DE102010024835A1 - Method for fabrication of a backside contact solar cell - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer Rückkontakt-Solarzelle, umfassend die Schritte a) Bereitstellen eines kristallinen Siliziumsubstrats (101) mit einer Frontseite und einer Rückseite; b) gleichzeitiges Diffundieren eines Phosphor-Dotanden auf wenigstens einem Teil der genannten Frontseite und wenigstens einem Teil der genannten Rückseite in das genannte kristalline Siliziumsubstrat (101), wodurch ein frontseitiger Phosphor-Diffusionsbereich (201) mit einer ersten Diffusionstiefe und ein rückseitiger Phosphor-Diffusionsbereich (203) mit derselben ersten Diffusionstiefe erzeugt wird, wobei während der Diffusion des genannten Phosphor-Dotanden in einem in situ-Schritt eine Schicht aus Phosphorsilikatglas (202) auf dem frontseitigen Phosphor-Diffusionsbereich (201) und in einem in situ-Schritt eine Schicht aus Phosphorsilikatglas (204) auf dem rückseitigen Phosphor-Diffusionsbereich (203) gebildet wird; c) Bilden einer ersten dielektrischen Schicht (305) auf wenigstens einem Teil der Rückseite des Siliziumsubstrats (101); d) Abtragen wenigstens eines Teils der Phosphorsilikatglasschicht (202) auf der Frontseite des Siliziumsubstrats (101) sowie e) Erhitzen des durch die Durchführung der Schritte a) bis d) erzielten Produkts, wie oben beschrieben, für einen bestimmten Zeitraum und bei einer bestimmten Temperatur, wobei der genannte Zeitraum und die genannte Temperatur solcherart gewählt werden, dass der genannte frontseitige Phosphor-Diffusionsbereich (201) und der genannte rückseitige Phosphor-Diffusionsbereich (203) sich weiter in den Kristall ausdehnen bis zu einer zweiten Diffusionstiefe, die nach dem Erhitzen für den frontseitigen Phosphor-Diffusionsbereich (203A) eine andere ist als für den rückseitigen Phosphor-Diffusionsbereich (203B).A method for producing a back contact solar cell, comprising the steps a) providing a crystalline silicon substrate (101) with a front side and a rear side; b) simultaneous diffusion of a phosphorus dopant on at least a part of said front side and at least a part of said back side into said crystalline silicon substrate (101), whereby a front side phosphor diffusion area (201) with a first diffusion depth and a rear side phosphor diffusion area (203) is generated with the same first diffusion depth, a layer of phosphorus silicate glass (202) on the front-side phosphorus diffusion region (201) and a layer in an in situ step during the diffusion of said phosphorus dopant in an in situ step is formed from phosphorus silicate glass (204) on the back phosphor diffusion region (203); c) forming a first dielectric layer (305) on at least a portion of the back of the silicon substrate (101); d) removing at least part of the phosphorus silicate glass layer (202) on the front side of the silicon substrate (101) and e) heating the product obtained by carrying out steps a) to d), as described above, for a certain period of time and at a certain temperature wherein said time period and temperature are selected such that said front phosphor diffusion region (201) and said back phosphor diffusion region (203) expand further into the crystal to a second depth of diffusion, which after heating for the front phosphor diffusion region (203A) is different from that for the rear phosphor diffusion region (203B).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Rückkontakt-Solarzelle mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Solarzelle hergestellt unter Anwendung des genannten Verfahrens.The invention relates to a method for producing a back contact solar cell having the features according to the preamble of
Solarzellen sind allseits bekannte Bauelemente, die Sonnenlicht, d. h. elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie umwandeln. Die Frontseite einer Solarzelle bzw. eines Substrats, das zur Herstellung einer Solarzelle verwendet wird, ist die lichtzugewandte Seite, wenn die Solarzelle in Betrieb ist. Die Rückseite einer Solarzelle bzw. eines Substrats, das zur Herstellung einer Solarzelle verwendet wird, ist die der Frontseite gegenüber liegende Seite.Solar cells are well-known components that sunlight, d. H. convert electromagnetic radiation into electrical energy. The front side of a solar cell or a substrate used to manufacture a solar cell is the light-facing side when the solar cell is in operation. The back surface of a solar cell or a substrate used for manufacturing a solar cell is the side opposite to the front side.
