DE102010035582B4 - Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle mit einer texturierten Frontseite sowie entsprechende Solarzelle - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle (100), aufweisend: Bereitstellen eines Solarzellensubstrates (1); Ausbilden einer Textur (7) an einer Frontseite (3) und an einer Rückseite (5) des Solarzellensubstrates (1); Aufbringen einer Ätzbarrierenschicht (15) an der Frontseite (3) des Solarzellensubstrates (1); und Glätten der Textur (7) an der Rückseite (5) des Solarzellensubstrates (1) durch Ätzen in einer isotrop wirkenden Ätzlösung, wobei die Textur (7) mit einer kantigen Struktur (11) ausgebildet wird und wobei beim Glätten der Textur (7) Kanten der Texturstruktur in Form einer Welligkeit ohne scharfe Kanten verrundet werden, wobei nach dem Glätten der Textur (7) eine dielektrische Passivierungsschicht (21) auf der Rückseite (5) des Solarzellensubstrates (1) aufgebracht wird.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle mit einer texturierten Frontseite. Die Erfindung betrifft ferner eine Solarzelle, die mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt werden kann.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Solarzellen werden meist basierend auf einem Halbleitersubstrat wie beispielsweise einem Siliziumwafer hergestellt, wobei häufig zumindest eine im Einsatz der Sonne zugewandte Frontseite des Substrates texturiert ist. Unter einer Texturierung wird hierbei ein gezieltes Abweichen von einer ebenen Ausgestaltung der Frontseite verstanden. Beispielsweise kann die Frontseite mit Hilfe eines sogenannten Texturierungsätzverfahrens derart angeätzt werden, dass an der Oberfläche kleine Pyramiden verbleiben. Eine derart texturierte Oberfläche kann eine geringere Reflexion aufweisen als eine untexturierte Oberfläche, so dass mehr auf die Frontseite auftreffendes Licht in das Solarzellensubstrat eingekoppelt und somit der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht werden kann.
  • US 2004/0 259 335 A1 beschreibt eine Solarzelle und ein Herstellungsverfahren für eine solche Solarzelle, bei denen eine Frontseite maskiert wird und eine Rückseite zurückgeätzt wird. US 2009/0 325 336 A1 beschreibt Verfahren zum Drucken einer Tinte auf eine texturierte Waferoberfläche. DE 10 2007 035 068 A1 beschreibt ein Verfahren zum Fertigen einer Silizium-Solarzelle mit einem selektiven Emitter sowie eine entsprechende Solarzelle. US 2005/0 126 627 A1 beschreibt eine Solarzelle und ein Verfahren zum Fertigen derselben, bei denen mikroskopische Vertiefungen an Oberflächen eines Substrates ein bestimmtes Verhältnis von maximaler Tiefe zu maximale Durchmesser aufweisen.
  • Allerdings wurde beobachtet, dass beispielsweise aufgrund des Verfahrens, wie herkömmlich bei Solarzellen eine Textur ausgebildet wird, häufig gewisse Nachteile in Kauf genommen werden müssen, die sich negativ auf den erreichbaren Wirkungsgrad auswirken können.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es wird daher ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle angestrebt, bei dem insbesondere nachteilige Effekte aufgrund der Bildung einer Textur an der Solarzellenoberfläche reduziert werden können. Insbesondere soll ein Wirkungsgrad verglichen mit in ähnlicher Weise mit einer Oberflächentextur versehenen Solarzellen erhöht werden. Es ist ferner interessant, ein möglichst einfaches Herstellungsverfahren vorzuschlagen, bei dem positive Effekte ohne zusätzliche komplizierte Verfahrensschritte erreicht werden können und das vorzugsweise mit Prozessschritten, wie sie herkömmlich bei der industriellen Herstellung von Solarzellen eingesetzt werden, kompatibel ist.
  • Dies kann mit dem Herstellungsverfahren sowie der Solarzelle gemäß den unabhängigen Ansprüchen erreicht werden. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle gemäß Anspruch 1 beschrieben. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Solarzellensubstrates, das Ausbilden einer Textur an einer Frontseite und an einer Rückseite des Solarzellensubstrates, das Aufbringen einer Ätzbarrierenschicht an der Frontseite des Solarzellensubstrates, und das Glätten der Textur an der Rückseite des Solarzellensubstrates durch Ätzen in einer isotrop wirkenden Ätzlösung. Die Textur wird dabei zunächst mit einer kantigen Struktur ausgebildet und beim Glätten der Textur werden Kanten der Texturstruktur in Form einer Welligkeit ohne scharfe Kanten verrundet. Nach dem Glätten der Textur wird eine dielektrische Passivierungsschicht auf die Rückseite des Solarzellensubstrates aufgebracht.
