DE102009053543A1

DE102009053543A1 - Verfahren zur Behandlung einer Halbleiterstruktur

Info

Publication number: DE102009053543A1
Application number: DE102009053543A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dipl.-Phys. Kwapil; Markus Dr. Glatthaar; Stefan Dr. Rein; Daniel Dr. Biro
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2011-05-19
Also published as: WO2011060895A2; WO2011060895A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung einer Halbleiterstruktur, welche eine Solarzelle oder eine Vorstufe einer Solarzelle ist und mindestens einen Emitter aufweist, wobei der Emitter mittels eines Dotierstoffes in der Halbleiterstruktur erzeugt ist und eine Messseite (1) der Halbleiterstruktur zumindest teilweise bedeckt, folgende Verfahrensschritte umfassend: A Bestimmung mindestens eines Hochkrümmungsbereiches an der Messseite (1) der Halbleiterstruktur, welcher sich durch einen geringen Krümmungsradius zumindest in einer Dimension auszeichnet, B Eintreiben des bereits an dem Hochkrümmungsbereich (2) in der Halbleiterstruktur vorhandenen Dotierstoffes zur Erhöhung der Emittertiefe an dem Hochkrümmungsbereich (2) und/oder Hinzufügen zusätzlichen Dotierstoffes zur Erhöhung der Emittertiefe an dem Hochkrümmungsbereich (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung einer Halbleiterstruktur, welche eine Solarzelle oder eine Vorstufe einer Solarzelle ist und in fertig gestelltem Zustand mindestens einen Emitter aufweist, wobei der Emitter mittels eines Dotierstoffes in der Halbleiterstruktur erzeugt ist und eine Messseite der Halbleiterstruktur zumindest teilweise bedeckt.
Zur Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energien werden Halbleitersolarzellen typischerweise in Solarmodulen verschaltet. Hierbei werden mehrere Solarzellen in Reihe geschaltet, da typischerweise eine einzelne Solarzelle am optimalen Arbeitspunkt einen hohen Stromfluss bei vergleichsweise niedriger Spannung liefert. Die Reihenschaltung weist den Nachteil auf, dass bei Abschattung einer oder mehrerer Solarzellen in diesem Verbund, beispielsweise durch Laub, Schnee oder sonstige Objekte, wie beispielsweise Schattenwurf durch Schornsteine, an der oder den abgeschatteten Solarzellen die komplette Spannung der übrigen in Reihe geschalteten Solarzellen in Sperrrichtung anliegt.
Unter optimalen Bedingungen sperrt die abgeschattete Solarzelle aufgrund Ihrer Diodeneigenschaft, so dass kein oder nur ein geringer Strom in Sperrrichtung fließt.
Bei industriell hergestellten Solarzellen, insbesondere bei Solarzellen aus multikristallinem Silizium kann die Belastung einer Solarzelle in Sperrrichtung jedoch dazu führen, dass in dem pn-Übergang dieser abgeschatteten Solarzelle ein Diodendurchbruch stattfindet, d. h. ein erheblicher Stromfluss in Sperrrichtung erfolgt.
In ungünstigen Fällen erfolgt dieser Diodendurchbruch in einem räumlich eng begrenzten Bereich, so dass der in Sperrrichtung fließende Strom durch eine geringe Fläche des pn-Übergangs hindurchfließt und hierdurch eine starke lokale Erhitzung der abgeschatteten Solarzelle erfolgt, so genannte Hot Spots. Solche Hot Spots können die Einlaminierung der Solarzelle im Modul beeinträchtigen; im schlimmsten Fall nimmt das Modul dauerhaft Schaden und ist nicht mehr zur Umwandlung des Sonnenlichts in elektrische Energie geeignet.
Um diese ungünstigen Effekte bei Teilabschattung auszuschließen, werden bisher bei der Herstellung einer Solarzelle solche Solarzellen ausgesondert, deren Sperrstrom, d. h. Stromfluss bei Anliegen einer Spannung in Sperrrichtung einen vorgegebenen Wert überschreitet. Dies führt somit zu Ausschuss und verringert die Produktionseffizienz einer Herstellungslinie.
Zusätzlich werden typischerweise bei Verschaltung der Solarzellen in einem Modul so genannte Bypass-Dioden parallel zu einer Reihenschaltung von Solarzellen verschaltet, so dass ein Diodendurchbruch verhindert wird. Dies führt dazu, dass die komplette Reihenschaltung ausfallen kann, wenn lediglich eine einzige Solarzelle abgeschattet wird, wodurch bereits durch eine geringfügige Abschattung die Leistung des gesamten Solarzellenmoduls und damit der Wirkungsgrad deutlich reduziert wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die zuvor genannten negativen Effekte aufgrund von Hot Spots zu vermeiden bzw. den Wirkungsgrad von Solarzellenmodulen bei Teilabschattung zu erhöhen.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 15. Gelöst ist diese Aufgabe weiterhin durch eine Solarzelle gemäß Anspruch 16.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Behandlung einer Halbleiterstruktur, welche eine Solarzelle oder einer Vorstufe einer Solarzelle ist. Die Solarzelle weist in fertig gestelltem Zustand mindestens einen Emitter auf, welcher mittels eines Dotierstoffes in der Halbleiterstruktur erzeugt ist und eine Messseite der Halbleiterstruktur zumindest teilweise bedeckt.
