DE102010010813A1 - Verfahren zur Dotierung eines Halbleitersubstrats und Solarzelle mit zweistufiger Dotierung - Google Patents

Verfahren zur Dotierung eines Halbleitersubstrats und Solarzelle mit zweistufiger Dotierung Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Dotierung eines Halbleitersubstrats (50), bei welchem das Halbleitersubstrat (50) durch Bestrahlung (14) mit Laserstrahlung (60) erhitzt wird und dabei in erhitzten Bereichen (52) Dotierstoff aus einer Dotierstoffquelle (54) in das Halbleitersubstrat (50) eindiffundiert wird (16), und bei welchem bei dem Erhitzen des Halbleitersubstrats (50) durch die Bestrahlung (14) mit Laserstrahlung (60) ein Flächenanteil des Halbleitersubstrats (50) angeschmolzen (18) und rekristallisiert (20) wird, der weniger als 10% der Gesamtfläche aller bestrahlten Bereiche (62) beträgt, sowie Solarzelle.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dotierung eines Halbleitersubstrats gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Solarzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, ein Halbleitersubstrat unter Verwendung von Laserstrahlen zu erhitzen und dabei Dotierstoff aus einer Dotierstoffquelle in das Halbleitersubstrat einzudiffundieren. Insbesondere wurde vorgeschlagen, solche Verfahren bei der Herstellung selektiver Emitter zu verwenden. Bei derartigen Laserdiffusionen wird ein Halbleitersubstrat an seiner Oberfläche angeschmolzen. Dabei diffundiert Dotierstoff aus einer in der Umgebung angeordneten Dotierstoffquelle in das angeschmolzene Halbleitersubstrat hinein, welches im weiteren abgekühlt und rekristallisiert wird. Im Ergebnis ergibt sich in dem angeschmolzenen und rekristallisierten Bereich des Halbleitersubstrats eine stärkere Dotierung als in umliegenden Bereichen des Halbleitersubstrats. Derartige lokal stärkere Dotierungen und daraus gebildete selektive Emitter sollten sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad von Solarzellen auswirken. Es hat sich jedoch gezeigt, dass durch das Anschmelzen und die nachfolgende Rekristallisation strukturelle Defekte in dem Halbleitersubstrat ausgebildet werden welche sich negativ auf den Wirkungsgrad auswirken und den Vorteil des erfolgten Dotierstoffeintrags überkompensieren können. Zudem besteht die Gefahr, dass unerwünschte Verunreinigungen in das Halbleitersubstrat eingetragen werden, welche den Wirkungsgrad gefertigter Solarzellen herabsetzen.
  • Um diese negativen Beeinträchtigungen zu vermeiden, wird in WO 2006/012840 ein Verfahren vorgeschlagen, bei welcher der eingesetzte Laserstrahl in einem aufwändig zu erzeugenden Linienfokus mit großem Aspektverhältnis, das heißt mit einer um Größenordnungen größeren Höhe als Breite des Linienfokus, auf das Halbleitersubstrat fokussiert wird. Dieses Verfahren sowie die apparativen Anforderungen zu dessen Durchführung sind aufwändig und damit kostenintensiv.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Verfügung zu stellen, mit welchem der Defekteintrag in das Halbleitersubstrat aufwandsgünstig reduziert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein gattungsgemäßes Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
  • Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Solarzelle mit einer zweistufigen Dotierung zur Verfügung zu stellen, welche aufwandsgünstig herstellbar ist und einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand abhängiger Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Dotierung eines Halbleitersubstrats sieht vor, dass das Halbleitersubstrat durch Bestrahlung erhitzt wird und dabei in erhitzten Bereichen Dotierstoff aus einer Dotierstoffquelle in das Halbleitersubstrat eindiffundiert wird. Bei dem Erhitzendes Halbleitersubstrats durch die Bestrahlung mit der Laserstrahlung wird ein Flächenanteil des Halbleitersubstrats angeschmolzen und rekristallisiert, der weniger als 10% einer Gesamtfläche aller bestrahlten Bereiche beträgt.
  • Es wird demzufolge nur ein geringer Flächenanteil der mittels der Laserstrahlung erhitzten Bereiche des Halbleitersubstrats angeschmolzen und rekristallisiert. Das hinsichtlich der Defektbildung kritische Anschmelzen und Rekristallisieren wird somit weitgehend vermieden. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass auf diese Weise auch in denjenigen erhitzten Bereichen, in welchen kein Aufschmelzen mit anschließender Kristallisation erfolgt, ein Dotierstoffeintrag möglich ist, der für die Ausbildung zweistufiger Dotierungen, insbesondere die Ausbildung von selektiven Emittern, guter Qualität ausreicht. Auch in diesen erhitzten Bereichen wird Dotierstoff eindiffundiert und dessen Oberflächenkonzentration erhöht, was zu einem reduzierten Kontaktwiderstand führt.