  • Aspekte der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf der folgenden Erkenntnis beruhend angesehen werden: Bei der Herstellung von Solarzellen beispielsweise auf Basis von Siliziumwafern wird zur Erreichung einer Reduzierung der frontseitigen Reflexion die Waferoberfläche meist durch Ätzen mit einer Texturätzlösung texturiert. Hierbei wird der Wafer herkömmlich meist vollständig in die Texturätzlösung eingetaucht, so dass sowohl seine Frontseite als auch seine Rückseite texturiert werden. Während der Texturätze wird ein Teil der Waferoberfläche weggeätzt, wobei der Ätzvorgang aufgrund einer anisotropen Wirkung der Texturätzlösung derart erfolgt, dass kleine Pyramiden, deren Höhen typischerweise im Bereich weniger Mikrometer liegen, verbleiben. Diese Pyramiden erzeugen schräge Flanken, an denen einfallendes Licht mehrmals reflektiert werden kann und es aufgrund eines sogenannten Light-Trappings zu reduzierter Reflexion kommt. Während dies an der Frontseite der Solarzelle zur Minimierung der Reflexion erwünscht sein kann, wurde erkannt, dass die scharfen Kanten der Pyramiden an der Rückseite der Solarzelle nachteilig wirken können.
  • Es wird hier ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle beschrieben, welches ermöglicht, scharfe Kanten einer Textur an der Solarzellenrückseite zu vermeiden. Hierzu wird vorgeschlagen, die an der Rückseite des Solarzellensubstrates zuvor ausgebildete Textur nachfolgend durch Ätzen in einer isotrop wirkenden Ätzlösung zu glätten. Die isotrop wirkende Ätzlösung kann hierbei das Material des Solarzellensubstrates in allen Richtungen gleich stark ätzen, d. h. es gibt keine bevorzugte Ätzrichtung. Unter „Glätten” kann hierbei verstanden werden, dass die Textur, die zuvor mit einer kantigen Struktur wie beispielsweise einer Pyramidenstruktur ausgebildet wurde, nachfolgend durch Ätzen in der säurehaltigen Ätzlösung verrundet wird. Die Kanten der Texturstruktur weisen somit nach dem Glätten keine in einem Winkel aneinandergrenzenden ebenen Flächen mehr auf, sondern gehen mit einem Krümmungsradius ineinander über. Der Krümmungsradius kann dabei beispielsweise in der Größenordnung der Abmessungen oder größer als die Abmessungen einzelner Texturelemente wie z. B. einzelner Pyramiden der ursprünglichen Texturstruktur, d. h. im Bereich von beispielsweise 0,1 bis 10 μm, sein.
  • Es hat sich gezeigt, dass eine Solarzelle, deren texturierte Rückseite geglättet wurde, eine erhöhte Rückseitenreflexion aufweisen kann. Dies kann dazu führen, dass Licht, welches von der Frontseite in das Solarzellensubstrat eingedrungen ist, an der Rückseite besser reflektiert wird und somit innerhalb des Solarzellensubstrates bleibt anstatt auf der Rückseite auszutreten. Dies kann insbesondere bei Solarzellen, die an ihrer Rückseite keinen separaten Rückseitenreflektor beispielsweise in Form einer aufgebrachten Metallschicht aufweisen, vorteilhaft sein und insbesondere zu einer Verbesserung der Quanteneffizienz bei langen Wellenlängen beitragen.
  • Ferner hat sich gezeigt, dass eine geglättete Rückseite, insbesondere wenn sie zur Oberflächenpassivierung mit einer dielektrischen Schicht beschichtet ist, eine geringere Oberflächenrekombination aufweist als eine mit scharfen Kanten versehene texturierte Rückseite. Beide Effekte können somit aufgrund der durch das Glätten der Textur geänderten Oberflächenmorphologie der Solarzellenrückseite zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades der auf die vorgeschlagene Weise hergestellten Solarzelle führen.
  • Es wurde beobachtet, dass ein solches Glätten der Textur insbesondere bei Solarzellensubstraten aus Silizium vorzugsweise mit einer säurehaltigen Ätzlösung erreicht werden kann. Die säurehaltige Ätzlösung soll dabei das Material des Solarzellensubstrates angreifen. Beispielsweise kann die säurehaltige Ätzlösung Flusssäure (HF) enthalten. Eine insbesondere für Siliziumsubstrate geeignete Ätzlösung setzt sich beispielsweise aus Flusssäure (HF), Salpetersäure (HNO3) und Wasser (H2O) zusammen. Im Gegensatz zu vielen basischen Ätzlösungen wirken säurehaltige Ätzlösungen meist isotrop und können somit beim Ätzen zu einer Verrundung und damit Glättung scharfkantiger Texturstrukturen beitragen.