Allgemein gesprochen, kann eine Solarzelle hergestellt werden, indem p- und n-dotierte Bereiche in einem Halbleitersubstrat ausgebildet werden, in der Regel Silizium. Bor wird häufig als p-Dotand eingesetzt und Phosphor wird häufig als n-Dotand eingesetzt.Generally speaking, a solar cell can be made by forming p- and n-doped regions in a semiconductor substrate, typically silicon. Boron is often used as a p-dopant and phosphorus is often used as an n-dopant.
Auf der Solarzelle auftreffendes Licht erzeugt Elektron-Loch-Paare. Die solcherart erzeugten Elektronen und Löcher wandern in der Regel in p-dotierte und n-dotierte Bereiche und zwar aufgrund eines elektrischen Feldes, das immer dann erzeugt wird, wenn p- und n-dotierte Bereiche miteinander in Kontakt stehen. Damit die Solarzelle Strom an einen externen Stromkreis weiterleiten kann, um also eine elektrische Kopplung herzustellen, werden die dotierten Bereiche an Kontakte gekoppelt, die in der Regel aus Metall hergestellt sind.Light striking the solar cell generates electron-hole pairs. The electrons and holes thus generated typically migrate into p-type and n-type regions due to an electric field generated whenever p- and n-type regions are in contact with each other. So that the solar cell can forward current to an external circuit, so as to produce an electrical coupling, the doped regions are coupled to contacts, which are usually made of metal.
Bei einer Rückkontakt-Solarzelle befinden sich diese Kontakte auf der Rückseite der Solarzelle. Variationen dieses Solarzellentyps und Verfahren zu ihrer Herstellung sind beispielsweise aus
Bei Rückkontakt-Solarzellen müssen die n-dotierten Bereiche auf der Frontseite der Solarzelle bzw. auf der Rückseite der Solarzelle unterschiedlichen Bedingungen genügen. Auf der Frontseite führt ein hoher Schichtwiderstand des „Front Surface Field” (FSF) des n-Dotanden zu einer verbesserten Oberflächenpassivierung. Auf der Rückseite, ist ein niedriger Schichtwiderstand des „Back Surface Field” (BSF) des n-Dotanden zu bevorzugen, um den Kontaktwiderstand zu reduzieren. Der Schichtwiderstand wird weitgehend durch die Dotandenkonzentration bestimmt.In the case of back contact solar cells, the n-doped regions on the front side of the solar cell or on the back side of the solar cell must satisfy different conditions. On the front side, a high layer resistance of the "front surface field" (FSF) of the n-dopant leads to improved surface passivation. On the back side, a low layer resistance of the back surface field (BSF) of the n-dopant is to be preferred in order to reduce the contact resistance. The sheet resistance is largely determined by the dopant concentration.
Aus diesem Grund verwenden sämtliche bekannten Herstellungsverfahren für Rückkontakt-Solarzellen zwei getrennte Prozessschritte in Bezug auf die Diffusion von n-Dotandenatomen in das Substrat, eines zur Ausbildung des n-Dotand-FSF und das andere zur Ausbildung des n-Dotand-BSF. Jedoch erfordert jeder dieser Prozessschritte Zeit und kostet Geld.For this reason, all known back contact solar cell fabrication methods use two separate process steps related to the diffusion of n-dopant atoms into the substrate, one to form the n-dopant FSF and the other to form the n-dopant BSF. However, each of these process steps takes time and costs money.
