicke kleiner 50 nm aufweist. Schichtdicken kleiner 50 nm weisen den Vorteil auf, dass während der Diffusion des Vorderseitenemitters aus der Vorderseitendotierschicht aufgrund der geringen Dicke eine Verarmung des Dotierstoffes auftritt und somit ein niedrig dotierter Vorderseitenemitter erzeugt wird. Alternativ und/oder zusätzlich kann der Dotierstoffgehalt in der Vorderseitendotierschicht derart gewählt werden, dass während der Diffusion eine Verarmung auftritt. Insbesondere ist eine Kombination der zuvor genannten vorteilhaften Zusammensetzung der Vorderseitendotierschicht mit einer Schichtdicke kleiner 50 nm zur Erzielung der Verarmung vorteilhaft.
  • Vorzugsweise wird bei den zuvor genannten vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens der Diffusionsprozess aus der Gasphase in einem Diffusionsofen bei einer Temperatur im Bereich von 820°C bis 910°C, vorzugsweise bei 850°C ausgeführt, wobei zunächst für etwa eine Zeitdauer im Bereich von 10 Minuten bis 40 Minuten, vorzugsweise für 20 Minuten die Diffusion in einer POCl3-Atmosphäre und anschließend für etwa eine Zeitdauer im Bereich von 10 Minuten bis 40 Minuten, vorzugsweise für etwa 25 Minuten die Diffusion in Stickstoffatmosphäre erfolgt.
  • Bei der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der ersten Variante ist es vorteilhaft, dass die Diffusionsbarrierenschicht eine Siliziumdioxidschicht ist. Wie bereits erwähnt, ist das Aufbringen von Siliziumdioxid schichten bei verschiedenen Solarzellenherstellungsprozessen bekannt, so dass auf bekannte Parameter und Apparaturen zurückgegriffen werden kann. Die als Diffusionsbarrierenschicht ausgebildete Siliziumoxidschicht beträgt vorzugsweise zwischen 50 nm und 200 nm.
  • Bei der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorteilhafterweise wird die Diffusionsbarrierenschicht mittels PECVD aufgebracht, wobei Silan (SiH4) als Precursorgas verwendet wird und die Diffusionsbarrierenschicht einen Brechungsindex von 1,46 bei 632 nm aufweist. Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass eine Diffusionsbarrierenschicht mit der zuvor genannten Eigenschaft bei der Herstellung einer EWT-Solarzelle aus einem Siliziumhalbleitersubstrat eine optimale hemmende Wirkung des Durchtritts von Dotierstoffen aufweist, so dass einerseits bei Durchführung der Diffusion aus der Gasphase ausreichend hochdotierte Verbindungsemitter und Rückseitenemitter erzeugt werden und andererseits ein demgegenüber niedriger dotierter Vorderseitenemitter mit optimalem Dotierprofil erzeugt wird.
  • Über die Dicke der Diffusionsbarrierenschicht kann hierbei die Dotierkonzentration des Vorderseitenemitters gewählt werden: eine größere Dicke führt zu einer größeren Hemmung des Durchtritts von Dotierstoffen und demgegenüber zu einem niedriger dotierten Vorderseitenemitter. Vorzugsweise liegt die Dicke der Diffusionsbarrierenschicht bei mittels PECVD aufgebrachter Schichten zwischen 10 nm und 100 nm, vorteilhafterweise zwischen 27 nm und 35 nm.
  • Bei beiden Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft, dass vor Verfahrensschritt A und vor Aufbringen der Vorderseitenschichtstruktur die Ausnehmungen in der Halbleiterstruktur erzeugt werden, wobei die Ausnehmungen keine zylindrische Form aufweisen, sondern an der Vorderseite des Halbleitersubstrates eine kleinere Öffnungsfläche besitzen als an der Rückseite des Halbleitersubstrates.
  • Die Wahl derjenigen Seite des Halbleitersubstrates als Vorderseite, welche die kleinere Fläche der Ausnehmungen aufweist, weist den Vorteil des geringeren Risikos auf, dass eine oder mehrere Schichten der Vorderseitenschichtstruktur in die Ausnehmungen eintreten.