  • Stärker dotierte Bereiche eines selektiven Emitters dienen dazu, eine gute elektrische Leitfähigkeit zwischen einem als Halbleitersubstrat eingesetzten Solarzellensubstrat und einer darauf angeordneten Metallisierung herzustellen und somit Verluste bei der Abführung des generierten Stromes weitgehend zu vermeiden. Während im Stand der Technik bislang davon ausgegangen wurde, dass hierfür eine signifikante Schichtwiderstandsreduktion in den stärker dotierten Bereichen erforderlich ist, hat sich in unerwarteter Weise gezeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits bei einer vergleichsweise geringen Schichtwiderstandsreduktion der Kontaktwiderstand stark verringert werden kann, sodass die erwünschte gute elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Solarzellensubstrat und einer darauf angeordneten Metallisierung hergestellt werden kann, der zugehörige Kontaktübergangswiderstand also verringert werden kann.
  • Das Halbleitersubstrat kann direkt mit der Laserstrahlung bestrahlt werden. Alternativ kann eine auf dem Halbleitersubstrat angeordnete Schicht bestrahlt werden, beispielsweise eine Phosphor- oder Borsilikatglasschicht, welche im Weiteren kurz als P- oder B-Glasschicht bezeichnet wird. Im zweitgenannten Fall wird zwar die auf dem Halbleitersubstrat angeordnete Schicht direkt bestrahlt, doch kann in Abhängigkeit von der eingesetzten Wellenlänge der Laserstrahlung und der Dicke der eingesetzten Schicht, dennoch Laserstrahlung in die Oberfläche des Halbleitersubstrats gelangen, dort absorbiert werden und für eine Erhitzung des Halbleitersubstrats sorgen. Zudem oder alternativ kann ein Wärmeübergang von der auf der Halbleitersubstrat angeordneten Schicht in angrenzende Regionen des Halbleitersubstrats eine Erhitzung des Halbleitersubstrats in an die bestrahlte Fläche angrenzenden Regionen bewirken.
  • Als Dotierstoffquelle kann beispielsweise die bereits erwähnte, auf dem Halbleitersubstrat angeordnete P-Glas- oder B-Glasschichten dienen. In welcher Weise diese auf das Halbleitersubstrat aufgebracht wird, ist unerheblich. Werden Siliziumsubstrate als Halbleitersubstrate verwendet, können sie beispielsweise durch an sich bekannte Phosphor- oder Bordiffusionen gebildet werden. Alternativ kann als Dotierstoffquelle eine dotierstoffhaltige Lösung auf dem Halbleitersubstrat angeordnet werden. Weiterhin besteht unter anderem die Möglichkeit, das Halbleitersubstrat während der Bestrahlung in einer dotierstoffhaltigen Atmosphäre anzuordnen.
  • In der Praxis hat es sich bewährt, das Halbleitersubstrat mittels lokaler Bestrahlung mit Laserstrahlung lokal zu erhitzen und in den erhitzten Bereichen lokal Dotierstoff einzudiffundieren. Auf diese Weise können aufwandsgünstig zweistufige Dotierungsstrukturen ausgebildet werden, insbesondere zweistufige Emitter von Solarzellen, die häufig als selektive Emitter bezeichnet werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Halbleitersubstrat bei der Bestrahlung mit Laserstrahlung nicht angeschmolzen. Nach der bisherigen Sichtweise wäre davon auszugehen gewesen, dass auf diese Weise keine zweistufigen Dotierungen hergestellt werden können. Es hat sich jedoch gezeigt, dass selbst bei vollständiger Vermeidung eines Aufschmelzens und damit auch der hinsichtlich der Defektbildung kritischen Rekristallisation in stärker dotierten Bereichen einer zweistufigen oder mehrstufigen Dotierung gute Kontaktwiderstände hergestellt werden können. 6 illustriert dies anhand von Versuchsergebnissen. Bei den diesen Ergebnissen zu Grunde liegenden Versuchen bildeten Siliziumscheiben, die vor der lokalen Bestrahlung mit Laserstrahlung, welche hier kurz als Laserdiffusion bezeichnet wird, einen Schichtwiderstand RS von (100 ±10) Ω/sq aufwiesen, den Ausgangspunkt. Der Kontaktwiderstand RC betrug vor der Laserdiffusion über 100 mΩcm2.