Typischerweise ist der Emitter bei Halbleitersolarzellen an der zur Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung ausgelegten Vorderseite angeordnet und bedeckt diese ganzflächig. Ebenso ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auf Solarzellen bzw. deren Vorstufen anwendbar, die Emitter an Rück- und/oder Vorderseite und/oder mehrere Emitter aufweisen. Bei Solarzellen, bei denen Vorder- und Rückseite zumindest teilweise mit einem Emitter bedeckt sind, ist das erfindungsgemäße Verfahren wahlweise auf beiden Seiten anwendbar, so dass in diesem Fall die Messseite sowohl Vorder- als auch Rückseite der Halbleiterstruktur ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis der Anmelderin zugrunde, dass lokal begrenzte Diodendurchbrüche häufig an von einem Emitter bedeckten Oberflächenbereichen einer Halbleiterstruktur auftreten, welche einen geringen Krümmungsradius aufweisen, so genannte Hochkrümmungsbereiche. An diesen Hochkrümmungsbereichen folgt der Verlauf des Emitters und damit auch des pn-Übergangs dem geringen Krümmungsradius, so dass bei Beaufschlagen der Solarzelle mit Spannung in Sperrrichtung an dem Hochkrümmungsbereich lokale Feldspitzen des entstehenden elektrischen Feldes auftreten, welche Diodendurchbrüche begünstigen. Solche lokale Feldspitzen können jedoch vermieden werden, wenn in dem Hochkrümmungsbereich ein Eintreiben des bereits an dem Hochkrümmungsbereich in der Halbleiterstruktur vorhandenen Dotierstoffes der Emitterdotierung erfolgt, so dass sich die Emittertiefe an dem Hochkrümmungsbereich erhöht und/oder in dem zusätzlicher Dotierstoff an dem Hochkrümmungsbereich hinzugefügt wird, so dass die Emittertiefe an dem Hochkrümmungsbereich erhöht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst daher einen Verfahrensschritt A, in dem eine Bestimmung mindestens eines Hochkrümmungsbereiches an der Messseite der Halbleiterstruktur erfolgt. Der Hochkrümmungsbereich zeichnet sich durch einen geringen Krümmungsradius zumindest in einer Dimension aus.
In einem Verfahrensschritt B erfolgt das Eintreiben des bereits an dem Hochkrümmungsbereich in der Halbleiterstruktur vorhandenen Dotierstoffes, d. h. desjenigen Dotierstoffes, mit dem der Emitter in der Halbleiterstruktur erzeugt wird. Alternativ oder zusätzlich wird in Verfahrensschritt B zusätzlicher Dotierstoff an dem Hochkrümmungsbereich hinzugefügt, vorzugsweise durch Eindiffundieren über die Messseite der Halbleiterstruktur.
Der Dotierstoff weist den gleichen Dotierungstyp auf wie der Emitter. Vorzugsweise ist der Dotierstoff identisch zu dem Dotierstoff, mit dem der Emitter erzeugt wurde.
In Verfahrensschritt B wird somit die Emittertiefe und damit der Abstand des pn-Übergangs von der Messseite der Halbleiterstruktur an dem Hochkrümmungsbereich erhöht, dadurch, dass ein Eintreiben des Vorhandenen Dotierstoffes erfolgt und/oder die Dotierkonzentration des Emitters an dem Hochkrümmungsbereich und dem unmittelbar anschließenden Bereich in der Halbleiterstruktur wird erhöht. Hierdurch wird zwar der Hochkrümmungsbereich an der Oberfläche der Halbleiterstruktur nicht behoben, der pn-Übergang des Emitters an dem Hochkrümmungsbereich weist nach Durchführen des Verfahrensschritts B jedoch einen geringeren Krümmungsradius, verglichen mit der Oberfläche der Halbleiterstruktur auf, so dass bei Anliegen einer Spannung in Sperrrichtung an der fertig gestellten Solarzelle lokale Feldspitzen und damit lokale Diodendurchbrüche verhindert werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, bei Solarzellen, die bei Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik Ausschuss darstellen würden, durch eine einfache, kostengünstige Behandlung die Entstehung von Hot Spots bei Teilabschattung zu vermeiden, so dass auch diese Solarzellen in den Solarzellenmodulen eingesetzt werden können. Hierdurch erhöht sich die Produktionseffizienz bei der Herstellung der Solarzellen. Ebenso kann auf Bypass-Dioden bei der Modulverschaltung verzichtet werden, so dass sich der Gesamtwirkungsgrad der Solarzellenmodule in teilabgeschattetem Zustand erhöht.