  • Werden beispielsweise die Ausnehmungen mittels Aufschmelzen und/oder Verdampfen des Halbleitersubstrates durch einen Laserstrahl erzeugt, so werden die Ausnehmungen vorzugsweise derart erzeugt, dass eine in etwa konische Form aufweisen. Vorteilhafterweise wird anschließend die Seite mit den geringeren Öffnungsflächen der Ausnehmungen als Vorderseite für den weiteren Herstellungsprozess der EWT-Solarzelle verwendet. Die für die Herstellung von EWT-Solarzellen typischerweise verwendeten Siliziumwafer weisen Dicken im Bereich 50 μm bis 250 μm auf. Die erzeugten Ausnehmungen weisen typischerweise Radien an der Vorderseite im Bereich zwischen 10 μm und 50 μm, an der Rückseite im Bereich zwischen 20 μm und 100 μm auf. Der Abstand zwischen zwei Ausnehmungen liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 100 μm und 1000 μm.
  • Die Erzeugung von konischen Ausnehmungen in einem Siliziumsubstrat mittels Laser ist an sich bekannt und beispielsweise in N. Mingirulli, S. Trittler, M. Bui, A. Grohe, D. Biro, R. Preu, and S. W. Glunz, "Passivation of laser-drilled via holes for emitter-wrap-through-cells," Proceedings of the 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference (Valencia, Spain), pp. 996–999, 2008, beschrieben.
  • Bei beiden Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei Aufbringen der Vorderseitenschichtstruktur vorzugsweise das Halbleitersubstrat auf ein Auflagehalbleitersubstrat ohne Ausnehmungen aufgelegt. Die Rückseite des Halbleitersubstrates liegt somit ganzflächig plan auf dem Auflagehalbleitersubstrat auf. Darüber hinaus wird hierdurch vermieden, dass unerwünschte Stoffe, insbesondere durch Plasma dissoziierte, schichtbildende Recktanten, während des Aufbringens der Vorderseitenschichtstruktur durch die Löcher hindurch treten. Es wird hierdurch somit das Risiko zusätzlich verringert, dass eine oder mehrere Schichten der Vorderseitenschichtstruktur in die Ausnehmungen eintreten.
  • Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Emitter weisen vorzugsweise folgende Schichtwiderstände und/oder Dotierkonzentrationen an der Oberfläche des Halbleitersubstrates auf:
    • – Der Vorderseitenemitter einen Schichtwiderstand zwischen 50 Ω/☐ und 200 Ω/☐ und/oder eine Oberflächendotierkonzentration zwischen 1 × 1019 cm–3 und 5 × 1020 cm–3, und/oder
    • – der Rückseitenemitter einen Schichtwiderstand zwischen 5 Ω/☐ und 50 Ω/☐ und/oder eine Oberflächendotierkonzentration zwischen 1 × 1020 cm–3 und 1 × 1021 cm–3, und/oder
    • – die Mehrzahl von Verbindungsemittern einen Schichtwiderstand zwischen 5 Ω/☐ und 50 Ω/☐ und/oder eine Oberflächendotierkonzentration zwischen 1 × 1020 cm–3 und 1 × 1021 cm–3.
  • Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der zweiten Variante und
  • 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der ersten Variante.
  • Die 1 und 2 zeigen jeweils Teilquerschnitte durch ein Halbleitersubstrat in schematischer Darstellung bei unterschiedlichen Stadien des Herstellungsverfahrens. Dargestellt ist jeweils ein als monokristalliner Siliziumwafer ausgebildetes Halbleitersubstrat 1, welches von in etwa zylindrischen Ausnehmungen 2, 2', 2'' durchdrungen ist, wobei die Zylinderachsen senkrecht zu einer Vorderseite 1a des Halbleitersubstrates 1 stehen.
  • Das Halbleitersubstrat 1 ist homogen p-dotiert.
  • Wie in den 1a und 2a dargestellt, werden bei beiden Varianten zunächst Maskierungsschichten 3 auf eine Rückseite 1b des Halbleitersubstrates 1 aufgebracht. Die Maskierungsschicht 3 definiert die Bereiche, in denen die Rückseite 1b nicht durch einen Rückseitenemitter bedeckt werden wird.