  • Um die Frontseite des Solarzellensubstrates während des Ätzens zu schützen, kann diese mit einer Ätzbarrierenschicht bedeckt werden. Unter einer Ätzbarrierenschicht kann hierbei eine Schicht verstanden werden, die mit einer ausreichenden chemischen Ätzresistenz und einer ausreichenden Dicke und Dichtigkeit auf die Substratfrontseite aufgebracht ist, um diese vor einem Ätzen mit der Ätzlösung zu schützen. Beispielsweise kann die Ätzbarrierenschicht mit einer viskosen Paste ausgebildet werden. Die viskose Paste kann dabei wachsartig oder flüssig sein, wobei eine Viskosität derart ausgeprägt ist, dass die Paste einen während des Ätzvorgangs stabilen, dichten Film über der Substratfrontseite bilden kann.
  • Die Ätzbarrierenschicht kann beispielsweise mit Hilfe einer Siebdrucktechnik oder einer Tintenstrahltechnik (Ink-Jet) aufgebracht werden. Sowohl die Siebdrucktechnik als auch die Tintenstrahltechnik stellen Verfahrenstechniken dar, die bei der industriellen Fertigung von Solarzellen etabliert sind und beispielsweise zur Bildung von Metallkontakten seit langer Zeit zuverlässig eingesetzt werden.
  • Das zum Glätten der Textur durchgeführte Ätzen kann derart durchgeführt werden, dass weniger als 20 μm, vorzugsweise weniger als 10 μm und stärker bevorzugt weniger als 5 μm von der Rückseite des Solarzellensubstrates abgetragen werden. Im Vergleich zu sonstigen herkömmlich bei der Herstellung von Solarzellen durchgeführten Ätzschritten, wie sie beispielsweise zum Entfernen eines Sägeschadens oder zum Polieren der Solarzellenoberfläche durchgeführt werden, wird somit wesentlich weniger Material von der Solarzellenoberfläche abgetragen. Insbesondere angesichts der Tatsache, dass bei der Herstellung von Solarzellen zunehmend dünnere Substrate verwendet werden, kann es vorteilhaft sein, möglichst wenig Substratmaterial während des Ätzvorgangs abzutragen, wobei jedoch weiterhin eine ausreichende Glättung der Struktur an der Substratrückseite erreicht werden soll. Ein Abtragen von etwa 1–20 μm, vorzugsweise 3–10 μm an der Substratrückseite hat sich hierfür als geeignet erwiesen.
  • Der Vorgang des Ätzens zum Glätten der Textur kann verglichen mit anderen herkömmlich bei der Solarzellenherstellung verwendeten Ätzvorgängen kurz dauern. Beispielsweise kann das Ätzen während weniger als 5 Minuten, vorzugsweise weniger als 3 Minuten und stärker bevorzugt weniger als 2 Minuten durchgeführt werden. Eine solche kurze Ätzdauer kann zu einer schnellen Fertigung der gesamten Solarzelle beitragen.
  • Die säurehaltige Ätzlösung kann während des Ätzens im Wesentlichen auf Raumtemperatur, das heißt beispielsweise im Bereich von 10°C–40°C, vorzugsweise im Bereich von 20–30°C, sein. Es kann somit kein spezielles Temperieren, wie beispielsweise Heizen, der Ätzlösung nötig sein. Auch dies kann zur Vereinfachung und Beschleunigung des gesamten Fertigungsverfahrens beitragen.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens kann vor dem Glätten der Textur sowohl an der Frontseite als auch an der Rückseite des Solarzellensubstrates eine Emitterschicht ausgebildet werden. Da die Frontseite anschließend mit der Ätzbarrierenschicht geschützt wird, wird während des nachfolgenden Ätzens zum Glätten der Textur die Emitterschicht lediglich an der Rückseite des Solarzellensubstrates entfernt. Auf diese Weise kann eine Solarzelle hergestellt werden, die lediglich an ihrer Frontseite und eventuell an den seitlichen Kanten des Solarzellensubstrates eine Emitterschicht aufweist, wobei das ansonsten als Basis dienende Solarzellensubstrat an der Rückseite aufgrund des Ätzschrittes zum Glätten von der dort befindlichen Emitterschicht befreit wurde, so dass die Basis an der Rückseite direkt kontaktiert werden kann. Es ist somit nicht mehr wie bei vielen herkömmlich hergestellten Solarzellen nötig, einen parasitären Emitter an der Substratrückseite elektrisch von dem Emitter an der Frontseite zu isolieren, was herkömmlich zusätzliche Verfahrensschritte wie beispielsweise das einseitige nasschemische Emitterätzen ohne Maskierung, eine Kantenisolation mittels Laser, eine Kantenisolation mittels Plasma oder ein Kantentrennen mittels Säge erforderlich gemacht hat. Mit anderen Worten kann der Verfahrensschritt des Ätzens der Substratrückseite zum Glätten der dort ausgebildeten Textur gleichzeitig dazu benutzt werden, um einen zuvor an der Substratrückseite ausgebildeten parasitären Emitter wegzuätzen. Zusätzliche Verfahrensschritte zum elektrischen Isolieren der von den Rückseitenkontakten kontaktierten Substratrückseite und der von den Frontseitenkontakten kontaktierten Frontseite der Solarzelle können demnach überflüssig werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird nach dem Glätten der Textur eine Passivierungsschicht auf der Rückseite des Solarzellensubstrates aufgebracht. Unter einer Passivierungsschicht kann dabei eine Schicht verstanden werden, die eine Oberfläche des Halbleitersubstrates passiviert und somit zu einer verringerten Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit führt. Eine Passivierungsschicht kann beispielsweise eine dielektrische Schicht sein, die mit Siliziumnitrid (SixNy), Siliziumoxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3) oder amorphem Silizium (a-Si) gebildet ist. Es wurde beobachtet, dass insbesondere auf Rückseiten einer Solarzelle, deren Textur in der zuvor beschriebenen Weise geglättet wurde, eine solche Passivierungsschicht besonders vorteilhaft wirken kann. Insbesondere wurde beobachtet, dass eine mit einer Passivierungsschicht versehene geglättete Rückseitenoberfläche eine geringere Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit aufweist als eine ebenfalls mit einer Passivierungsschicht versehene, ungeglättete und mit scharfen Kanten versehene Rückseitenoberfläche.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann das beschriebene Glätten der Substratrückseite mit der Bildung eines selektiven Emitters kombiniert werden. Der selektive Emitter kann dabei durch Ätzen in einer Ätzlösung ausgebildet werden. Unter einem selektiven Emitter wird dabei eine emitterartig dotierte Schicht verstanden, deren Dotierungskonzentration lokal variiert. Mit anderen Worten kann zunächst eine homogen dotierte Emitterschicht erzeugt werden und diese anschließend lokal teilweise weggeätzt werden. Die Ätzbarrierenschicht, die auf der Frontseite ohnehin vor dem zum Glätten der Rückseite vorgesehenen Ätzschritt abgeschieden wird, kann dabei geeignet ausgestaltet werden, dass sich mit ihrer Hilfe auch ein selektives Ätzen der Frontseite und damit eine Erzeugung des selektiven Emitters realisieren lässt.
  • Beispielsweise kann die Ätzbarrierenschicht (15) zwei übereinander angeordnete Teilschichten aufweisen, die verschiedene Widerstandsfähigkeiten gegenüber Striplösungen, die zum Entfernen der Teilschichten verwendet werden, aufweisen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Solarzelle gemäß dem nebengeordneten Anspruch 12 beschrieben, die ein Solarzellensubstrat aufweist, das an einer Frontseite eine kantige Textur aufweist und das an einer Rückseite eine in Form einer Welligkeit verrundete Textur ohne scharfe Kanten aufweist. Auf die Rückseite des Solarzellensubstrats ist eine dielektrische Passivierungsschicht aufgebracht. Eine solche Solarzelle kann mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Die kantige Textur an der Frontseite kann dabei scharfe Kanten aufweisen, wohingegen die geglättete Textur an der Rückseite verrundete Kanten aufweisen kann. Die Rückseite der Solarzelle braucht dabei jedoch nicht vollkommen glatt, das heißt eben zu sein, sondern kann durchaus eine Art Textur in Form einer Welligkeit aufweisen und somit uneben sein. Die an der Rückseite vorgesehene geglättete Textur soll jedoch keine scharfen Kanten aufweisen. Vorzugsweise ist die Rückseite des Solarzellensubstrates mit einer Passivierungsschicht bedeckt.
  • Mit dem vorgeschlagenen Herstellungsverfahren bzw. der vorgeschlagenen Solarzelle lassen sich unter anderem die folgenden Vorteile erreichen:
    • – Die an ihrer Rückseite mit der geglätteten Textur versehene Solarzelle kann einen verbesserten Wirkungsgrad aufweisen. Dieser verbesserte Wirkungsgrad kann sich aus einer durch die geglättete Textur erhöhten Reflexion an der Solarzellenrückseite und damit durch eine erhöhte Lichteinkopplung für die Solarzelle, die zu einer Erhöhung der Quanteneffizienz der Solarzelle im langwelligen Wellenlängenbereich führt, ergeben. Eine Oberflächen-passivierte, mit einer geglätteten Textur versehene Rückseitenoberfläche kann insbesondere für an ihrer Rückseite lokal kontaktierte Solarzellen ein erhöhtes Wirkungsgradpotential ermöglichen.
    • – Die auf der Frontseite des Solarzellensubstrates abgeschiedene Ätzbarrierenschicht kann eine zuvor an der Frontseite ausgebildete Emitterschicht vollständig und zuverlässig schützen, so dass der frontseitige Emitter nicht angegriffen wird. Insbesondere, wenn für die Ätzbarrierenschicht eine einfach aufbringbare und auch leicht zu entfernende viskose Paste verwendet wird, ist auch nach dem Entfernen der Ätzbarrierenschicht keine Änderung des Schichtwiderstandes des frontseitigen Emitters zu verzeichnen.
    • – Zum Glätten der Textur wird lediglich wenig Material von der Rückseite des Solarzellensubstrates abgeätzt. Der Ätzvorgang kann daher mit einer geringen Prozessdauer durchgeführt werden. Trotz des geringen Materialverlustes ist eine signifikante Erhöhung der Rückseitenreflexion durch die Glättung der Rückseitentextur erreichbar.
    • – Das Glätten der Rückseitentextur kann mit einer Entfernung eines rückseitigen Emitters kombiniert werden. Durch den Materialabtrag beim Ätzen der Rückseite für deren Glättung wird der rückseitige Emitter gleichzeitig mitentfernt. Ein separates elektrisches Isolieren des parasitären rückseitigen Emitters kann entfallen.
    • – Optional kann das hier vorgeschlagene Verfahren zur Glättung der Rückseitentextur mit einem Verfahren kombiniert werden, bei dem an der Substratfrontseite ein sogenannter selektiver Emitter erzeugt wird. Der selektive Emitter kann dabei dadurch erzeugt werden, dass die Frontseite partiell mit einer Ätzbarrierenschicht geschützt und anschließend in den ungeschützten Bereichen teilweise durch Zurückätzen entfernt wird, so dass dort Emitterbereiche mit erhöhtem Schichtwiderstand verbleiben. Für die Erzeugung eines derart hergestellten selektiven Emitters und zum Glätten der Rückseitentextur könnte ein einziger Maskierschritt, bei dem eine Ätzbarrierenschicht selektiv auf der Frontseite des Solarzellensubstrates aufgebracht wird, genügen. Ferner könnte ein einziger Ätzvorgang genügen, um den Emitter selektiv zurückzuätzen und die Rückseitentextur zu glätten.
    • – Das vorgeschlagene Verfahren kann auf im industriellen Maßstab kostengünstige Technologien wie zum Beispiel den Siebdruck oder den Tintenstrahldruck und nasschemische Ätzverfahren zurückgreifen. Diese werden schon seit vielen Jahren in der Solarzellenproduktion eingesetzt und können problemlos für das vorgestellte Verfahren umgerüstet werden.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise in Bezug auf das Herstellungsverfahren und teilweise in Bezug auf die Solarzelle beschrieben sind. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass die entsprechenden Merkmale in analoger Weise auch auf die Solarzelle bzw. das Herstellungsverfahren übertragen werden können. Insbesondere können die beschriebenen Merkmale auch in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorangehend beschriebenen und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung spezifischer Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen ist, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
  • 1 veranschaulicht Teile einer Sequenz von Prozessschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt eine Schnittansicht durch eine Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die Zeichnungen sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.
  • BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Mit Bezug auf 1 sollen Teile eines Verfahrens zum Herstellen einer Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Es wird darauf hingewiesen, dass in der Figur insbesondere einige für das erfindungsgemäße Verfahren wesentliche Prozessschritte nicht oder lediglich schematisch dargestellt sind. Das gesamte Verfahren zum Herstellen der Solarzelle kann weitere Prozessschritte umfassen. Beispielhaft sind einige solcher weiteren Prozessschritte in der nachfolgenden Beschreibung genannt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die in den Ansprüchen genannten verfahrenswesentlichen Prozessschritte auch mit anderen Prozessschritten zu einer gesamten Herstellungssequenz kombiniert werden können.
  • Zunächst wird in Schritt (a) ein Solarzellensubstrat 1 bereitgestellt. Es kann sich dabei beispielsweise um einen Siliziumwafer mit einer dünnen Dicke von weniger als 200 im handeln. Das Solarzellensubstrat kann vor einer Weiterprozessierung durch Reinigungsschritte und Ätzschritte, mit denen beispielsweise ein beim Sägen des Substrates entstandener Sägeschaden entfernt wird, vorbereitet werden.
  • In einem nächsten Schritt (b) wird sowohl an einer Frontseite 3 als auch an einer Rückseite 5 des Solarzellensubstrates 1 eine Textur 7 ausgebildet. Hierzu kann das Substrat 1 vollständig in eine heiße Ätzlauge, die beispielsweise Kaliumhydroxid (KaOH) enthält, eingetaucht werden. Die Ätzlauge ist dabei derart gewählt, dass die Oberflächen des Solarzellensubstrates anisotrop angeätzt werden, so dass sich kleine pyramidenartige Strukturen daran ausbilden. In 1 ist für den Schritt (b) dabei in der rechts dargestellten Vergrößerung gut zu erkennen, dass sich durch einen solchen Ätzschritt unter anderem an der Rückseite 5 eine scharfkantige Textur 7 ausbildet. Die Pyramiden 9 sind dabei in einer kantigen Struktur 11 an der Rückseite 5 ausgebildet.
  • Alternativ kann das Solarzellensubstrat 1 auch in einer speziellen sauren Lösung mit eienr Mischung aus Flusssäure (HF), Salpetersäure (HNO3) und Wasser (H2O) geätzt werden, die aufgrund einer anisotropen Ätzeigenschaft ebenfalls zu einer scharfkantigen Textur führen kann. Auf diese Weise können auch multikristalline Solarzellensubstrate texturiert werden.
  • Anschließend wird das derart texturierte Solarzellensubstrat 1 in einem Schritt (c) einer Emitterdiffusion unterzogen. Dabei bildet sich an der gesamten Oberfläche des Solarzellensubstrates 1 eine dünne Emitterschicht 13. In das Basis-artige halbleitende Solarzellensubstrat 1 werden hierzu oberflächlich Dotanden eindiffundiert, um eine dünne Emitterschicht 13 vom entgegengesetzten Halbleitertyp zu bilden. Die Emitterschicht erstreckt sich dabei über die gesamte Oberfläche des Solarzellensubstrates 1 einschließlich der Frontseite 3 und der Rückseite 5.
  • Anschließend wird in einem Schritt (d) an der Frontseite 3 eine Ätzbarrierenschicht 15 auf das Solarzellensubstrat aufgebracht. Die Ätzbarrierenschicht 15 kann dabei in Form einer viskosen Paste, beispielsweise einer wachsartigen Paste, mit herkömmlichen Siebdrucktechniken oder Tintenstrahltechniken auf der Frontseite 3 aufgebracht werden. Beispielsweise kann sogenanntes Inkjet Wachs, wie es unter anderem unter dem Namen SunJet® von Sun Chemical Corporation (GB) vertrieben wird, mittels eines Inkjetters mit einer Dicke von 5–10 μm auf der Frontseite 3 aufgebracht werden. Alternativ kann mittels eines Siebdruckers eine viskose Paste, wie sie unter anderem von Peters Lackwerke GmbH (Deutschland) vertrieben wird, mit einer Dicke von 5–10 μm auf der Frontseite 3 aufgebracht werden.
  • Das derart präparierte Solarzellensubstrat 1 wird anschließend in einem Schritt (e) in eine säurehaltige Ätzlösung eingetaucht. Die von der Ätzbarrierenschicht 15 geschützten Bereiche werden dabei von der Ätzlösung nicht angegriffen. Die frei liegenden Bereiche 17 werden jedoch von der isotrop wirkenden sauren Ätzlösung angegriffen und abgeätzt. Die saure Ätzlösung kann dabei Flusssäure (HF), Salpetersäure (HNO3) und Essigsäure (CH3COOH) beispielsweise im Verhältnis 19:60:20, aufweisen. Die Ätzlösung kann ferner Wasser (H2O) beinhalten. Die Temperatur der Ätzlösung kann dabei in etwa der Raumtemperatur entsprechen. Der Ätzvorgang kann weniger als 2 Minuten dauern. Dabei wird erfahrungsgemäß an den frei liegenden Bereichen 17 eine Schicht mit einer Dicke von weniger als 10 μm abgetragen.
  • Da der Ätzvorgang in der säurehaltigen Ätzlösung isotrop ist, wird die zuvor scharfkantig ausgebildete Textur 7 verrundet und somit geglättet. Gleichzeitig wird die zuvor eindiffundierte Emitterschicht 13, die typischerweise lediglich wenige 100 nm dick ist, während des Ätzschrittes entfernt.
  • Der Ätzvorgang sowie die Ätzbarrierenschicht 15 können speziell angepasst werden, damit zusätzlich zu dem Glätten an der Substratrückseite auch ein Ausbilden eines selektiven Emitters an der Substratfrontseite erreicht werden kann. Die ortsselektive Rückätzung der Emitterschicht 13 an der Substratfrontseite 3 erfolgt auf der Nanometerskala. Die Ätzung der Rückseite 5 erfolgt dagegen auf der Mikrometerskala. Somit sollte das Ätzmedium und/oder die Ätzdauer für die Rückseite angepasst werden.
  • Das Glattätzen der Textur 7 an der Rückseite 5 und das selektive Rückätzen der Emitterschicht 13 auf der Frontseite 3 lässt sich wie im folgenden beschrieben mit einem einzigen Maskierungsschritt realisieren: Dabei nutzt man den unterschiedlichen Ablösegrad zweier Ätzmasken, die als Teilschichten der Ätzbarrierenschicht 15 dienen. Eine erste widerstandsfähigere Maske dient zum Schutz des niederohmigen Bereiches des selektiven Emitters. Eine darüber liegende zweite ganzfläche Ätzmaske dient dem Schutz der gesamten Vorderseite 3 beim Glattätzen der Rückseite 5. Nachdem die Rückseite 5 geätzt worden ist, wird die ganzfläche Ätzmaske nasschemisch durch Strippen entfernt. Die darunterliegende partielle Ätzmaske bleibt aufgrund ihrer höheren Widerstandsfähigkeit (z. B. gehärtete Ätzmaske) durch das erste Strippen unversehrt, um für den selektiven Emitterätzschritt noch wirksam zu sein. Diesem Maskierschritt folgt die nasschemische Ätzung der Emitterschicht 13 und das anschließende Strippen der partiellen Maske in einer angepassten Stripplösung für gehärtete Ätzmasken.
  • Eine weitere Möglichkeit wäre es, statt zweier Masken wie zuvor beschrieben nur eine Maske zu verwenden. Hier würde dann nur die Maske für das selektive Rückätzen der Emitterschicht 13 aufgebracht, z. B. mit einer zusätzlichen ,Linie' am Rand der Vorderseite 3. Dann wird im nachfolgenden Glättungsätzschritt das Solarzellensubstrat nicht komplett in die Ätzlösung eingetaucht, sondern es schwimmt lediglich mit der Rückseite 5 auf der Lösung, so dass die Vorderseite 3 nicht mit der Ätzlösung in Kontakt kommt. Danach kann dann die Emitterrückätzung durch komplettes Eintauchen des Wafers erfolgen.
  • Nach dem Ätzen wird die Ätzbarrierenschicht 15 wieder entfernt. Hierzu kann das mit der Ätzbarrierenschicht 15 versehene Solarzellensubstrat 1 in eine leicht alkalische Lösung eingetaucht werden und die Ätzbarrierenschicht 15 vom Substrat 1 gestrippt werden. Es ergibt sich somit die in 1, Schritt (e) gezeigte Struktur, bei der an der Frontseite 3 des Solarzellensubstrates 1 eine scharkantige Textur 7 einschließlich der darin eindiffundierten Emitterschicht 13 verblieben ist und bei der an der Rückseite 5 eine verrundete, geglättete Textur 19 ohne eine eindiffundierte Emitterschicht zu erkennen ist. Die verrundete Textur 19 weist keine scharfen Kanten auf. Aufgrund des reduzierten Light-Trapping-Effekts einer solchen verrundeten Textur ist die Reflexion der Rückseite im Vergleich zur kantig texturierten Frontseite vergrößert.
  • Auf das derart texturierte und mit einer frontseitigen Emitterschicht 13 versehene Solarzellensubstrat 1 können zusätzlich zu einem Aufbringen einer dielektrischen Passivierungsschicht 21 auf die Rückseite 5 des Solarzellensubstrats 1 in nachfolgenden Prozessschritten weitere Schichten abgeschieden werden und Metallkontakte aufgebracht werden, um letztendlich zu einer Solarzelle 100 zu gelangen, wie sie in 2 dargestellt ist. Auf der kantig texturierten Frontseite 3 sowie auf der geglättet texturierten Rückseite 5 ist dabei eine zusätzliche Passivierschicht 21 in Form einer dielektrischen Schicht beispielsweise aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder Aluminiumoxid abgeschieden. Auf der Frontseite 3 bedeckt die Passivierschicht 21 dabei die Emitterschicht 13. An der Rückseite 5 bedeckt die Passivierschicht 21 direkt die Basis des Solarzellensubstrates 1. Aufgrund der dielektrischen Schicht und der verrundeten, geglätteten Textur 19 an der Rückseite 5 des Solarzellensubstrates 1 kommt es zu einer verringerten Oberflächen-rekombination.
  • Frontseitenkontakte 23 und Rückseitenkontakte 25 können das Solarzellensubstrat 1 lokal kontaktieren. Die Frontseitenkontakte 23 kontaktieren dabei die Emitterschicht 13. Die Frontseitenkontakte 23 können beispielsweise im Siebdruckverfahren hergestellt sein, wobei linienförmige Metallstrukturen auf die Frontseite 3 aufgedruckt und anschließend durch die Passivierschicht 21 hindurchgefeuert werden können. Durch das Hindurchfeuern kommt das in den Frontseitenkontakten 23 enthaltene Metall direkt in Kontakt mit der Emitterschicht 13 (in der Figur aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt). Die Rückseitenkontakte 25 können ebenfalls als linienförmige Strukturen ausgebildet werden und mittels Siebdruck auf die Passivierschicht 21 aufgebracht und anschließend durch diese hindurchgefeuert werden.
  • Mit einem dem vorgestellten Herstellungsverfahren ähnlichen Verfahren konnten bereits großflächige (125 × 125 mm2) Solarzellen mit einem für die industrielle Fertigung geeigneten Siebdruckverfahren auf p-Typ Cz-Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 2,5 Ohm-cm hergestellt werden. Die Rückseite wies dabei ein ganzflächiges Aluminium-BSF (Back Surface Field) auf. Die Frontseite besaß einen homogenen Emitter. Es wurden Wirkungsgrade von bis zu 18,4% erreicht, wobei ein Parallelwiderstand der Solarzelle von etwa 10.000 Ohm-cm2 gemessen wurde, was eine erfolgreiche Entfernung des Emitters an der Substratrückseite ohne Kurzschlussbildung bestätigt.
  • Im Labormaßstab wurden auch bereits Solarzellen hergestellt, die mit einer dielektrisch passivierten Rückseite ausgestattet wurden. Auf FZ-Silizium wurden dabei Wirkungsgrade von über 20% erreicht. Messungen der Reflexion an der Substratrückseite konnten bestätigen, dass die Reflexion, die bei alkalisch geätzten Oberflächen im Mittel bei etwa 10% lag, nach dem Glätten der texturierten Rückseitenoberflächen stark erhöht war und teilweise bis zu etwa 35% im Mittel betrug. Gleichzeitig konnten verschiedene Passivierschichten getestet werden, wobei eine signifikante Erhöhung der effektiven Minoritätsladungsträgerlebensdauer bei den glatt geätzten Substraten gegenüber den nicht geätzten Substraten mit einer scharfkantigen rückseitigen Textur gemessen wurde.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Solarzellensubstrat
    3
    Frontseite
    5
    Rückseite
    7
    Textur
    9
    Pyramide
    11
    Kantige Struktur
    13
    Emitterschicht
    15
    Ätzbarrierenschicht
    17
    Frei liegende Bereiche
    19
    Geglättete Textur
    21
    Passivierschicht
    23
    Frontseitenkontakte
    25
    Rückseitenkontakte

Claims (13)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle (100), aufweisend: Bereitstellen eines Solarzellensubstrates (1); Ausbilden einer Textur (7) an einer Frontseite (3) und an einer Rückseite (5) des Solarzellensubstrates (1); Aufbringen einer Ätzbarrierenschicht (15) an der Frontseite (3) des Solarzellensubstrates (1); und Glätten der Textur (7) an der Rückseite (5) des Solarzellensubstrates (1) durch Ätzen in einer isotrop wirkenden Ätzlösung, wobei die Textur (7) mit einer kantigen Struktur (11) ausgebildet wird und wobei beim Glätten der Textur (7) Kanten der Texturstruktur in Form einer Welligkeit ohne scharfe Kanten verrundet werden, wobei nach dem Glätten der Textur (7) eine dielektrische Passivierungsschicht (21) auf der Rückseite (5) des Solarzellensubstrates (1) aufgebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die isotrop wirkende Ätzlösung Säure enthält.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die säurehaltige Ätzlösung Flusssäure enthält.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ätzbarrierenschicht (15) mit einer viskosen Paste ausgebildet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ätzbarrierenschicht (15) mit einer Siebdrucktechnik oder einer Tintenstrahltechnik aufgebracht wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ätzen derart durchgeführt wird, dass weniger als 20 μm von der Rückseite (5) des Solarzellensubstrates (1) abgetragen werden.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ätzen während weniger als 5 Minuten durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ätzlösung während des Ätzens auf einer Temperatur im Bereich von 10°C bis 40°C ist.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei vor dem Glätten der Textur (7) sowohl an der Frontseite (3) als auch an der Rückseite (5) des Solarzellensubstrates (1) eine Emitterschicht (13) ausgebildet wird und wobei beim Glätten der Textur (7) die Emitterschicht (13) an der Rückseite (5) des Solarzellensubstrates (1) entfernt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei nach dem Aufbringen der Ätzbarrierenschicht (15) an der Frontseite (3) des Solarzellensubstrates (1) ein selektiver Emitter durch Ätzen in einer Ätzlösung ausgebildet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Ätzbarrierenschicht (15) zwei übereinander angeordnete Teilschichten aufweist, die verschiedene Widerstandsfähigkeiten gegenüber Striplösungen, die zum Entfernen der Teilschichten verwendet werden, aufweisen.
  12. Solarzelle (100) aufweisend: ein Solarzellensubstrat (1), das an einer Frontseite (3) eine kantige Textur (7) aufweist und das an einer Rückseite (5) eine in Form einer Welligkeit verrundete Textur (19) ohne scharfe Kanten aufweist, und eine dielektrische Passivierungsschicht (21), welche auf die Rückseite (5) des Solarzellensubstrates (1) aufgebracht ist.
  13. Solarzellen nach Anspruch 12, ferner aufweisend einen selektiven Emitter an der Frontseite (3) des Solarzellensubstrates (1).
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