Bei Halbleitersolarzellen, insbesondere bei Silizium-Solarzellen sind Hochkrümmungsbereiche solche Bereiche, in denen die Oberfläche zumindest in einer Dimension einen Krümmungsradius kleiner 200 nm, vorzugsweise kleiner 400 nm aufweist. Hochkrümmungsbereiche treten insbesondere bei der Verwendung von multikristallinem Silizium auf, da hier bei Ätzprozessen unerwünschte Tiefätzungen auftreten, welche Hochkrümmungsbereiche erzeugen. Typischerweise sind solche Hochkrümmungsbereiche in etwa wie ein invertierter Kegel ausgebildet, so dass in mehreren Raumrichtungen ein geringer Krümmungsradius vorliegt. In diesem Fall ist ein Hochkrümmungsbereich somit in etwa kreisförmig ausgebildet. Ebenso liegt jedoch auch die Behandlung von Hochkrümmungsbereichen im Rahmen der Erfindung, die in weniger Raumrichtungen, beispielsweise lediglich in einer Raumrichtung einen geringen Krümmungsradius aufweisen. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren auch auf linienartige Hochkrümmungsbereiche anwendbar.
Vorzugsweise wird in Schritt A der Hochkrümmungsbereich derart bestimmt, dass mindestens ein optisches, ortsaufgelöstes Bild der Messseite der Halbleiterstruktur aufgenommen wird und Kriterien hinsichtlich der Intensität und/oder des Spektrums der aufgenommenen optischen Strahlung zur Bestimmung des Hochkrümmungsbereiches vorgegeben sind. Vorzugsweise wird hierbei auf CCD-Kameras zurückgegriffen, deren Verwendung zur Charakterisierung von Halbleiterstrukturen bereits bekannt ist, so dass auf bekannte technische Apparaturen zurückgegriffen werden kann.
Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass bereits die Vorgabe der Intensität der aufgenommenen Strahlung in den meisten Fällen ein hinreichendes Kriterium zur Bestimmung von Hochkrümmungsbereichen ist. In Hochkrümmungsbereichen erfolgt eine Vielfachreflexion der in dem Hochkrümmungsbereich auf die Messseite auftreffenden Strahlung, weswegen ein größerer Anteil der auftreffenden Strahlung im Halbleiter absorbiert wird als auf der übrigen Fläche der Messseite. Dies hat eine verringerte Reflexion der auf die Messseite auftreffenden Strahlung an einem Hochkrümmungsbereich zur Folge. Durch Vorgabe einer Mindestintensität können daher Bereiche, in denen die Intensität der aufgenommenen Strahlung die vorgegebene Mindestintensität unterschreitet, als Hochkrümmungsbereiche bestimmt werden.
Weiterhin zeigten Untersuchungen des Anmelders, dass in einer Produktionslinie bei gleichbleibenden Messbedingungen ein einheitlicher Grenzwert für die Mindestintensität zur Bestimmung der Hochkrümmungsbereich vorgegeben werden kann. Dieser Grenzwert ist für alle auf dieser Produktionslinie prozessierten Wafer anwendbar und muss nicht oder nur nach Vermessung einer Vielzahl von Wafern neu bestimmt werden.
Vorzugsweise sind die Beleuchtungsbedingungen bei den Messungen an unterschiedlichen Halbleiterstrukturen gleich, insbesondere hinsichtlich der Intensität und/oder des Spektrums der Strahlung, mit welcher die Messseite beaufschlagt wird, so dass einheitliche Messbedingungen bestehen.
Eine einfache Variante zur Bestimmung der vorgenannten Mindestintensität ist die optische Kontrolle eines aufgenommenen Reflexionsbildes durch einen Benutzer. Dieser kann bereits mit ein wenig Erfahrung diejenigen „dunklen Flecken” im Reflexionsbild identifizieren, welche auf Hochkrümmungsbereiche hinweisen. Vorzugsweise wird das Reflexionsbild mittels eines Computers auf einem Bildschirm dargestellt und der Benutzer markiert die Hochkrümmungsbereiche manuell, vorzugsweise mittels einer Computermaus, worauf mittels eines Programms die durchschnittliche Intensität der markierten Bereiche ermittelt wird und als Mindestintensität für die Bestimmung der Hochkrümmungsbereiche wie zuvor beschrieben verwendet wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Mindestintensität abhängig von der gemittelten Intensität des gesamten Reflexionsbildes bestimmt: Vorzugsweise wird in Verfahrensschritt A zunächst das ortsaufgelöste, optische Bild der Messseite der Hableiterstruktur aufgenommen, anschließend ein Mittelwert der Intensität der an den verschiedenen Ortspunkten aufgenommenen optimalen Strahlen gebildet wird und schließlich solche Bereiche als Hochkrümmungsbereiche bestimmt werden, deren Intensität weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5% des Mittelwerts aller Intensitäten beträgt.