  • Wie 6 entnommen werden kann, ergaben sich nach der Laserdiffusion selbst bei Vermeidung des Aufschmelzens und einem nahezu unveränderten Schichtwiderstand in den erhitzten Bereichen gute Kontaktwiderstände von deutlich unter 10 mΩcm2. Mit zunehmender Reduktion des Schichtwiderstandes nehmen auch die unerwünschten Aufschmelzungen und die Gefahr des Defekteintrages zu, der Kontaktwiderstand ändert sich jedoch nur noch geringfügig. Dies zeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zweistufige Dotierungen mit guter Qualität hergestellt werden können unter weitgehender oder sogar vollständiger Vermeidung des Aufschmelzens und Rekristallisierens des Halbleitersubstrats. Auf aufwändige Verfahren wie die Erzeugung eines Linienfokus und die damit verbundenen Kosten kann verzichtet werden. Stattdessen können einfach zu realisierende Laserstrahlgeometrien wie runde, quadratische oder rechteckige Strahlgeometrien mit kleinem Aspektverhältnis, Gauß- oder Flattop-Profile Verwendung finden. Gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Linienfokus kann zudem auf aufwändig herzustellende optische Bauelemente verzichtet werden.
  • In der Solarzellenfertigung ermöglichen es die nach der Laserdiffusion erzielten Kontaktwiderstände, elektrische Kontakte zwischen dem Halbleitersubstrat und metallhaltigen Siebdruckpasten mit guter Leitfähigkeit auszubilden, sodass der Wirkungsgrad der Solarzellen aufwandsgünstig verbessert werden kann. Wird zudem der Schichtwiderstand in den erhitzten Bereichen nicht oder nur geringfügig reduziert, so bleibt die spektrale Empfindlichkeit dieser Bereiche trotz des reduzierten Kontaktwiderstandes vergleichsweise hoch, was den Wirkungsgrad zusätzlich zu verbessern vermag, sofern Licht in Teilbereiche der erhitzten Bereiche einfallen kann.
  • Werden Siliziumsubstrate als Halbleitersubstrate verwendet, insbesondere Siliziumscheiben, so hat sich eine grüne Laserstrahlung bewährt, insbesondere ein mit einer Wellenlänge von 515 nm oder 532 nm.
  • Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ein zumindest abschnittsweise mit einer Oberflächentexturierung versehenes Halbleitersubstrat verwendet wird und durch die Bestrahlung mit der Laserstrahlung Strukturspitzen der Oberflächentexturierung über eine Querschnittsfläche von weniger als 1 μm2 hinweg angeschmolzen werden, vorzugsweise über eine Querschnittsfläche von weniger als 0,25 μm2 hinweg. Angeschmolzene Teile der Strukturspitzen werden nachfolgend rekristallisiert. Die genannte Querschnittsfläche erstreckt sich in etwa senkrecht zu einer Einfallsrichtung der Laserstrahlung. Die Oberflächentexturierung kann grundsätzlich auf jegliche an sich bekannte Weise ausgebildet werden, insbesondere nasschemisch. Vorzugsweise werden mono- oder multikristalline Siliziumscheiben als Halbleitersubstrate verwendet und die Oberflächentexturierung mit einer alkalischen oder sauren Ätzlösung ausgebildet. Durch die Oberflächentexturierung kann die Lichteinkopplung in das Halbleitersubstrat erhöht werden, was sich bei Solarzellen vorteilhaft auf den Wirkungsgrad auswirkt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch die lokale Eindiffusion von Dotierstoff in den erhitzten Bereichen stärker dotierte Bereiche einer zweistufigen Dotierung ausgebildet. Hierdurch können bei geringem Eintrag von Defekten in das Halbleitersubstrat aufwandsgünstige zweistufige Dotierungen hergestellt werden, insbesondere als selektive Emitter bezeichnete zweistufige Emitterdotierungen. Diese ermöglichen wiederum eine Fertigung von Solarzellen mit erhöhtem Wirkungsgrad. Die schwächer dotierten Bereiche der zweistufigen Dotierung können beispielsweise durch eine vor der Anwendung des Verfahrens durchgeführten flächigen Diffusion ausgebildet werden, insbesondere durch eine Eindiffusion von Dotierstoff aus einer dotierstoffhaltigen und au das Halbleitersubstrat aufgebrachten Lösung oder durch eine Röhrendiffusion. Vorteilhafterweise wird bei der nachfolgenden lokalen Eindiffusion von Dotierstoff in den erhitzten Bereichen der Schichtwiderstand wie oben beschrieben nicht oder nur geringfügig verringert, sodass die spektrale Empfindlichkeit in stärker dotierten Bereichen weitgehend erhalten bleibt. Dies ermöglicht es, bei allenfalls geringfügig verringertem Wirkungsrad der Solarzelle die stärker dotierten Bereiche breiter auszuführen als eine nachfolgend auf den stärker dotierten Bereichen ausgebildete Metallisierung, sodass die Justierung der Metallisierung relativ zu den stärker dotierten Bereichen mit geringerer Genauigkeit erfolgen kann. Hierdurch kann der Solarzellenherstellungsprozess aufwandsgünstiger gestaltet und dessen Ausschussrate verringert werden.
  • Als Halbleitersubstrat oder Solarzellensubstrat wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wie auch bei der erfindungsgemäßen Solarzelle vorzugsweise eine Siliziumscheibe eingesetzt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach in bestehende Fertigungsverfahren für Halbleiterbauelemente integrierbar. Insbesondere kann es aufwandsgünstig in bekannte Solarzellenfertigungsverfahren integriert und mit weiteren Prozessschritten kombiniert werden, da die Zellvorderseite unabhängig von der Zellrückseite prozessiert werden kann. So ist es beispielsweise möglich, unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens einen selektiven Emitter auf der Vorderseite der Solarzellen auszubilden und deren Rückseiten mittels dielektrischer Schichten oder einer Schichtabfolge dielektrischer Schichten zu passivieren.
  • Die erfindungsgemäße Solarzelle weist ein zumindest abschnittsweise mit einer Oberflächentexturierung versehenes Solarzellensubstrat und eine zweistufige Dotierung auf. Weiterhin sind in stärker dotierten Bereichen der zweistufigen Dotierung Strukturspitzen der Oberflächentexturierungüber eine. Querschnittsfläche von weniger als 1 μm2 hinweg angeschmolzen und rekristallisiert. Unter Strukturspitzen werden dabei Objekte verstanden, deren Querschnitte sich zumindest abschnittsweise mit zunehmendem Abstand von dem Solarzellensubstrat verjüngen.
  • Solch eine Solarzelle ist aufwandsgünstig mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar. Die Oberflächentexturierung und die zweistufige Dotierung, die vorzugsweise als selektiver Emitter ausgeführt ist, ermöglichen hohe Wirkungsgrade. Da die Strukturspitzen der Oberflächentexturierung über eine Querschnittsfläche von weniger als 1 μm2 hinweg angeschmolzen und rekristallisiert sind, können geringe Defektdichten in stärker dotierten Bereichen realisiert werden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Solarzelle auswirkt.
  • Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Solarzelle weist das Solarzellensubstrat in den stärker dotierten Bereichen der zweistufigen Dotierung einen Kontaktwiderstand von 10 mΩcm2 oder weniger auf. Ferner weist es in den stärker dotierten Bereichen der zweistufigen Dotierung einen Schichtwiderstand auf, der mindestens 50% des in schwächer dotierten Bereichen der zweistufigen Dotierung vorherrschenden Schichtwiderstandswertes beträgt, vorzugsweise mindestens 70% und besonders bevorzugt mindestens 90% des in schwächer dotierten Bereichen der zweistufigen Dotierung vorherrschenden Schichtwiderstandswertes. Dies ermöglicht eine gute spektrale Empfindlichkeit des Solarzellensubstrats in den stärker dotierten Bereichen und somit eine Wirkungsgradverbesserung.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltungsvariante dieser Weiterbildung sieht vor, dass auf den stärker dotierten Bereichen ausgebildete Metallisierungen schmaler ausgeführt sind als die stärker dotierten Bereiche, auf welchen sie ausgebildet sind. Infolgedessen fällt im Betrieb der Solarzellen Licht auf Teile der stärker dotierten Bereiche ein. Aufgrund des nur mäßig bis geringfügig reduzierten Schichtwiderstandes in den stärker dotierten Bereichen weisen diese jedoch eine gute spektrale Empfindlichkeit auf, sodass sich gegenüber schmaler ausgeführten stark dotierten Bereichen allenfalls geringe Wirkungsgradeinbußen ergeben. Aufgrund der gegenüber den Metallisierungen verbreiterten stärker dotierten Bereichen ergeben sich jedoch die oben dargelegten Fertigungsvorteile einer geringeren Genauigkeitsanforderung bei der Justage beziehungsweise Ausrichtung der Metallisierungen zu den zugehörigen stärker dotierten Bereichen der zweistufigen Dotierung.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Soweit zweckdienlich sind hierin gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
  • 1 Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens
  • 2 Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem das Halbleitersubstrat nicht angeschmolzen wird.
  • 3 Schematische Darstellung einer ersten Variante der Bestrahlung mit Laserstrahlung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
  • 4 Schematische Darstellung einer zweiten Variante der Bestrahlung mit Laserstrahlung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
  • 5 Schematische Darstellung einer Oberflächentexturierung mit und ohne angeschmolzene Strukturspitzen
  • 6 Kontakt- und Schichtwiderstände nach der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
  • 7 Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines Halbleitersubstrats mit Oberflächentexturierung nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 8 Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle
  • 9 Vergrößerte Teildarstellung einer Aufsicht auf die Solarzelle aus 8
  • 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei diesem wird zunächst eine Oberflächentexturierung auf einem als Halbleitersubstrat eingesetzten Solarzellensubstrat ausgebildet 10. Hieran schließt sich eine Phosphordiffusion 12 an, bei welcher flächig eine schwächere Dotierung an der Oberfläche des Solarzellensubstrats ausgebildet wird. Die Phosphordiffusion 12 kann auf an sich bekannte Weise erfolgen, beispielsweise mittels einer POCl3-Röhrendiffusion. Alternativ kann beispielsweise eine phosphorhaltige Lösung auf eine Vorderseite des Solarzellensubstrats aufgesponnen werden und Dotierstoff aus dieser Lösung in das Solarzellensubstrat eindiffundiert werden. Wie bereits oben dargelegt wurde, ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch nicht auf die Verwendung von Phosphor oder eines anderen Dotierstoffs des n-Typs beschränkt. Grundsätzlich können auch p-Dotierungen verwendet werden, beispielsweise kann anstatt der Phosphordiffusion 10 eine Bordiffusion vorgesehen sein.
  • In dem Ausführungsbeispiel der 1 wird während der Phosphordiffusion 12 eine. Phosphorsilikatglasschicht ausgebildet, welche im Weiteren kurz als P-Glasschicht bezeichnet wird. Diese wird im Weiteren in Metallisierungsbereichen der Vorderseite des Solarzellensubstrats, also denjenigen Bereichen, in welchen später die vorderseitige Metallisierung der Solarzelle angeordnet werden wird, mit Laserstrahlung bestrahlt 14. Einen Eindruck von solch einem Bestrahlungsvorgang vermittelt 4. Diese zeigt ein Solarzellensubstrat 50, auf welchem an der oben liegenden Vorderseite eine P-Glasschicht angeordnet ist. Diese P-Glasschicht 54 kann beispielsweise bei der oben beschriebenen Phosphordiffusion 12 gebildet worden sein. Bei der Phosphordiffusion 12 wurde bereits Dotierstoff aus der P-Glasschicht 54 in das Solarzellensubstrat 50 eindiffundiert und in dieser Weise ein durchgehender, schwächer dotierter Bereich 56 ausgebildet. In der schematischen Darstellung der 4 wird die P-Glasschicht 54 in einem bestrahlten Bereich 62 mit Laserstrahlung 60 bestrahlt. Hierdurch wird die P-Glasschicht 54 wie auch ein daran angrenzender oberflächennaher Bereich 52 de Substrats 50 lokal erhitzt. Die Erhitzung des Solarzellensubstrats 50 in dem erhitzten Bereich 52 kann dabei durch Absorption von Laserstrahlung 60 und/oder Wärmeübergangseffekte von der P-Glasschicht 54 auf das Solarzellensubstrat 50 erfolgen. Infolge der beschriebenen lokalen Erhitzung der P-Glasschicht 54 und des Solarzellensubstrats 50 in dem erhitzten Bereich 52 wird Phosphor aus der P-Glasschicht 54 in den erhitzten Bereich 52 des Solarzellensubstrats 50 eindiffundiert, sodass dort ein stärker dotierter Bereich 58 ausgebildet wird. Dies stellt eine Eindiffusion 18 von Dotierstoff aus der P-Glasschicht 54 in das Solarzellensubstrat 50 im Sinne der Darstellung in 1 dar.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens der 1 wird im Zuge des Bestrahlens 14 der P-Glasschicht das Solarzellensubstrat in einem Flächenanteil von weniger als 10 der bestrahlten Gesamtfläche angeschmolzen 16. Übertragen auf die Darstellung der 4 hieße dies, dass ein Teil des erhitzten Bereichs 52 angeschmolzen wird. Im weiteren Verfahrensablauf gemäß der 1 werden die eingeschmolzenen Teile des Solarzellensubstrats rekristallisiert 20. Hieran schließt sich ein Entfernen der P-Glasschicht an. Des Weiteren wird die Vorderseite des Solarzellensubstrats mit einer Siliziumnitridbeschichtung versehen 24. Ferner werden die Metallisierungsbereiche, in welchen stärker dotierte. Bereiche ausgebildet wurden, metallisiert 26. Diese Metallisierung kann grundsätzlich auf jede an sich bekannte Art erfolgen. Bevorzugt werden metallhaltige Pasten auf die Metallisierungsbereiche aufgebracht, insbesondere mittels an sich bekannter Druckverfahren wie beispielsweise Siebdruckverfahren, und eingesintert. In dieser Weise kann mit dem Verfahren gemäß der Darstellung der 1 vorteilhaft eine Solarzelle mit einem selektiven Emitter ausgebildet werden.
  • 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dieses unterscheidet sich von dem Verfahren nach 1 darin, dass auf das Anschmelzen 16 des Solarzellensubstrats gänzlich verzichtet wird. Infolgedessen ergibt sich, wie bereits oben erläutert wurde, in den erhitzten Bereichen des Solarzellensubstrats eine geringere Absenkung des Schichtwiderstandes, doch kann der Kontaktwiderstand hinreichend reduziert werden, um eine guten elektrischen Kontakt zwischen dem Solarzellensubstrat und bei der Metallisierung 26 aufgebrachten Kontakten, also ein entsprechend niedriger Kontaktübergangswiderstand, erzielt werden. Gleichzeitig entfällt die Gefahr, dass bei der Rekristallisation aufgeschmolzener Bereiche des Solarzellensubstrats strukturelle Defekte ausgebildet oder unerwünschte Verunreinigungen in das Solarzellensubstrat eingetragen werden, was sich negativ auf den Wirkungsgrad der Solarzelle auswirken würde.