Deshalb ist es die Aufgabe dieser Erfindung ein zeit- und kosteneffizienteres Verfahren zur Herstellung einer Rückkontakt-Solarzelle sowie eine kostengünstigere Solarzelle hergestellt durch dieses Verfahren bereitzustellen.Therefore, it is the object of this invention to provide a more time and cost efficient method for making a back contact solar cell and a lower cost solar cell made by this method.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Rückkontakt-Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine gemäß diesem Verfahren hergestellten Solarzelle gelöst. Die vorteilhaften Ausgestaltungsvarianten des Verfahrens sind jeweils Gegenstand abhängiger Ansprüche.This problem is solved by a method for producing a back contact solar cell having the features of
Das Verfahren zur Herstellung einer Rückkontakt-Solarzelle gemäß dieser Erfindung umfasst die Schritte a) Bereitstellen eines kristallinen Siliziumsubstrats mit einer Frontseite und einer Rückseite und b) gleichzeitiges Diffundieren eines Phosphor-Dotanden auf wenigstens einem Teil der genannten Frontseite und wenigstens einem Teil der genannten Rückseite in das genannte Siliziumsubstrat solcherart, dass ein frontseitiger Phosphor-Diffusionsbereich mit einer ersten Diffusionstiefe und ein rückseitiger Diffusionsbereich mit derselben ersten Diffusionstiefe erzeugt werden und dass während der Diffusion des genannten Phosphor-Dotanden eine Schicht aus Phosphorsilikatglas in einem in situ-Schritt auf dem frontseitigen Phosphor-Diffusionsbereich sowie eine Schicht aus Phosphorsilikatglas in einem in situ-Schritt auf dem rückseitigen Phosphor-Diffusionsbereich gebildet wird.The method for producing a back contact solar cell according to this invention comprises the steps of a) providing a crystalline silicon substrate having a front side and a back side and b) simultaneously diffusing a phosphorus dopant on at least a part of said front side and at least a part of said back side in FIG said silicon substrate being such as to produce a front phosphorus diffusion region having a first diffusion depth and a backside diffusion region having the same first diffusion depth, and that during the diffusion of said phosphorus dopant, a layer of phosphosilicate glass in an in situ step on the front phosphorus Diffusion region and a layer of phosphosilicate glass is formed in an in situ step on the back phosphorus diffusion region.
In weiteren Verfahrensschritten gemäß dieser Erfindung werden als Schritt c) eine dielektrische Schicht auf der genannten Phosphorsilikatglasschicht auf wenigstens einem Teil der Rückseite des Silizumsubstrats ausgebildet, als Schritt d) wenigstens ein Teil der Phosphorsilikatglasschicht auf der Frontseite des Siliziumsubstrats abgetragen und als Schritt e) das nach der Durchführung der oben erwähnte Schritte erzeugte Produkt für einen bestimmten Zeitraum und bei einer bestimmten Temperatur erhitzt, wobei der genannte Zeitraum und die genannte Temperatur solcherart gewählt sind, dass der genannte frontseitige Phosphor-Diffusionsbereich und der genannte rückseitige Phosphor-Diffusionsbereich weiter in den Kristall eindringen bis zu einer zweiten Diffusionstiefe, die für den frontseitigen Phosphor-Diffusionsbereich nach dem Erhitzen eine andere ist als für den rückseitigen Phosphor-Diffusionsbereich. Die für das Erhitzen üblichen Temperaturen und Dauern liegen bei 850–1050°C bzw. bei 10–300 Minuten.In further process steps according to this invention, as step c), a dielectric layer is formed on said phosphorosilicate glass layer on at least a part of the back side of the silicon substrate, as step d) at least part of the phosphosilicate glass layer on the front side of the silicon substrate is removed and as step e) after heating the product produced by the above-mentioned steps for a certain period of time and at a certain temperature, wherein said period and said temperature are selected such that said front phosphorus diffusion region and said rear phosphorus diffusion region further penetrate into the crystal to a second diffusion depth, which is different for the front phosphorus diffusion region after heating than for the backside phosphor diffusion region. The usual for heating Temperatures and durations are 850-1050 ° C or 10-300 minutes.
Vorzugsweise sind die Schritte in der oben erwähnten und durch die Reihenfolge der zugewiesenen Buchstaben der im Alphabet angegebnen Reihenfolge durchzuführen.Preferably, the steps are to be performed in the order mentioned above and by the order of the assigned letters of the alphabetical order.