Vorzugsweise erfolgt in Schritt A eine Beleuchtung der Messseite, insbesondere eine hinsichtlich der Intensität und des Spektrums homogene Beleuchtung durch in etwa parallele Strahlen. Hierdurch ist gewährleistet, dass Intensität und/oder spektrale Unterschiede des aufgenommenen Bildes durch optische Effekte der Messseite bedingt sind. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Messseite schräg zu beleuchten, so dass die Beleuchtungsstrahlen schräg, vorzugsweise in einem Winkel von 45°, auf die Messseite auftreffen. Hierdurch wird der Unterschied in der Intensität der reflektierten Strahlen zwischen Hochkrümmungsbereichen und den übrigen Bereichen der Messseite besonders stark, so dass durch die schräge Beleuchtung eine Kontrastverstärkung erzeugt wird, welche die Bestimmung der Hochkrümmungsbereiche vereinfacht.
Eine weitere Kontrastverstärkung bei Bestimmung der Hochkrümmungsbereiche in Schritt A wird dadurch erzielt, dass in Schritt A mindestens ein zweites optisches Bild aufgenommen wird, bei einer unterschiedlichen Aufnahmebedingung hinsichtlich der Beleuchtungsintensität und/oder des Beleuchtungsspektrums und/oder des Winkels, mit dem die Strahlen der Beleuchtung auf die Messfläche auftreffen, verglichen mit der Aufnahmebedingung des ersten optischen Bildes. Anschließend wird aus den Messdaten der beiden optischen Bilder ein Ergebnisbild berechnet und die Bestimmung des Hochkrümmungsbereiches anhand des Ergebnisbildes vorgenommen. Vorzugsweise werden die Messwerte der Intensitäten beider optischer Bilder für jeden Ortspunkt jeweils addiert. Hierdurch tritt eine Verstärkung der reflexionsbedingten Intensitätsunterschiede auf, so dass in dem durch Addition berechneten Ergebnisbild der Intensitätskontrast erhöht ist.
Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass eine weitere Kontraststeigerung dadurch erzielt werden kann, dass in Verfahrensschritt A eine monochromatische Beleuchtung der Messseite der Halbleiterstruktur erfolgt. Bei Siliziumsolarzellen, insbesondere bei Solarzellen aus multikristallinem Silizium, erfolgt vorzugsweise eine monochromatische Beleuchtung mit einer Wellenlänge im Bereich 400 nm bis 900 nm. Hierdurch ist gewährleistet, dass ein Großteil der Beleuchtung bei Eintritt in die Halbleiterstruktur absorbiert wird, so dass kein oder nur ein geringfügiger Anteil bei Reflexion an der der Messseite gegenüberliegenden Seite der Halbleiterstruktur wieder aus der Messseite austritt. Hierdurch wird eine Verfälschung des aufgenommenen optischen Bildes vermieden.
Wesentlich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass die Emittertiefe zumindest an dem Hochkrümmungsbereich erhöht wird. Es erfolgt daher vorzugsweise ein Eintreiben des Dotierstoffes und/oder Hinzufügen von Dotierstoff lokal an dem Hochkrümmungsbereich bzw. an mehreren Hochkrümmungsbereichen.
Für typische Solarzellenstrukturen ist es jedoch unkritisch, wenn Hochkrümmungsbereiche zu groß angenommen werden und somit ein zusätzliches Eintreiben bzw. Hinzufügen von Dotierstoff in einem Bereich erfolgt, der größer als der Hochkrümmungsbereich ist, sofern kein hoher Flächenanteil des gesamten Emitter beeinflusst wird. Wesentlich ist jedoch, dass in Schritt B zumindest der Hochkrümmungsbereich wie zuvor beschrieben behandelt wird.
In Verfahrensschritt B erfolgt das Eintreiben und/oder Hinzufügen des Dotierstoffes vorzugsweise daher nicht nur an dem Hochkrümmungsbereich, sondern an einem in jeder Richtung entlang der Messseite um mindestens 1 μm, vorzugsweise um mindestens 5 μm, im Weiteren vorzugsweise um etwa 10 μm erweiterten Hochkrümmungsbereich. Hierdurch ist gewährleistet, dass eine ausreichende Erhöhung des Krümmungsradius des pn-Übergangs im Hochkrümmungsbereich erzielt wird.
Auch ist es nachteilig, wenn ein hoher Flächenanteil des gesamten Emitters verändert wird, da sich hierdurch die Rekombinations- und/oder Querleitungseigenschaften des Emitters wesentlich verändern und den Wirkungsgrad der Solarzelle verringern. Vorzugsweise erfolgt das Eintreiben des Dotierstoffes bzw. Hinzufügen von Dotierstoffen in Schritt B daher in einem Bereich, der in jeder Richtung um weniger als 500 μm, vorzugsweise um weniger als 100 μm, im Weiteren vorzugsweise um weniger als 50 μm, bevorzugt um weniger als 20 μm größer als der Hochkrümmungsbereich ist.