  • Entsprechend ist die Darstellung der schwächer 56 und stärker dotierten Bereiche 58 mittels der gestrichelten Linie in 4 zu verstehen. Der stärker dotierte Bereich 58 kann gegenüber dem schwächer dotierten Bereich 56 lediglich einen veränderten Kontaktwiderstand aufweisen. Zusätzlich kann sich der stärker dotierte Bereich 58 von dem schwächer dotierten Bereich 56 auch darin unterscheiden, dass der Schichtwiderstand in dem stärker dotierten Bereich 58 gegenüber dem in dem schwächer dotierten Bereich 56 vorherrschenden Schichtwiderstandswert verringert ist. Der Umfang der Verringerung des Schichtwiderstandes in dem stärker dotierten Bereich hängt davon ab, in welchem Umfang das Solarzellensubstrat in dem erhitzten Bereich 52 angeschmolzen und rekristallisiert wird. Dies erschließt sich aus der Darstellung der 6 und wurde oben näher erläutert.
  • In den 3 und 4 wurde auf eine Darstellung etwaiger Oberflächentexturierungen der Übersichtlichkeit halber verzichtet. Grundsätzlich kann das Solarzellensubstrat 50 sowohl bei der Bestrahlungsvariante der 3 wie auch bei der Bestrahlungsvariante der 4 eine Oberflächentexturierung aufweisen, doch ist dies nicht zwingend erforderlich.
  • Die Ausführungsvariante der Bestrahlung gemäß der 3 unterscheidet sich von der Bestrahlungsvariante nach 4 darin, dass bei der Variante gemäß 3 das Solarzellensubstrat 50 unmittelbar mit der Laserstrahlung 60 bestrahlt wird. Als Dotierstoffquelle könnte dabei anstelle der aus 4 bekannten P-Glasschicht 54 eine dotierstoffhaltige Atmosphäre dienen, aus welcher Dotierstoff in den erhitzten Bereich 52 eindiffundiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit flexibel sowohl bei beschichteten wie auch bei unbeschichteten Solarzellensubstraten einsetzbar.
  • Die Oberflächentexturierung gemäß der Ausführungsvarianten der 1 und 2 können beispielsweise durch nasschemisches Texturätzen des Solarzellensubstrats ausgebildet werden. Hierbei können alkalische genauso wie saure Texturätzlösungen Verwendung finden. Mit sauren Texturätzlösungen hergestellte Oberflächentexturierungen werden teilweise als Isotexturen bezeichnet. 5 zeigt in der linken Bildhälfte in zwei schematischen Teildarstellungen a) und b) eine Oberflächentextur, wie sie mittels einer alkalischen Texturätzlösung auf einer monokristallinen Siliziumscheibe ausgebildet werden kann. Die Teildarstellung a) zeigt dabei eine Aufsicht auf solch eine Oberflächentexturierung 73, die Teildarstellung b) eine perspektivische Darstellung dieser Oberflächentexturierung 73. Die generierten Pyramidenstrukturen der Oberflächentexturierung 73 haben typischerweise eine als Texturhöhe h bezeichnete Höhe im Bereich von 3 μm bis 15 μm. Die Erfindung kann ohne Weiteres auch bei multikristallinen Materialien, insbesondere multikristallinen Siliziummaterialien Verwendung finden. Statt der in 5 dargestellten Pyramidenstrukturen ergeben sich dann, je nach verwendeter Ätzlösung Oberflächentexturierungen mit anderen geometrischen Gestalten. Bei der Herstellung von Oberflächentexturierungen auf multikristallinen Siliziummaterialien haben sich insbesondere saure Texturätzlösungen bewährt.
  • Die Teildarstellungen a) und b) der 5 zeigen die Oberflächentexturierung 73 vor Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wird bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf ein Anschmelzen des Halbleitersubstrats bei der Bestrahlung mit Laserstrahlung verzichtet, so geben diese Teildarstellungen a) und b) auch den Zustand der Oberflächentexturierung nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wieder. Strukturspitzen 74 der Oberflächentexturierung 73 sind dann nicht angeschmolzen worden.
  • Bei einer anderen Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Strukturspitzen 74 der Oberflächentexturierung hingegen über eine Querschnittsfläche 78 hinweg angeschmolzen. Die Teildarstellung c) und d) zeigen das Resultat einer solchen Verfahrensführung. Anstelle der spitz zulaufenden Strukturspitzen 74 in den Teildarstellungen a) und b) liegen nunmehr angeschmolzene und rekristallisierte Strukturspitzen 76 vor. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Strukturspitzen der Oberflächentexturierung 73 über eine Querschnittsfläche 78 hinweg angeschmolzen, die weniger als 1 μm2, vorzugsweise weniger als 0,25 μm2 beträgt. Dass dies realisierbar ist, illustriert 7, welche eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme einer Oberflächentexturierung nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt. Wie hierin erkennbar ist, wurden die Strukturspitzen nicht oder allenfalls sehr gering angeschmolzen.
  • 8 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Solarzelle 70. Diese weist ein Solarzellensubstrat 50 auf, welches vorzugsweise durch eine Siliziumscheibe gebildet ist. Wie in der schematischen Seitenansicht der 8 erkennbar ist, weist die Solarzelle 70 eine zweistufige Dotierung auf, welche aus dem stärker dotierten Bereich 58 und schwächer dotierten Bereichen 56 gebildet ist. Der stärker dotierte Bereich 58 unterscheidet sich dabei von den schwächer dotierten Bereichen 56 dadurch, dass in dem stärker dotierten Bereich 58 ein geringerer Kontaktwiderstand vorherrscht. Zudem kann der Schichtwiderstand in dem stärker dotierten Bereich gegenüber den schwächer dotierten Bereichen verringert sein. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Solarzelle der 8 in dem stärker dotierten Bereich 58 einen Kontaktwiderstand von 10 mΩcm2 oder weniger auf. Der Schichtwiderstand in den stärker dotierten Bereichen 58 beträgt mindestens 50% des in schwächer dotierten Bereichen vorherrschenden Schichtwiderstandswertes, vorzugsweise mindestens 70% dieses Wertes und besonders bevorzugt 90% oder mehr des in schwächer dotierten Bereichen vorherrschenden Schichtwiderstandswertes. Auf diese Weise kann auch in den stärker dotierten Bereichen eine vergleichsweise hohe spektrale Empfindlichkeit realisiert werden.
  • Wie die Seitenansicht der 8 zeigt, ist eine auf dem stärker dotierten Bereich 58 angeordnete Metallisierung 72 schmaler ausgeführt als der stark dotierte Bereich 58. Wie oben dargelegt wurde, kann auf diese Weise die Anforderung an die Justage bzw. Ausrichtungsgenauigkeit der Metallisierung 72 relativ zu dem stark dotierten Bereich 58 verringert werden, was die Stabilität des Herstellungsprozesses erhöht und das Ausschussrisiko verringert.
  • 9 zeigt in einer Aufsicht eine vergrößerte Teildarstellung des Teilbereichs A der Solarzelle 70 aus 8. Wie hierin erkennbar ist, weist die Solarzelle 70 eine Oberflächentexturierung 73 auf. Deren Strukturspitzen 76 sind in der linken Bildhälfte intakt. Diese linke Bildhälfte zeigt die Oberflächentexturierung 73 in einem schwächer dotierten Bereich 56. Dieser grenzt, wie durch eine gestrichelte Linie angedeutet, an den stärker dotierten Bereich 58 an. Der stärker dotierte Teilbereich 58 ist, wie wiederum durch eine gestrichelte Linie angedeutet, teilweise von der Metallisierung 72 überdeckt. In dem stärker dotierten Bereich 58 sind die Strukturspitzen 76 der Oberflächentexturierung 73 über eine Querschnittsfläche 78 von weniger als 1 μm2, vorzugsweise von weniger als 0,25 μm2, hinweg angeschmolzen und rekristallisiert. Um so weniger der Schichtwiderstand in dem stärker dotierten Bereich 58 gegenüber dem in dem schwächer dotierten Bereich 56 vorherrschenden Schichtwiderstandswert reduziert ist, umso höher ist die spektrale Empfindlichkeit des Solarzellensubstrats in denjenigen Teilbereichen der stärker dotierten Bereiche 58, welche nicht von der Metallisierung bedeckt sind, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Solarzelle 70 auswirkt.
  • Bei den Darstellungen der 8 und 9 handelt es sich um Prinzipdarstellungen. Es ist daher offensichtlich, dass Anzahl, Gestalt und Geometrie der stärker dotierten Bereiche 58 wie auch der Metallisierungen 72 auf den jeweiligen Anwendungsfall abzustimmen sind.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wie auch bei der erfindungsgemäßen Solarzelle können als Halbleiter- beziehungsweise Solarzellensubstrat monokristalline oder multikristalline Materialien verwendet werden, insbesondere monokristalline oder multikristalline Siliziummaterialien.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Ausbilden Oberflächentexturierung
    12
    Phosphordiffusion
    14
    Bestrahlen mit Laserstrahlung
    16
    Anschmelzen Solarzellensubstrat
    18
    Eindiffusion Dotierstoff
    20
    Rekristallisation
    22
    Entfernen P-Glas
    24
    Siliziumnitridbeschichtung
    26
    Metallisieren
    50
    Solarzellensubstrat
    52
    erhitzter Bereich
    54
    P-Glasschicht
    56
    schwächer dotierter Bereich
    58
    stärker dotierter Bereich
    60
    Laserstrahlung
    62
    bestrahlter Bereich
    70
    Solarzelle
    72
    Metallisierung
    73
    Oberflächentexturierung
    74
    Strukturspitze
    76
    angeschmolzene und rekristallisierte Strukturspitze
    78
    Querschnittsfläche
    h
    Texturhöhe
    SiN
    Siliziumnitrid
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2006/012840 [0003]

Claims (14)

  1. Verfahren zur Dotierung eines Halbleitersubstrats (50), bei welchem das Halbleitersubstrat (50) durch Bestrahlung (14) mit Laserstrahlung (60) erhitzt wird und dabei in erhitzten Bereichen (52) Dotierstoff aus einer Dotierstoffquelle (54) in das Halbleitersubstrat (50) eindiffundiert wird (16), dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Erhitzen des Halbleitersubstrats (50) durch die Bestrahlung (14) mit Laserstrahlung (60) ein Flächenanteil des Halbleitersubstrats (50) angeschmolzen (18) und rekristallisiert (20) wird, der weniger als 10% der Gesamtfläche aller bestrahlten Bereiche (62) beträgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (50) mittels lokaler Bestrahlung (14) mit Laserstrahlung (60) lokal erhitzt und in den erhitzten Bereichen (52) lokal Dotierstoff eindiffundiert wird (16).
  3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (50) in einem Flächenanteil von weniger als 5% der Gesamtfläche aller bestrahlten Bereiche (62) angeschmolzen (18) und rekristallisiert (20) wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (50) bei der Bestrahlung (14) mit Laserstrahlung (60) nicht angeschmolzen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in erhitzten Bereichen (52) ein Kontaktwiderstand des Halbleitersubstrats (50) auf 10 mΩcm2 oder weniger reduziert, ein Schichtwiderstand des Halbleitersubstrats (50) jedoch gegenüber einem vor Eindiffusion (16) des Dotierstoffs vorherrschenden Wert um 50% oder weniger reduziert wird, vorzugsweise um 30% oder weniger und besonders bevorzugt um 10% oder weniger.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zumindest abschnittsweise mit einer Oberflächentexturierung (73) versehenes Halbleitersubstrat (50) verwendet wird und Strukturspitzen (74, 76) der Oberflächentexturierung über eine Querschnittsfläche (78) von weniger als 1 μm2 hinweg angeschmolzen werden (18), vorzugsweise über eine Querschnittsfläche (78) von weniger als 0,25 μm2 hinweg.
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das Halbleitersubstrat (50) mit gepulster Laserstrahlung (60) mit einer Pulsenergiedichte von weniger als 2 J/cm2 bestrahlt wird (14).
  8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (50) mit gepulster Laserstrahlung (60) bestrahlt wird (14), die eine Pulslänge zwischen 20 ns und 500 ns, vorzugsweise eine Pulslänge zwischen 100 ns und 300 ns, aufweist.
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Laserstrahlung (60) eines diodengepumpten Festkörperlasers verwendet wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch die lokale Eindiffusion (16) von Dotierstoff in den erhitzten Bereichen (52) stärker dotierte Bereiche (56) einer zweistufige Dotierung (56, 58) ausgebildet werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Solarzellensubstrat (50) als Halbleitersubstrat (50) verwendet wird und in den stärker dotierten Bereichen (58) der zweistufigen Dotierung (56, 58) eine Metallisierung (72) aufgebracht wird (26).
  12. Solarzelle (70) aufweisend ein zumindest abschnittsweise mit einer Oberflächentexturierung (73) versehenes Solarzellensubstrat (50) und eine zweistufige Dotierung (56, 58), dadurch gekennzeichnet, dass in stärker dotierten Bereichen (58) der zweistufigen Dotierung (56, 58) Strukturspitzen (76) der Oberflächentexturierung (73) über eine Querschnittsfläche (78) von weniger als 1 μm2 hinweg angeschmolzen und rekristallisiert sind.
  13. Solarzelle (70) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturspitzen (76) der Oberflächentexturierung (73) über eine Querschnittsfläche (78) von weniger als 0,25 μm2 hinweg angeschmolzen und rekristallisiert sind.
  14. Solarzelle (70) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet dass das Solarzellensubstrat (50) – in den stärker dotierten Bereichen (58) der zweistufigen Dotierung (56, 58) einen Kontaktwiderstand von 10 mΩcm2 oder weniger aufweist und – in den stärker dotierten Bereichen (58) der zweistufigen Dotierung (56, 68) einen Schichtwiderstand aufweist, der mindestens 50% des in schwächer dotierten Bereichen (56) der zweistufigen Dotierung (56, 58) vorherrschenden Schichtwiderstandswertes beträgt, vorzugsweise mindestens 70% und besonders bevorzugt mindestens 90%.
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