Indem dafür gesorgt wird, dass der erste Diffusionsschritt die Ausbildung einer Phosphorsilikatglasschicht bewirkt, wird eine Quelle von Dotandenatomen auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats bereitgestellt. Das Abtragen wenigstens eines Teils der genannten Phosphorsilikatglasschicht auf der Frontseite des Substrats bewirkt, dass die Menge der zusätzlich zur Verfügung stehenden Dotandenatome aus dieser Quelle für die Frontseite eine andere ist als für die Rückseite. Das Erhitzen führt dazu, dass die unterschiedliche Menge der zusätzlich zur Verfügung stehenden Dotandenatome in unterschiedlichen Diffusionsprofilen resultiert.By causing the first diffusion step to cause formation of a phosphosilicate glass layer, a source of dopant atoms is provided on the surface of the silicon substrate. The removal of at least a portion of said phosphorosilicate glass layer on the front side of the substrate causes the amount of additionally available dopant atoms from this source to be different than to the backside. The heating results in the different amount of additionally available dopant atoms resulting in different diffusion profiles.
Folglich kann mit Hilfe des Verfahrens gemäß dieser Erfindung gleichzeitig sowohl ein Phosphor-FSF als auch ein Phosphor-BSF gebildet werden, wodurch sich der zeit- und kostenintensive Bedarf zweier getrennter Prozessschritte erübrigt.Consequently, both a phosphorus-FSF and a phosphorus-BSF can be formed simultaneously with the aid of the process according to this invention, which obviates the time-consuming and cost-intensive requirement of two separate process steps.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante wird in Schritt a) ein n-Typ-Siliziumsubstrat bereitgestellt, weil dieses eine längere Lebensdauer aufweist.In an advantageous embodiment variant, an n-type silicon substrate is provided in step a) because it has a longer service life.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante wird die Phosphorsilikatglasschicht in Schritt d) vollständig von der Frontseite abgetragen, bevor auf der Frontseite des Siliziumsubstrats in Schritt e) eine zweite dielektrische Schicht ausgebildet wird.In a further advantageous embodiment variant, the phosphorosilicate glass layer is completely removed from the front side in step d), before a second dielectric layer is formed on the front side of the silicon substrate in step e).
Allgemein gesprochen ist es vorteilhaft, wenn eine Phosphorsilikatglasschicht von wenigstens 1 nm auf der Rückseite des genannten Siliziumsubstrats vorhanden ist. Parameter, die zur Steuerung der Dicke verwendet werden können, sind z. B. die Diffusionstemperatur, die Diffusionsdauer, der O2-Gasfluss, der N2-Gasfluss und die Menge bzw. der Fluss der verwendeten Phosphor-Diffusionsquelle.Generally speaking, it is advantageous if a phosphosilicate glass layer of at least 1 nm is present on the backside of said silicon substrate. Parameters that can be used to control the thickness are, for. As the diffusion temperature, the diffusion duration, the O2 gas flow, the N2 gas flow and the amount or the flow of the phosphorus diffusion source used.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante, werden die Prozessbedingungen für Schritt d), insbesondere die Ätzdauer und die Konzentration des Ätzmittels in der Ätzlösung, solcherart gewählt, dass die Frontseite des aus der Durchführung von Schritt d) resultierenden Siliziumsubstrats hydrophob ist.In a further advantageous embodiment variant, the process conditions for step d), in particular the etching time and the concentration of the etchant in the etching solution, are selected such that the front side of the silicon substrate resulting from the implementation of step d) is hydrophobic.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante werden die erste dielektrische Schicht auf wenigstens einem Teil der Rückseite des Siliziumsubstrats und/oder die genannte zweite dielektrische Schicht auf der Frontseite des Siliziumsubstrats dazu verwendet, eine Diffusionsmaske in einem weiteren Produktionsschritt der Solarzelle bereit zu stellen. Solcherart kann eine Kreuzkontamination von Dotanden zuverlässig vermieden werden.In a further advantageous embodiment variant, the first dielectric layer on at least one part of the rear side of the silicon substrate and / or the said second dielectric layer on the front side of the silicon substrate are used to provide a diffusion mask in a further production step of the solar cell. In this way, cross-contamination of dopants can be reliably avoided.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante wird zwischen der Durchführung von Schritt c) und der Durchführung von Schritt e) wenigstens der Schritt des Abtragens der dielektrischen Schicht auf der Rückseite des genannten Siliziumsubstrats und das Abtragen des Phosphor-Diffusionsbereichs auf wenigstens einem Teil der Rückseite des genannten Siliziumsubstrats, jedoch nicht auf der gesamten Rückseite des genannten Siliziumsubstrats sowie der Schritt des Reinigens der Teile, von denen die dielektrische Schicht auf der Rückseite des genannten Siliziumsubstrats und auf der Rückseite des Phosphor-Diffusionsbereichs abgetragen wurde, durchgeführt, weil dies eine einfache und praktische Möglichkeit ist, die Bereiche, in denen Bor-dotiertes Material bereitgestellt werden soll, zu definieren. Es ist besonders vorteilhaft, wenn unter diesen Bedingungen Schritt e) in einer O2, N2 und Bor umfassenden Atmosphäre stattfindet, so dass ein Bor-diffundierter Bereich in jenen Teilen entsteht, in welchen die dielektrische Schicht auf der Rückseite des genannten Siliziumsubstrats und auf der Rückseite des Phosphor-Bereichs abgetragen wurde. Dies führt zu einer weiteren Optimierung des Herstellungsprozesses, insbesondere in Bezug auf die Dauer, weil die Erhitzung, die zur Ausbildung eines Bor-diffundierten Bereichs, d. h. p-dotierter Teile des Siliziumsubstrats, erforderlich ist, gleichzeitig dazu verwendet werden kann, diejenigen Diffusionsprofile zu erzielen, die zu den erwünschten Eigenschaften des Phosphor-FSF und des Phosphor-BSF führen.In a further advantageous embodiment variant, between the execution of step c) and the implementation of step e) at least the step of removing the dielectric layer on the back side of said silicon substrate and the removal of the phosphorus diffusion region on at least a part of the backside of said silicon substrate but not all over the back side of said silicon substrate and the step of cleaning the parts from which the dielectric layer on the back side of said silicon substrate and on the back side of the phosphorus diffusion region has been removed, because this is a simple and practical possibility to define the areas in which boron-doped material is to be provided. It is particularly advantageous if under these conditions step e) takes place in an atmosphere comprising O 2, N 2 and boron, so that a boron-diffused region is formed in those parts in which the dielectric layer on the back side of said silicon substrate and on the back side of the phosphorus region was removed. This leads to a further optimization of the manufacturing process, especially in terms of duration, because the heating necessary to form a boron-diffused region, i. H. p-doped portions of the silicon substrate, may be used simultaneously to achieve those diffusion profiles that result in the desired properties of the phosphorus-FSF and the phosphorus-BSF.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante werden die Prozessbedingungen solcherart gewählt, dass nach Schritt e) die zweite Diffusionstiefe für den frontseitigen Phosphor-Diffusionsbereich kleiner ist als die zweite Diffusionstiefe für den rückseitigen Phosphor-Diffusionsbereich.In a further advantageous embodiment variant, the process conditions are selected such that, after step e), the second diffusion depth for the front phosphorus diffusion region is smaller than the second diffusion depth for the rearward phosphorus diffusion region.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante werden die Prozessbedingungen solcherart gewählt, dass nach Schritt e) der erzielte Schichtwiderstand des rückseitigen Phosphor-Diffusionsbereichs niedriger ist als der Schichtwiderstand des frontseitigen Phosphor-Diffusionsbereichs.In a further advantageous embodiment variant, the process conditions are selected such that, after step e), the sheet resistance of the backside phosphorus diffusion region obtained is lower than the sheet resistance of the front phosphorus diffusion region.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante wird nach Schritt f) eine dritte dielektrische Schicht (
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante umfasst wenigstens eine der genannten dielektrischen Schichten eines, mehrere oder alle der Materialien Wasserstoff enthaltendes PECVD-Siliziumnitrid, Wasserstoff enthaltendes Siliziumkarbid, Wasserstoff enthaltendes Siliziumoxinitrid, Wasserstoff enthaltendes amorphes Silizium oder Siliziumoxid. Diese Materialien ermöglichen eine Passivierung der Oberfläche und der Antireflexionsschichten. Sie eignen sich darüber hinaus als Diffusionsgrenzschichten.In a further advantageous embodiment variant comprises at least one of said dielectric layers comprise one or more or all of the materials hydrogen-containing PECVD silicon nitride, hydrogen-containing silicon carbide, hydrogen-containing silicon oxynitride, hydrogen-containing amorphous silicon or silicon oxide. These materials allow passivation of the surface and the antireflection layers. They are also suitable as diffusion boundary layers.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante werden wenigstens ein rückseitiger Phosphor-Diffusionsbereich und wenigstens ein Bor-Diffusionsbereich kontaktiert, wobei die genannte Kontaktierung bei gleichzeitiger Metallisierung unter Verwendung derselben Metallpaste oder Metallquelle innerhalb eines einzigen Prozesschrittes erreicht wird. Dies führt zu einer weiteren Optimierung des Herstellungsprozesses.In a further advantageous embodiment variant, at least one backside phosphorus diffusion region and at least one boron diffusion region are contacted, said contacting being achieved with simultaneous metallization using the same metal paste or metal source within a single process step. This leads to a further optimization of the manufacturing process.
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Abbildungen näher erläutert, die zeigen:The invention will now be explained in more detail with reference to the following figures, which show:
Wie in
Wie in
Die zweite dielektrische Schicht dient als Barriere, welche die diffundierte Phosphorschicht gegen eine spätere Diffusion mit Bor schützt. Als Alternative kann ein solcher Schutz auch dadurch geboten werden, dass die Wafer in einer Frontseite-gegen-Frontseite-Konfiguration für die Bor-Diffusion geladen werden. The second dielectric layer serves as a barrier which protects the diffused phosphor layer against later diffusion with boron. Alternatively, such protection can also be provided by charging the wafers in a front-to-front configuration for boron diffusion.
Nach diesen Schritten müssen in dem modifizierten kristallinen Siliziumsubstrat
Anschließend wird die in
Als Nächstes wird die in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 101101
- Kristallines SiliziumsubstratCrystalline silicon substrate
- 201201
- Frontseitiger Phosphor-Diffusionsbereich mit erster DiffusionstiefeFront phosphorus diffusion area with first diffusion depth
- 202202
- PhosphorsilikatglasschichtPhosphorus silicate glass layer
- 203203
- Rückseitiger Phosphor-Diffusionsbereich mit erster DiffusionstiefeBackside phosphor diffusion area with first diffusion depth
- 204204
- PhosphorsilikatglasschichtPhosphorus silicate glass layer
- 305305
- Erste dielektrische SchichtFirst dielectric layer
- 306306
- Zweite dielektrische SchichtSecond dielectric layer
- 401401
- Teil mit abgetragener dielektrischer Schicht und abgetragenem Phosphor-DiffusionsbereichPart with eroded dielectric layer and removed phosphorus diffusion region
- 501501
- Bor-DiffusionsbereichBoron diffusion region
- 201A 201A
- Frontseitiger Phosphor-Diffusionsbereich nach dem ErhitzenFront phosphorus diffusion area after heating
- 203A203A
- rückseitiger Phosphor-Diffusionsbereich nach dem Erhitzenbackside phosphor diffusion area after heating
- 601601
- Dritte dielektrische SchichtThird dielectric layer
- 701701
- Kontakt zum rückseitigen. Phosphor-DiffusionsbereichContact to the back. Phosphorus diffusion region
- 702702
- Kontakt zum Bor-DiffusionsbereichContact to the boron diffusion region
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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