Wie zuvor beschrieben, basiert das erfindungsgemäße Verfahren auf der Erkenntnis des Anmelders, dass der Abstand des pn-Übergangs von der Oberfläche der Halbleiterstruktur, d. h., die Emittertiefe an einem Hochkrümmungsbereich ein wesentlicher Parameter hinsichtlich des Auftretens von Diodendurchbrüchen ist. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt daher in Verfahrensschritt B eine Erhöhung der Emittertiefe an den oder dem detektierten Hochkrümmungsbereichen. Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass die Erhöhung der Emittertiefe vorzugsweise derart erfolgt, dass in Verfahrensschritt B die Emittertiefe an dem Hochkrümmungsbereich zumindest 500 nm, vorzugsweise zumindest 800 nm, insbesondere vorzugsweise mindestens 1,2 μm beträgt. Je größer die Emittertiefe, umso geringer das Risiko von Diodendurchbrüchen. Die vorgenannten Werte treffen insbesondere auf Silizium-Solarzellen und hierbei insbesondere auf multikristalline Silizium-Solarzellen zu. Bei typischen multikristallinen Silizium-Solarzellen beträgt die Emittertiefe möglicherweise etwa 250 nm, so dass vorzugsweise durch das erfindungsgemäße Verfahren in Schritt B zumindest eine Verdopplung der Emittertiefe, vorzugsweise mindestens eine Verdreifachung, im Weiteren bevorzugt mindestens eine Verfünffachung der Emittertiefe erfolgt.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Emittertiefe an dem Hochkrümmungsbereich dadurch erhöht, dass an dem Hochkrümmungsbereich zusätzlich Dotierstoff hinzugefügt wird. Dies erfolgt vorzugsweise durch Einbringen von zusätzlichem Dotierstoff in Verfahrensschritt B über die Oberfläche der Halbleiterstruktur an dem Hochkrümmungsbereich. Ausgehend von typischen Emitterprofilen und Basisdotierungen für Silizium-Solarzellen erfolgt in dieser vorzugsweise Ausführungsform in Schritt B die Erhöhung der Oberflächendotierkonzentration an dem Hochkrümmungsbereich vorzugsweise derart, dass die Oberflächendotierkonzentration an dem Hochkrümmungsbereich mindestens 8 × 10²⁰ cm^–3, vorzugsweise zwischen 8 × 10²⁰ cm^–3 und 5 × 10²¹ cm^–3, bevorzugt mindestens 4 × 10²¹ cm^–3 beträgt. Hierdurch ist gewährleistet, dass eine ausreichende Erhöhung der Emittertiefe und damit eine hinreichende Verringerung des Risikos von Diodendurchbrüchen erzielt wird.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt in Schritt B das Eintreiben des Dotierstoffes mittels lokaler Erwärmung der Messseite der Halbleiterstruktur zumindest in dem Hochkrümmungsbereich.
Vorzugsweise erfolgt die lokale Erwärmung durch Beaufschlagung mit Laserstrahlung.
Mittels Laserstrahlung ist eine besonders schnelle örtliche Erwärmung der Messseite möglich. Darüber hinaus findet die lokale Erwärmung einer Halbleiterstruktur bereits Verwendung bei der Herstellung von Solarzellen, so dass auf bekannte Prozessparameter und Prozessapparaturen zurückgegriffen werden kann. So ist beispielsweise aus M. Ametowobla, J. R. Köhler, A. Esturo-Bretón, J. H. Werner, Improved Laser Doping For Silicon Solar Cells, 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 3–7 September 2007, Milan, Italy, pp. 1403 bis 1406 ein Verfahren zur Eintreibung von Dotierstoffen in Silizium mittels Erwärmung durch Laser bekannt.
Hierbei werden Vorzugsweise Laser mit einer Wellenlänge verwendet, die im UV-Bereich, im sichtbaren Bereich oder im IR-Bereich liegen, d. h. vorzugsweise im Bereich 300 nm bis 1100 nm. Insbesondere ist die Verwendung von gepulsten Lasern vorteilhaft.
Bei Siliziumsolarzellen erfolgt das Eintreiben des Dotierstoffes in dem Hochkrümmungsbereich vorzugsweise mit folgenden Prozessparametern: Laserwellenlänge zwischen 300 nm und 1100 nm, Laserpulsleistung zwischen 5 und 1000 μJ, Laserpulsdauer zwischen 30 ns und 3 μs. Insbesondere ist die Anwendung räumlich überlappender Laserpulse vorteilhaft um eine flächige Behandlung des Hochkrümmungsbereiches sicherzustellen.