  • In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt:
    Als nächster Verfahrensschritt wird eine Vorderseitenschichtstruktur auf die Vorderseite 1a des Halbleitersubstrates 1 aufgebracht, welche aus einer Vorderseitendotierschicht 4 besteht, die als Phosphor enthaltende Siliziumoxidschicht ausgebildet ist. Auf die Vorderseitendotierschicht 4 wird eine Diffusionssperrschicht 5 aufgetragen, welche als dotierstofffreie Siliziumoxidschicht ausgebildet ist. Vorderseitendotierschicht 4 und Diffusionssperrschicht 5 werden jeweils ganzflächig auf die Vorderseite 1 des Halbleitersubstrates aufgetragen. Beide Schichten werden mittels PECVD abgeschieden, wobei bei der Vorderseitendotierschicht 4 TMCTS und TMPi als Precursorflüssigkeiten und bei der Diffusionssperrschicht 5 TMCTS als Precursorflüssigkeit verwendet wird. Zur Herstellung von Vorderseitendotierschicht 4 werden etwa 180 sccm Sauerstoff, 20 sccm TMCTS-gesättigtes Argon und 5 sccm TMPi-gesättigtes Argon in die Prozesskammer eingeleitet.
  • Zur Herstellung der Diffusionssperrschicht 5 wird ebenfalls die Precursorflüssigkeit TMCS verwendet und die Prozessbedingung unterscheidet sich von der zuvor genannten im Wesentlichen dadurch, dass der Phosphoranteil auf 0% reduziert wird.
  • Die sich ergebende Schichtstruktur ist in 1b dargestellt.
  • Anschließend wird mittels Diffusion von Phosphor aus der Gasphase durch Einbringen von Phosphoroxychlorid als Diffusionsstoffquelle der Diffusionsprozess bei 850°C für 20 Minuten unter POCl3-Atmosphäre und anschließend für 25 Minuten in Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Hierbei erfolgt einerseits die Diffusion des in der Vorderseitendotierschicht 4 enthaltenen Phosphors in das Halbleitersubstrat 1, so dass sich ein Vorderseitenemitter 6 ausbildet. Ebenso erfolgt mittels Diffusion aus der Gasphase die Ausbildung von Verbindungsemittern 7, 7', 7'' an den Wänden der Ausnehmungen 2, 2', 2'' sowie die Aus bildung von Rückseitenemittern 8, 8', 8'', welche über die Verbindungsemitter 7, 7', 7'' mit dem Vorderseitenemitter 6 elektrisch leitend verbunden sind. Zusätzlich werden bei diesem Ausführungsbeispiel auch Rückseitenemitterbereiche 8a erzeugt. Diese entstehen aufgrund von Öffnungen der Maskierungsschicht 3, welche zu späteren Kontaktierung des Halbleitersubstrates mittels einer Metallisierungsstruktur dienen. Bei dieser Kontaktierung wird der Emitterbereich 8a überkompensiert, so dass nach Kontaktierung ein Bereich des ersten Dotierungstyps vorliegt, d. h. ein p-dotierter Basisbereich.
  • Bei der Diffusion aus der Gasphase bildet sich so genanntes Phosphorglas auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates in den Bereichen der Verbindungsemitter und Rückseitenemitter ab.
  • Dieser Verfahrensstand ist in 1c dargestellt.
  • Anschließend wird die Vorderseitenschichtstruktur und das Phosphorglas durch folgenden Prozessschritt entfernt: Während einer Zeitdauer von 1 Minute erfolgte ein Abätzen mittels 10%iger Flusssäure (HF). Alternativ kann auch während einer Zeitdauer von 30 s ein Ätzen mittels 6%iger Flusssäure zusammen mit 4%igem Ammoniumflourid erfolgen. Das Ergebnis ist in 1d dargestellt.
  • Anschließend erfolgt die Aufbringung einer metallischen Basiskontaktierungsstruktur sowie einer metallischen Emitterkontaktierungsstruktur auf die Rückseite 1b des Halbleitersubstrates 1 (nicht dargestellt).
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei stellt 2a die gleiche Ausgangssituation dar, wie bereits zu 1a beschrieben.
  • Anschließend wird eine Diffusionsbarrierenschicht 9 ganzflächig auf die Vorderseite 1a des Halbleitersubstrates 1 aufgebracht, wobei die Diffusionsbarrierenschicht 9 als Siliziumdioxidschicht ausgebildet ist. Die Diffusionsbarrierenschicht 9 wurde ebenfalls mittels PECVD abgeschieden, wobei Silan als Precursorgas verwendet wurde. Die Prozessparameter wurden derart gewählt, dass die Schicht einen Brechungsindex von 1,46 bei 632 nm aufweist. Die Schichtdicke der Diffusionsbarrierenschicht beträgt etwa 30 nm.
  • Anschließend wird wie bereits bei 1c beschrieben, eine Diffusion aus der Gasphase durchgeführt. Im Unterschied zu 1 erfolgt hierbei die Dotierung des Vorderseitenemitters 6 jedoch ebenfalls aus der Gasphase, wobei der eintritt von Dotierstoff in das Halbleitersubstrat 1 an der Vorderseite 1a jedoch durch die Diffusionsbarrierenschicht 9 gehemmt wird.
  • Im Ergebnis werden bei der Gasphasendiffusion hochdotierte Rückseitenemitterbereiche 8, 8', 8'' und Verbindungsemitterbereiche 7, 7', 7'' erzeugt, wohingegen der Vorderseitenemitter 6 aufgrund der diffusionshemmenden Wirkung der Diffusionsbarrierenschicht 9 demgegenüber geringer dotiert ist.
  • Auch hierbei setzt sich Phosphorglas auf den Oberflächen ab, wie in 2a dargestellt.
  • Analog zu dem bei 1d beschriebenen Prozessschritt, wird auch bei dieser Variante anschließend die Vorderseitenschichtstruktur und das Phosphorglas entfernt, so dass sich ein Ergebnis gemäß 2d analog zu 1d ergibt, wobei die Ausprägung der Dotierprofile des Vorderseitenemitter aufgrund der unterschiedlichen Erzeugungsarten zwischen den beiden Varianten variiert. In beiden Fällen ist der Vorderseitenemitter jedoch geringer dotiert, verglichen mit Rückseiten- und Verbindungsemitter.
  • Die Emitterdiffusionen in beiden Ausführungsbeispielen wurden in einem Rohrdiffusionsofen durchgeführt. Wesentlich ist, dass die Erzeugung sämtlicher Emitterbereiche in situ erfolgt, d. h. ohne dass Halbleitersubstrat aus dem Ofen aus- und wieder eingeschleust werden muss.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • - A. G. Aberle, ”Crystalline silicon solar cells: advanced surface passivation and analysis of crystalline silicon solar cells” Sydney, Australia, 1999 [0029]
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    • - N. Mingirulli, S. Trittler, M. Bui, A. Grohe, D. Biro, R. Preu, and S. W. Glunz, ”Passivation of laser-drilled via holes for emitter-wrap-through-cells,” Proceedings of the 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference (Valencia, Spain), pp. 996–999, 2008 [0050]

Claims (16)

  1. Verfahren zur Herstellung einer EWT-Solarzelle aus einem Halbleitersubstrat (1) eines ersten Dotierungstyps mit einer Vorder- und einer Rückseite (1a, 1b) und einer Mehrzahl von Ausnehmungen (2, 2', 2''), welche sich jeweils von der Vorder- zu der Rückseite des Halbleitersubstrates erstrecken, folgende Verfahrensschritte umfassend: A Erzeugen zumindest folgender Emitterbereiche eines zweiten, zum ersten Dotierungstyp entgegengesetzten Dotierungstyps in dem Halbleitersubstrat (1): – ein Vorderseitenemitter (6), welcher die Vorderseite (1a) des Halbleitersubstrates zumindest teilweise bedeckt, – ein Rückseitenemitter (8, 8', 8''), welcher die Rückseite (1b) des Halbleitersubstrates teilweise bedeckt und – eine Mehrzahl von Verbindungsemittern (7, 7', 7''), welche jeweils die Wand einer Ausnehmung (2, 2', 2'') zumindest teilweise bedecken, sodass der Vorderseitenemitter über die Verbindungsemitter elektrisch leitend mit dem Rückseitenemitter verbunden ist, wobei die Emitterbereiche jeweils einen pn-Übergang zu dem Halbleitersubstrat (1) ausbilden, B Aufbringen mindestens einer Basiskontaktierungsstruktur und mindestens einer Emitterkontaktierungsstruktur jeweils auf die Rückseite des Halbleitersubstrates, gegebenenfalls nach Aufbringen weiterer Zwischenschichten, wobei die Basiskontaktierungsstruktur mit mindestens einem nicht durch Emitter bedeckten Bereich des Halbleitersubstrates und die Emitterkontaktierungsstruktur mit dem Rückseitenemitter elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass vor Verfahrensschritt A eine Vorderseitenschichtstruktur auf die Vorderseite des Halbleitersubstrates aufgebracht wird, wobei die Vorderseitenschichtstruktur mindestens eine den Durchtritt von Dotierstoffen hemmende Diffusionsbarrierenschicht (9), welche keinen Dotierstoff des zweiten Dotierungstyps enthält und/oder mindestens eine den Dotierstoff des zweiten Dotierungstyps enthaltende Vorderseitendotierschicht (4) umfasst und dass in Verfahrenschritt A eine Diffusion mittels mindestens eines Dotierstoffes des zweiten Dotierungstyps aus der Gasphase zur Erzeugung zumindest des Rückseitenemitters (8, 8', 8'') und der Mehrzahl von Verbindungsemittern (7, 7', 7'') durchgeführt wird, wobei diese Diffusion aus der Gasphase und die Erzeugung des Vorderseitenemitters (6) in situ in einem Diffusionsofen ausgeführt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine, vorzugsweise alle Schichten der Vorderseitenschichtstruktur mittels Chemical Vapour Depostion (CVD), vorzugsweise mittels Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) aufgebracht wird.
  3. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten der Vorderseitenschichtstruktur Dicken im Bereich 20 nm bis 100 nm aufweisen.
  4. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseitenschichtstruktur mindestens eine den Dotierstoff des zweiten Dotierungstyps enthaltende Vorderseitendotierschicht (4) und mindestens eine auf die Vorderseitendotierschicht, gegebenenfalls über weitere Zwischenschichten, aufgebrachte, den Durchtritt von Dotierstoffen unterbindende Diffusionssperrschicht (5) umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dotierungstyp eine p-Dotierung und der zweite Dotierungstyp eine n-Dotierung ist, dass die Vorderseitendotierschicht (4) eine mit Phosphor dotierte Siliziumoxidschicht und die Diffusionssperrschicht (5) eine dotierstofffreie Siliziumoxidschicht ist.
  6. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierstoffgehalt der Vorderseitendotierschicht (4) und die Prozessbedingungen bei der Diffusion aus der Gasphase in dem Diffusionsofen derart gewählt sind, dass während der Diffusion aus der Gasphase zur Erzeugung des Rückseitenemitters (8, 8', 8'') und der Verbindungsemitter (7, 7', 7'') eine Verarmung des Dotierstoffes der Vorderseitendotierschicht erzielt wird.
  7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseitendotierschicht (4) und Diffusionssperrschicht (5) mittels PECVD abgeschieden werden, wobei für die Vorderseitendotierschicht als Precursorflüssigkeiten Tetramethyltetracyclotetrasyloxan (TMCTS) und Trimethylphosphit (TMPi) und für die Diffusionssperrschicht Tetramethyltetracyclotetrasyloxan (TMCTS) verwendet wird.
  8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseitendotierschicht (4) zu 8% bis 10% aus Phosphor, zu 5% bis 10% aus Kohlenstoff, zu 60% bis 65% aus Sauerstoff und zu 15% bis 20% aus Silizium besteht.
  9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (5) zu 5% bis 10% aus Kohlenstoff, zu 60% bis 65% aus Sauerstoff und zu 25% bis 35% aus Silizium besteht.
  10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseitendotierschicht (4) mit einer Dicke kleiner 50 nm erzeugt wird.
  11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusionsprozess aus der Gasphase in dem Diffusionsofen bei einer Temperatur von etwa 850°C ausgeführt wird, wobei zunächst für etwa 20 Minuten die Diffusion in POCl3-Atmosphäre und anschließend für etwa 25 Minuten die Diffusion in Stickstoffatmosphäre erfolgt.
  12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarrierenschicht (9) eine Siliziumdioxidschicht ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarrierenschicht (9) mittels PECVD aufgebracht wird, wobei Silan (SiH4) als Precursorgas verwendet wird und die Diffusionsbarrierenschicht einen Brechungsindex von 1.46 bei 632 nm aufweist.
  14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarrierenschicht (9) eine Dicke zwischen 27 nm und 35 nm aufweist.
  15. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor Verfahrensschritt A und vor Aufbringen der Vorderseitenschicht struktur die Ausnehmungen (2, 2', 2'') in der Halbleiterstruktur erzeugt werden, wobei die Ausnehmungen an der Vorderseite (1a) des Halbleitersubstrates eine kleinere Fläche aufweisen als an der Rückseite (1b).
  16. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (1) bei Aufbringen der Vorderseitenschichtstruktur auf ein Auflagehalbleitersubstrat (1) ohne Ausnehmungen aufgelegt wird, so dass die Rückseite des Halbleitersubstrates ganzflächig plan auf dem Auflagehalbleitersubstrat (1) aufliegt.
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