Untersuchungen des Anmelders zeigten sehr gute Ergebnisse bei Verwendung der Parameter Laserwellenlänge zwischen 355 nm, Laserpulsleistung 5 bis 50 μJ, Laserpulsdauer etwa 40 ns. Bei längeren Laserwellenlängen sind typischerweise längere Impulsdauern und höhere Laserpulsleistungen notwendig.
Die Hochkrümmungsbereiche werden durch die Erzeugung des Emitters nicht oder nur unwesentlich verändert. Vorzugsweise erfolgt daher die Bestimmung der Hochkrümmungsbereiche in Verfahrensschritt A vor Erzeugen des Emitters. Dies weist den Vorteil auf, dass die Emittererzeugung sowie das Eintreiben und/oder zusätzliche Dotieren der Hochkrümmungsbereiche gleichzeitig oder in nahe aufeinanderfolgenden Prozesssequenzen erfolgt, ohne dass als Zwischenschritt die Detektion der Hochkrümmungsbereiche eingefügt werden muss.
Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass insbesondere bei multikristallinem Silizium die Erzeugung einer Texturierung zu Tiefätzungen führt, welche Hochkrümmungsbereiche darstellen. Vorzugsweise erfolgt Schritt A daher nach Erzeugen einer Texturierung an der Messseite der Halbleiterstruktur.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders einfach und kostengünstig realisierbar, wenn in Schritt B lediglich ein Eintreiben des bereits an dem Hochkrümmungsbereich in der Halbleiterstruktur vorhandenen Dotierstoffes erfolgt. In diesem Fall ist lediglich eine lokale Erwärmung des Hochkrümmungsbereiches notwendig.
Hingegen erfolgt eine besonders sichere Verhinderung von lokalen Feldspitzen, wenn in Verfahrensschritt B zusätzlicher Dotierstoff an dem Hochkrümmungsbereich in die Halbleiterstruktur eingebracht wird. Dies ist somit insbesondere bei Herstellungsverfahren für Solarzellen vorteilhaft, bei denen an den Hochkrümmungsbereichen prozesstechnisch bedingt nicht ausreichend Dotierstoff bei Emittererzeugung eingebracht wird. Ebenso kann die zusätzliche Dotierung an den Hochkrümmungsbereichen bei solchen Herstellungsverfahren einfach integriert werden, bei denen so genannte selektive Emitter erzeugt werden, d. h. Emitterteilbereiche mit gegenüber den übrigen Emitterbereichen erhöhter Dotierung. Solche selektive Emitter sind beispielsweise zur Verringerung des Kontaktwiderstandes zwischen einer Metallisierungsstruktur und Emitter üblich.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform wird daher in Schritt B eine Maske auf die Messseite oder die Messseite bedeckende Zwischenschichten aufgebracht, wobei die Maske zumindest den Hochkrümmungsbereich ausspart. Anschließend wird eine Diffusion durchgeführt, vorzugsweise aus der Gasphase, zum Einbringen von Dotierstoff in die Halbleiterstruktur an den von der Maske ausgesparten Bereichen. In dieser vorzugsweisen Ausführungsform ist es möglich, die Maske derart auszubilden, dass gleichzeitig die Hochkrümmungsbereiche sowie solche Bereiche, an denen ein selektiver Emitter erzeugt werden soll, ausgespart werden. In dem Herstellungsprozess der Solarzelle erfolgt somit lediglich die Änderung, dass bei Erzeugen der selektiven Emitter gleichzeitig und zusätzlich an den Hochkrümmungsbereichen eine Zusatzdotierung der Halbleiterstruktur erfolgt.
Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, in Schritt B selektiv auf die Messseite zumindest im Hochkrümmungsbereich eine Dotierschicht aufzubringen und anschließend oder gleichzeitig durch Erhitzen ein Eintreiben von in der Dotierschicht enthaltenem Dotierstoff in die Halbeiterstruktur durchzuführen. Dies ist insbesondere bei Herstellungsverfahren vorteilhaft, bei denen mittels eines Druckverfahrens Emitter erzeugt werden, insbesondere selektive Emitter.
Hierbei wird in Verfahrensschritt B die Dotierschicht vorzugsweise mittels Inkjet-Druck aufgebracht. Denn die bereits bekannten Verfahren zum Aufbringen von Dotiermaterial, wie beispielsweise einer Dotierpaste mittels Inkjet-Druck erlauben in einfacher Weise die Vorgabe variierender Ortspositionen für das Aufbringen von Dotierpaste. In dieser Ausführungsform können somit in einfacher Weise die Ortskoordinaten der in Verfahrensschritt A bestimmten Hochkrümmungsbereiche an die Prozessapparatur zum Aufbringen der Dotierschicht mittels Inkjet-Druck weitergeleitet werden.
Ein Verfahren zum Aufbringen einer Dotierschicht mittels Inkjet-Druck ist beispielsweise in J. Heinzel, C. H. Hertz, Inkjet-Printing, Advances In Electronics And Electron Physics, vol. 65 (1985), pp. 91–112 beschrieben.
In eine weiteren vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt B die Dotierschicht dadurch selektiv auf de Messseite zumindest in dem Hochkrümmungsbereich aufgetragen, dass ein Flüssigkeitsstrahl, wobei die Flüssigkeit Dotierstoff enthält, auf den betreffenden Bereich gerichtet wird, bzw. die Bereich sukzessive durch den Flüssigkeitsstrahl beaufschlagt werden. Im Flüssigkeitsstrahl ist ein Laserstrahl geführt, der zu einer Erhitzung der Oberfläche der Halbleiterstruktur führt und dadurch zu einem Eintreiben des Dotierstoffes.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Solarzelle, welche gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren oder einer vorteilhaften Ausführungsform hiervon behandelt wurde. Die erfindungsgemäße Solarzelle zeichnet sich somit dadurch aus, dass in Hochkrümmungsbereichen der vorhandene Dotierstoff zusätzlich eingetrieben wurde oder dass in den Hochkrümmungsbereichen zusätzlicher Dotierstoff hinzugefügt wurde.
Weitere vorzugsweise Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden anhand der 1 beschrieben:
1 zeigt einen Teilschnitt senkrecht zu einer Messseite 1 einer Solarzelle.
Die Solarzelle besteht aus einem multikristallinen Siliziumwafer, an dessen Vorderseite, welche die Messseite 1 ist, eine Texturierung mittels Ätzen vorgenommen wurde. Hierdurch ist ein Hochkrümmungsbereich 2 entstanden, der ein hohes Aspektverhältnis zwischen Tiefe und Breite aufweist: Der in 1 dargestellte Hochkrümmungsbereich ist in etwa kegelförmig und weist bei einem Durchmesser der Grundfläche von etwa 3 bis 5 μm eine Tiefe von etwa 10 μm auf.
In Verfahrensschritt A erfolgt daher eine monochromatische Beleuchtung der Messseite 1 mit in etwa parallelen, schräg einfallenden Strahlen der Wellenlänge 600 nm. Diese Strahlen sind in 1 durch Pfeile dargestellt.
Aufgrund des hohen Aspektverhältnisses stellt der Hochkrümmungsbereich eine so genannte Strahlenfalle dar, d. h. in den Hochkrümmungsbereich einfallende Strahlen werden vielfach an den Wänden des Hochkrümmungsbereiches reflektiert und in Folge dessen durch den Halbleiter absorbiert, so das kein oder nur ein geringfügiger Anteil der Strahlung reflektiert wird.
In den übrigen Bereichen, in denen kein Hochkrümmungsbereich vorliegt, erfolgt hingegen eine Reflektion der Beleuchtung mit höherer Intensität.
Mittels einer (nicht dargestellten) CCD-Kamera wird ein ortsaufgelöstes optisches Bild der Messseite 1 der Solarzelle aufgenommen. In diesem optischen Bild sind die Hochkrümmungsbereiche deutlich als in etwa kreisförmige Bereiche mit geringer Intensität zu erkennen, so dass eine automatische Bestimmung des Hochkrümmungsbereiches 2 durch Vorgabe eines Grenzwertes für die Intensitätswerte des optischen Bildes möglich ist.
In 1 ist weiterhin durch eine Linie parallel zur Messseite 1 der pn-Übergang 3 des an der Messseite 1 erzeugten Emitters dargestellt.
Der pn-Übergang 3 folgt in etwa dem Verlauf der Messseite 1 und weist demnach im Bereich 4 ebenfalls einen geringen Krümmungsradius auf, so dass bei Beaufschlagung der Solarzelle mit Spannung in Sperrrichtung in dem Bereich 4 hohe elektrische Felder, d. h. lokale Feldspitzen auftreten, die zu einem lokalen Diodendurchbruch führen.
In einem Verfahrensschritt B wird daher mittels lokaler Erwärmung des Hochkrümmungsbereiches 2 durch einen Laser der Dotierstoff, mit dem der Emitter erzeugt wurde, lokal zusätzlich in dem multikristallinen Siliziumwafer eingetrieben, so dass insbesondere in dem Bereich 4 die Emittertiefe erhöht wird. Hierdurch ergibt sich ein geringerer Krümmungsradius des pn-Übergangs 3 in dem Bereich 4 und lokale Feldspitzen werden vermieden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Ametowobla, J. R. Köhler, A. Esturo-Bretón, J. H. Werner, Improved Laser Doping For Silicon Solar Cells, 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 3–7 September 2007, Milan, Italy, pp. 1403 bis 1406 [0036]
J. Heinzel, C. H. Hertz, Inkjet-Printing, Advances In Electronics And Electron Physics, vol. 65 (1985), pp. 91–112 [0047]

Claims

Verfahren zur Behandlung einer Halbleiterstruktur, welche eine Solarzelle oder eine Vorstufe einer Solarzelle ist und mindestens einen Emitter aufweist, wobei der Emitter mittels eines Dotierstoffes in der Halbleiterstruktur erzeugt ist und eine Messseite (1) der Halbleiterstruktur zumindest teilweise bedeckt, folgende Verfahrensschritte umfassend: A Bestimmung mindestens eines Hochkrümmungsbereiches an der Messseite (1) der Halbleiterstruktur, welcher sich durch einen geringen Krümmungsradius zumindest in einer Dimension auszeichnet, B Eintreiben des bereits an dem Hochkrümmungsbereich (2) in der Halbleiterstruktur vorhandenen Dotierstoffes und/oder Hinzufügen zusätzlichen Dotierstoffes an dem Hochkrümmungsbereich (2).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt A mindestens ein optisches, ortsaufgelöstes Bild der Messseite (1) der Halbleiterstruktur aufgenommen wird und Kriterien hinsichtlich der Intensität und/oder des Spektrums der aufgenommenen optischen Strahlung zur Bestimmung des Hochkrümmungsbereiches vorgegeben sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Hochkrümmungsbereiche derart erfolgt, dass eine Mindestintensität vorgegeben ist und Bereiche der Messseite (1), in denen die Intensität der aufgenommenen Strahlung die Mindestintensität unterschreitet, als Hochkrümmungsbereiche bestimmt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Aufnehmen des optischen Bildes eine Beleuchtung der Messseite (1) erfolgt, vorzugsweise eine hinsichtlich der Intensität und des Spektrums homogene Beleuchtung durch in etwa parallele Strahlen, wobei die Strahlen schräg auf die Messseite (1) auftreffen, insbesondere in einem Winkel von etwa 45°.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt A mindestens ein zweites optisches Bild aufgenommen wird, bei einer unterschiedlichen Aufnahmebedingung hinsichtlich der Beleuchtungsintensität und/oder des Beleuchtungsspektrums und/oder des Winkels, mit dem die Strahlen der Beleuchtung auf die Messfläche auftreffen, verglichen mit der Aufnahmebedingung des ersten optischen Bildes, dass aus den Messdaten der beiden optischen Bilder ein Ergebnisbild berechnet wird und die Bestimmung des Hochkrümmungsbereiches anhand des Ergebnisbildes erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt B bei Eintreiben und/oder Hinzufügen des Dotierstoffes der Hochkrümmungsbereich (2) in jeder Richtung entlang der Messseite (1) um mindestens 1 μm, vorzugsweise um mindestens 5 μm, im Weiteren vorzugsweise um etwa 10 μm erweitert wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt B an dem Hochkrümmungsbereich (2) die Emittertiefe erhöht wird, so dass die Emittertiefe mindestens 500 nm, vorzugsweise mindestens 800 nm, bevorzugt mindestens 1,2 μm beträgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt B durch Hinzufügen zusätzlichen Dotierstoffes die Dotierstoffkonzentration zumindest an der Oberfläche des Hochkrümmungsbereiches erhöht wird und mindestens 8 × 10²⁰ cm^–3, vorzugsweise zwischen 8 × 10²⁰ cm^–3 und 5 × 10²¹ cm^–3, bevorzugt mindestens 4 × 10²¹ cm^–3 beträgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt B das Eintreiben mittels lokaler Erwärmung der Messseite (1) zumindest in dem Hochkrümmungsbereich (2) erfolgt, vorzugsweise durch Beaufschlagung mit Laserstrahlung.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt A vor Erzeugen des Emitters erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt A nach Erzeugen einer Texturierung an der Messseite (1) erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt B eine Maske auf die Messseite oder die Messseite bedeckende Zwischenschichten aufgebracht wird, welche zumindest den Hochkrümmungsbereich (2) ausspart und anschließend eine Diffusion, vorzugsweise aus der Gasphase durchgeführt wird, zum Einbringen von Dotierstoff in die Halbleiterstruktur an dem von der Maske ausgesparten Bereich.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt B selektiv auf die Messseite (1) zumindest im Hochkrümmungsbereich (2) eine Dotierschicht aufgebracht wird und anschließend oder gleichzeitig durch Erhitzen ein Eintreiben von in der Dotierschicht enthaltenem Dotierstoff in die Halbleiterstruktur erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierschicht mittels eines Druckverfahrens, vorzugsweise mittels Inkjetdruck aufgebracht wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Solarzelle an der Messseite (1) ein selektiver Emitter erzeugt wird, welcher vorgegebene hochdotierte und vorgegebene niedrigdotierte Bereiche aufweist und dass bei Erzeugung des selektiven Emitters zusätzlich an dem Hochkrümmungsbereich (2) ein hochdotierte Emitterbereich erzeugt wird.
Solarzelle, behandelt mit einem Verfahren gemäß mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche.