DE102010044348A1 - Photovoltaische Solarzelle und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaische Solarzelle, umfassend eine Basis zur Absorption einfallender elektromagnetischer Strahlung und einen Emitter, wobei die Basis mindestens eine Basisschicht umultikristallinem Silizium mit einer Basisdotierung eines Basisdotierungstyps ausgebildet ist und der Emitter mindestens eine als amorphe Siliziumschicht (a-Si) oder als mikrokristalline Siliziumschicht (μ-Si) ausgebildete Emitterschicht umfasst und eine Emitterdotierung eines Emitterdotierungstyps, welcher dem Basisdotierungstyps entgegengesetzt ist, aufweist, und der Emitter an der Basis, gegebenenfalls auf einer oder mehreren dazwischenliegenden Zwischenschichten, angeordnet ist, zur Ausbildung eines Hetero-pn-Übergangs. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter mit einem Emitterdotierprofil ausgebildet ist, welches ausgehend von einer ersten, der Basisschicht zugewandten Oberfläche des Emitters eine Dotierkonzentration aufweist, die zu einer zweiten, der Basisschicht abgewandten Oberfläche des Emitters hin zumindest im Mittel ansteigt und mindestens zwei verschiedene positive Dotierkonzentrationswerte aufweist, und/oder dass die Solarzelle weiterhin ein BSF mit einer BSF-Dotierung des Basisdotierungstyps umfasst, welche als amorphe Siliziumschicht (a-Si) oder als mikrokristalline Siliziumschicht (μ-Si) ausl ausgebildet ist, welches ausgehend von einer ersten, der Basisschicht zugewandten Oberfläche des BSF eine Dotierkonzentration aufweist, die zu einer zweiten, der Basisschicht abgewandten Oberfläche des BSF hin zumindest im Mittel ansteigt und mindestens zwei verschiedene positive Dotierkonzentrationswerte aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine photovoltaische Solarzelle gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 10.
  • Eine photovoltaische Solarzelle stellt ein flächiges Halbleiterbauelement dar, bei dem mittels einfallender elektromagnetischer Strahlung Ladungsträgerpaare erzeugt, und anschließend getrennt werden, so dass zwischen mindestens zwei elektrischen Kontaktpunkten der Solarzelle ein Potential entsteht und über einen mit diesen Kontakten verbundenen externen Stromkreis elektrische Leistung von der Solarzelle abgegriffen werden kann. Die Ladungsträgertrennung erfolgt an einem pn-Übergang, der beispielsweise, dadurch realisiert werden kann, dass in einem Siliziumsubstrat eines Basisdotierungstyps eine Dotierung eines hierzu entgegengesetzten Dotierungstyps zur Ausbildung eines Emitters vorgenommen wird.
  • Ebenso ist es bekannt, den Emitter durch Aufbringen einer oder mehrerer Schichten auf ein Basissubstrat auszubilden, insbesondere durch Aufbringen einer Emitterschicht aus amorphem Silizium auf ein Basissubstrat bestehend aus monokristallinem Silizium. Die Emitterschicht weist einen zu der Basis entgegengesetzten Dotierungstyp auf, so dass sich zwischen Emitter und Basis ein pn-Übergang ausbildet. Da die amorphe Siliziumschicht des Emitters gegenüber dem kristallinen Silizium der Basis eine unterschiedliche Bandlücke aufweist, bildet sich ein so genannter „Heteroübergang” aus, so dass ein Heteroemitter vorliegt. Halbleiterverbindungen, bei denen auf beiden Seiten identische Bandlücken vorliegen, werden entsprechend als Homoübergänge bezeichnet.
  • Bei Solarzellen, bei denen der Emitter als Heteroemitter ausgebildet ist, lassen sich hohe Wirkungsgrade, insbesondere aufgrund hoher erzielbarer Offenklemmspannungen erreichen. Bei Heteroübergängen, insbesondere bei Heteroemittern, spielt jedoch die Grenzfläche, d. h. die Oberfläche oder die Oberflächen zwischen Basisschicht und Emitterschicht eine entscheidende Rolle, da sich Verunreinigungen oder Störungen in der Kristallstruktur besonders schädlich auf die elektrische Eigenschaften und damit den Wirkungsgrad der Solarzelle auswirken.
  • Es ist daher bekannt, zwischen Basis und Emitter eine Schicht aus intrinsischem, beispielsweise hydrogenisiertem, amorphem Silizium anzuordnen, um Rekombinationsverluste zu vermeiden, wie beispielsweise in M. Taguchi et al. DOI 10.1002/pip.646 beschrieben.
  • Eine photovoltaische Solarzelle umfassend einen Heteroemitter ist beispielsweise in US 7,199,395 B2 beschrieben.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten photovoltaischen Solarzellen umfassend einen Heteroemitter zu verbessern, insbesondere durch Verringerung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit und/oder Erhöhung der Leitgähigkeit an einer oder mehreren Oberflächen der Basis und/oder notwendige Schichtdicken zu reduzieren, um den Herstellungsprozess zu beschleunigen und Kosten einzusparen.
  • Gelöst ist diese Aufgabe durch eine photovoltaische Solarzelle gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Solarzelle finden sich in den Ansprüchen 2 bis 9 und des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Ansprüchen 11 bis 14.
  • Die erfindungsgemäße Solarzelle umfasst eine Basis zur Absorption einfallender elektromagnetischer Strahlung sowie einen Emitter. Die Basis umfasst mindestens eine Basisschicht, welche aus monokristallinem Silizium und/oder aus multikristallinem Silizium mit einer Basisdotierung eines Basisdotierungstyps ausgebildet ist. Dotierungstypen sind hierbei die n-Dotierung und die hierzu entgegengesetzte p-Dotierung.
  • Der Emitter umfasst mindestens eine als amorphe Siliziumschicht (a-Si) oder als mikrokristalline Siliziumschicht (μ-Si) ausgebildete Emitterschicht. Weiterhin weist der Emitter eine Emitterdotierung eines Emitterdotierungstyps auf, welcher dem Basisdotierungstyp entgegengesetzt ist. Der Emitter ist an der Basis, gegebenenfalls auf einer oder mehreren dazwischenliegenden Zwischenschichten angeordnet, so dass sich ein Hetero-pn-Übergang ausbildet.
  • Der vorgenannte Aufbau der Solarzelle ist aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Die vorliegende Erfindung fußt auf der Erkenntnis des Anmelders, dass bei vorbekannten Solarzellen bei Verwendung amorpher Schichten typischerweise Strukturen Anwendung fanden, bei denen zunächst eine nicht dotierte, intrinsische amorphe Zwischenschicht und anschließend eine dotierte amorphe Schicht aufgebracht wird. Solche Strukturen finden bei vorbekannten Solarzellen bei denen zur Ausbildung der zuvor beschriebenen Heteroemitter sowie zur Ausbildung einer Oberflächenpassivierung mittels eines so genannten Back Surface Field (BSF), welches die gleiche Dotierung wie die Basis besitzt, Anwendung, beispielsweise bei HIT-Solarzellen (Heterojunction with Instrinsic Thin layer), wie in T. Sawada, N. Terada, S. Tsuge, T. Baba, T. Takahama, K. Wakisaka, S. Tsuda, and S. Nakano, "High-efficiency a-Si/c-Si heterojunction solar cell, "presented at Proceedings of the 1st World Conference an Photovoltaic Energy Conversion Hawaii, USA, 1994. beschrieben. Hierbei werden bei den vorbekannten Solarzellen jedoch grundsätzlich amorphe Schichten mit konstanten Dotierprofilen, d. h. entlang einer Linie senkrecht zur Oberfläche des pn-Übergangs konstanten Dotierung verwendet.
  • Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass eine Variation des Dotierprofils in den vorgenannten dotierten amorphen Siliziumschichten erhebliche, bisher nicht realisierte Vorteile bewirken.
  • Wesentlich bei der erfindungsgemäßen photovoltaischen Solarzelle ist daher, dass der Emitter und/oder ein BSF der Solarzelle wie folgt ausgebildet ist:
    Der Emitter ist mit einem Emitterdotierprofil ausgebildet, welches ausgehend von einer ersten, der Basisschicht zugewandten Oberfläche des Emitters eine Dotierkonzentration aufweist, die zu einer zweiten, der Basisschicht abgewandten Oberfläche des Emitters hin zumindest im Mittel ansteigt und mindestens zwei verschiedene positive Dotierkonzentrationswerte aufweist.
  • Alternativ oder zusätzlich umfasst die erfindungsgemäße Solarzelle weiterhin ein BSF mit einer BSF-Dotierung des Basisdotierungstyps, wobei das BSF zumindest eine BSF-Schicht umfasst, welche als amorphe Siliziumschicht (a-Si) oder als mikrokristalline Siliziumschicht (μ-Si) ausgebildet ist. Weiterhin ist das BSF mit einem BSF-Dotierprofil ausgebildet, welches ausgehend von einer ersten, der Basisschicht zugewandten Oberfläche des BSF eine Dotierkonzentration aufweist, die zu einer zweiten, der Basisschicht abgewandten Oberfläche des BSF hin zumindest im Mittel ansteigt und mindestens zwei verschiedene positive Dotierkonzentrationswerte aufweist.
  • Die Bezeichnung „positiv” im vorgenannten Kontext ist mathematisch zu verstehen, d. h. positive Dotierkonzentrationswerte sind Werte größer 0.
  • Im Gegensatz zu vorbekannten HIT-Solarzellen, welche einen Heteroemitter mit einer Struktur oder ein BSF mit zwischengelagerter intrinsischer amorpher Siliziumsschicht aufweisen, kann bei der erfindungsgemäßen Solarzelle von einer „Verschmierung” der intrinsischen und der dotierten Schichten aus amorphem Silizium gesprochen werden, aufgrund des ansteigenden Dotierprofils mit mindestens zwei verschiedenen positiven Dotierkonzentrationswerten.
  • Durch die Wahl des Dotierprofils gemäß der Erfindung ergeben sich gegenüber den vorbekannten Solarzellen umfassend amorphe Siliziumschichten für Emitter und/oder BSF die Vorteile, dass einerseits die Leitfähigkeit des Emitters und/oder des BSF zunimmt und andererseits die Passivierungsqualität sich nicht oder nicht erheblich verringert. Bisher wurde davon ausgegangen, dass dotierte amorphe Siliziumschichten, welche an eine kristalline Siliziumschicht angrenzen, grundsätzlich negativ aufgrund hoher Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten und damit hoher Rekombinationsverluste zu bewerten sind. Aus diesem Grund wurde im Stand der Technik typischerweise die Zwischenschaltung einer intrinsischen Schicht gewählt. Hierdurch ergibt sich jedoch der erhebliche Nachteil, dass die Leitfähigkeit erheblich von der Dicke der intrinsischen Schicht abhängt, so dass durch Prozessschwankungen erhebliche Wirkungsgradverluste entstehen können. Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle hingegen erfolgt aufgrund des gewählten Dotierprofils und der wie zuvor beschrieben ansteigenden Dotierkonzentration eine erheblich geringere Abhängigkeit von Prozessschwankungen. Insbesondere kann bei der erfindungsgemäßen Solarzelle bei gleicher Schichtdicke verglichen mit vorbekannten Strukturen mit konstanten Dotierungen eine Leitfähigkeit erzielt werden oder es kann für eine gleiche Leitfähigkeit verglichen mit den vorbekannten konstanten Dotierungen eine geringere Schichtdicke der dotierten amorphen Schicht gewählt werden, so dass sich kürzere Prozesszeiten und damit geringere Herstellungskosten ergeben. Weiterhin kann bei der erfindungsgemäßen Solarzelle bei gleicher Schichtdicke verglichen mit vorbekannten Strukturen mit konstanten Dotierungen eine erhöhte Passivierungsqualität der Oberfläche, d. h. geringere Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit und damit geringere Rekombinationsverluste erzielt werden oder es kann für eine gleiche Oberflächenqualität verglichen mit den vorbekannten konstanten Dotierungen eine geringere Schichtdicke der dotierten amorphen Schicht gewählt werden, so dass sich kürzere Prozesszeiten und damit geringere Herstellungskosten ergeben. Dieser Effekt ist für Messproben in S. Olibet, "Properties of interfaces in amorphous/crystalline silicon heterojunctions," in Faculté des Sciences Institut de Microtechnique. Neuchâtel: Université de Neuchâtel, 2009, Kap. 4.5.1, pp. 125ff. beschrieben.
  • Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle werden somit durch Abkehr von den bisher üblichen und als optimal geltenden konstanten Dotierprofilen in den amorphen Schichten mit zwischengeschalteter intrinsischer Schicht zu einem Emitter und/oder einem BSF mit einem wie zuvor beschrieben sich ändernden Dotierprofil erhebliche Vorteile erzielt.
  • Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle. Vorzugsweise ist das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Solarzelle bzw. einer vorzugsweisen Ausführungsform hiervon ausgebildet. Die erfindungsgemäße Solarzelle weist vorzugsweise die Merkmale einer mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer vorzugsweisen Ausführungsform hiervon hergestellten Solarzelle auf.
  • Grundsätzlich liegen beliebige Verläufe des Dotierprofils im Rahmen der Erfindung, die mit größer werdendem Abstand zu der Basis zumindest im Mittel ansteigen und mindestens zwei verschiedene positive Dotierkonzentrationswerte aufweisen. Bereits hierdurch ist ein Übergang zwischen einer niedrigeren Dotierkonzentration hin zu einer höheren Dotierkonzentration gegeben, der die vorgenannten Vorteile bewirkt. Insbesondere liegen lineare oder stufenförmige Verläufe der Dotierprofile im Rahmen der Erfindung.
  • Die Bezeichnungen monokristallines, amorphes und mikrokristallines Silizium beziehen sich dabei auf die an sich bekannten Definitionen Unterteilungen: Monokristallines Silizium besteht aus einem einheitlichen Kristall, multikristallines Silizium weist mehrere Körner mit einer Größe größer 1000 μm auf, mikrokristallines Silizium weist mehrere Körner mit einer Größe im Bereich 1 μm bis 1000 μm auf und amorphes Silizium besitzt eine Nahordnung, jedoch keine Fernordnung.
  • Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass vorzugsweise das Emitterdotierprofil und/oder das BSF-Dotierprofil mindestens eine positive Dotierkonzentration kleiner 1018 cm–3 und mindestens eine Dotierkonzentration größer 1019 cm–3 umfasst, um die erwähnten Vorteile durch vorteilhafte „Verschmierung” der Dotierkonzentration zu erzielen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Erzeugung des Emitters entsprechend vorzugsweise mit folgenden Bedingungen hinsichtlich der Konzentration des Dotierstoffes in der Gasphase in der Vakuumkammer bei Herstellung des Emitters und/oder des BSF:
    Bei Herstellung eines Emitters und/oder BSF mit p-Dotierung erfolgt vorzugsweise mindestens ein Teil der Schichterzeugung bei einer Konzentration eines Dotierstoff enthaltenden Gases, welche während der Herstellung variiert wird und mindestens zwei unterschiedliche, positive Konzentrationswerte des Dotierstoffes in der Gasphase in der Vakuumkammer aufweist.
  • Vorzugsweise erfolgt bei Herstellung eines Emitters und/oder BSF mit p-Dotierung mindestens ein Teil der Schichterzeugung bei einer Konzentration kleiner 500 ppm des Dotierstoffes in der Gasphase in der Vakuumkammer und zu einem späteren Zeitpunkt mindestens bei einer Konzentration größer 500 ppm des Dotierstoffes in der Gasphase in der Vakuumkammer, vorzugsweise mindestens ein Teil der Schichterzeugung bei einer Konzentration kleiner 500 ppm des Dotierstoffes in der Gasphase in der Vakuumkammer und zu einem späteren Zeitpunkt mindestens bei einer Konzentration größer 1.500 ppm des Dotierstoffes, weiter bevorzugt mindestens ein Teil der Schichterzeugung bei einer Konzentration kleiner 200 ppm des Dotierstoffes in der Gasphase in der Vakuumkammer und zu einem späteren Zeitpunkt mindestens bei einer Konzentration größer 1.500 ppm des Dotierstoffes. Bei Erzeugung eines Emitters und/oder BSF mit n-Dotierung erfolgt vorzugsweise zumindest eine teilweise Erzeugung bei einer Konzentration kleiner 100 ppm des Dotierstoffes in der Gasphase in der Vakuumkammer bei Abscheidung und bei einer Konzentration des Dotierstoffes größer 300 ppm in der Gasphase in der Vakuumkammer bei Abscheidung, vorzugsweise zumindest eine teilweise Erzeugung bei einer Konzentration kleiner 100 ppm des Dotierstoffes in der Gasphase in der Vakuumkammer bei Abscheidung und bei einer Konzentration des Dotierstoffes größer 500 ppm.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Emitter eine Dicke im Bereich von 5 nm bis 50 nm, bevorzugt im Bereich von 5 nm bis 10 nm und/oder das BSF eine Dicke im Bereich von 5 nm bis 50 nm, bevorzugt im Bereich von 5 nm bis 30 nm aufweist. Hierdurch ist gemäß Untersuchungen des Anmelders eine Optimierung zwischen Verringerung der Herstellungsgeschwindigkeit und damit Minimierung der Herstellungskosten einerseits und andererseits ausreichender Leitfähigkeit und Passivierungsqualität gegeben.
  • Vorzugsweise ist das Emitterdotierprofil und/oder das BSF-Dotierprofil zumindest teilweise monoton ansteigend, bevorzugt vollständig monoton ansteigend ausgebildet. Denn eine Schwankung im Dotierprofil könnte zu dem Nachteil führen, dass die Leitfähigkeit der amorphen Schicht abnimmt.
  • Vorzugsweise ist das Emitterdotierprofil und/oder das BSF-Dotierprofil zumindest teilweise stufenartig, bevorzugt vollständig stufenartig ausgebildet. Ein stufenartiges Dotierprofil ist in einfacher Weise realisierbar, durch übereinander Anordnen mehrerer Schichten mit unterschiedlichen, ansteigenden Dotierkonzentrationen oder durch Ausbilden einer Schicht, bei der stufenartig während des Ausbildens der Schicht die Dotierstoffkonzentration erhöht wird. Insbesondere kann zur Herstellung eines stufenartigen Dotierprofils auf an sich bekannte Prozessparameter zur Ausbildung von Emitter und/oder BSF mit konstanten Dotierungen unterschiedlicher Dotierkonzentrationen zurückgegriffen werden.
  • In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Solarzelle ist das Emitterdotierprofil und/oder das BSF-Dotierprofil zumindest teilweise streng monoton ansteigend, bevorzugt vollständig streng monoton ansteigend ausgebildet. In dieser vorzugsweisen Ausführungsform werden somit Bereiche mit konstantem Verlauf des Emitterdotierprofils ausgehend von der der Basis zugewandten Oberfläche zu der der Basis abgewandten Oberfläche des Emitters und/oder des BSF vermieden. Hierdurch wird eine Optimierung des Dotierverlaufs erzielt, die bei minimierter Schichtdicke eine vorgegebene Änderung der Dotierkonzentration von einer geringen Dotierkonzentration an der der Basis zugewandten Seite zu einer vorgegebenen hohen Dotierkonzentration an der der Basis abgewandten Seite ermöglicht.
  • Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass Emitterdotierprofil teilweise stufenartig und in anderen Teilbereichen streng monoton ansteigend auszubilden.
  • Bei dem erfindungemäßen Verfahren ist es analog zu den vorgenannten vorteilhaften Dotierprofilen vorteilhaft, bei Erzeugung des Emitters und/oder des BSF die Konzentration des Dotierstoffes in der Gasphase in der Vakuumkammer entsprechend zu variieren, insbesondere eine monoton ansteigende, bevorzugt streng monoton ansteigende, weiter bevorzugt linear ansteigende Konzentration des Dotierstoffes in der Gasphase vorzugeben.
  • Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass vorzugsweise das Emitterdotierprofil und/oder das BSF-Dotierprofil einen Teilbereich mit einer Geringdotierung aufweist, welche als konstante Dotierung im Bereich von 1015 cm–3 bis 1018 cm–3. Insbesondere ist vorzugsweise der Teilbereich mit der Geringdotierung ein der Basis zugewandter Teilbereich des Dotierprofils.
  • Vorzugsweise erfolgt die Erzeugung des Emitters und/oder des BSF-Teilbereiches mit Geringdotierung in der Gasphase mit einem Anteil an Dotierstoff in der Vakuumkammer kleiner 500 ppm bevorzugt kleiner 200 ppm bei Erzeugung eines p-dotierten Emitters und/oder BSF bzw. einer Konzentration kleiner 100 ppm des Dotierstoffes in der Gasphase in der Vakuumkammer bei Erzeugung des Geringdotierung-Teilbereiches eines n-dotierten Emitters und/oder BSF.
  • Diese vorzugsweise Ausführungsform ist in der Erkenntnis des Anmelders begründet, dass eine wie vorgenannte Geringdotierung an der der Basis zugewandten Seite des Emitters und/oder des BSF bereits Passivierungsqualitäten ermöglicht, die einer intrinsischen Schicht gleich oder nahezu gleich sind. Gleichzeitig bewirkt die Mikrodotierung jedoch eine Erhöhung des Leitwertes gegenüber einer Struktur mit einer intrinsischen, undotierten Schicht oder ermöglicht bei gleichem Leitwert die Verringerung der Gesamtsschichtdicke.
  • Hierzu ist vorzugsweise ist die Geringdotierung über einen Bereich mit einer Dicke im Bereich von 0.1 nm bis 8 nm, bevorzugt im Bereich von 3 nm bis 6 nm, im Weiteren bevorzugt etwa mit 5 nm ausgebildet.
  • Vorzugsweise ist die der Basis zugewandte Seite des Emitters und/oder des BSF nicht dotiert, d. h. das Emitter- und/oder BSF-Dotierprofil beginnt an der der Basis zugewandten Seite mit 0.
  • Emitter und/oder BSF sind vorzugsweise als eine oder mehrere Schichten aus hydrogenisiertem Silizium (Si:H), bevorzugt amorphem, hydrogenisiertem Silizium (a-Si:H) ausgebildet, wie beispielsweise in M. Taguchi et al. (a. a. O.) beschrieben. Dies weist den Vorteil auf, dass der Wasserstoff die Defektdichte in der Bandlücke des amorphen Silizium absenkt.
  • Untersuchungen des Anmelders haben weiterhin ergeben, dass eine zusätzliche Erhöhung des Wirkungsgrades der Solarzelle in einer vorzugsweisen Ausführungsform erzielt werden kann, bei der zwischen Emitter und Basis und/oder zwischen BSF und Basis, jeweils gegebenenfalls unter Zwischenschaltung weiterer Zwischenschichten, mindestens eine undotierte Schicht angeordnet ist, welche vorzugsweise als amorphe Siliziumschicht (a-Si) oder als mikrokristalline Siliziumschicht (μ-Si) ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich zwar der Nachteil, dass die Prozesskomplexität und damit die Herstellungskosten steigen, jedoch wird im Gegenzug eine weitere Wirkungsgraderhöhung erzielt. Die vorgenannte undotierte Schicht ist vorzugsweise als intrinsische Schicht, insbesondere vorzugsweise als hydrogenisierte Schicht (a-Si:H) ausgebildet, wie beispielsweise in M. Taguchi et al. (a. a. O.) beschrieben.
  • Zur Herstellung des Emitters und/oder des BSF kann auf an sich bekannte Verfahren zurückgegriffen werden, insbesondere auf CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition), PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) oder ALD-Verfahren (Alptomic Layer Deposition).
  • Emitter und/oder BSF werden vorzugsweise in jeweils einer Prozesskammer erzeugt, in dem eine oder mehrere Schichten aufgebracht werden und stufenweise und/oder kontinuierlich ein Zufluss eines Dotierstoff enthaltenden Gases erhöht wird und/oder der Anteil an Dotierstoff in dem zufließenden Gas erhöht wird. Hierdurch wird bei Herstellung des Emitters und/oder des BSF eine Zeit- und damit Kostenersparnis erzielt, da kein zwischengelagertes Ausschleußen erfolgen muss.
  • Die erfindungsgemäße Solarzelle weist den Vorteil auf, dass ein Emitter und/oder ein BSF mit dem wie zuvor beschriebenen Dotierprofil in den an sich bekannten Vorrichtungen in einer Prozesskammer herstellbar ist, so dass kein zwischenzeitliches Ausschleusen bei der Herstellung des Emitters und/oder des BSF notwendig ist. Vorzugsweise erfolgt daher die Erzeugung des Emitters und/oder des BSF vollständig in der Prozesskammer ohne zwischengeschaltetes Ausschleusen.
  • Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, bei der Herstellung des Emitters und/oder des BSF lediglich eine Umschleusung vorzunehmen, d. h. ein Wechsel zwischen zwei Vakuumkammern, ohne dass jedoch das Vakuum für den Wechsel auf Normaldruck abgeändert wird.
  • Bei Ausbildung des Emitters umfassend mindestens eine mikrokristalline Siliziumschicht ist vorzugsweise zwischen dieser Schicht und der Basis mindestens eine Schicht bestehend aus amorphem Silizium angeordnet, um Rekombinationsverluste zu verringern. Gleiches gilt entsprechend bei Ausbildung des BSF umfassend mindestens eine mikrokristalline Siliziumschicht. Vorzugsweise sind zur Verringerung der Rekominationsverluste Emitter und/oder BSF als eine oder mehrere amorphe Siliziumschichten ausgebildet vorzugsweise als eine amorphe Siliziumschicht.
  • Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass lediglich der Emitter oder lediglich das BSF der erfindungsgemäßen Solarzelle mit einem Dotierprofil wie zuvor beschrieben ausgebildet ist. Vorzugsweise ist sowohl Emitter, als auch BSF mit einem Dotierprofil wie zuvor beschrieben ausgebildet, so dass hinsichtlich beider Komponenten die genannten Vorteile erzielt werden und eine insgesamt höhere Wirkungsgradsteigerung erzielt werden kann.
  • Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Solarzelle hinsichtlich weiterer Komponenten gemäß vorbekannter Solarzellenstrukturen ausgebildet. Insbesondere sind Schichten und/oder Oberflächenstrukturierungen zur Erhöhung der Lichtausbeute, beispielsweise durch Oberflächentexturierung oder Aufbringung so genannter Antireflexschichten. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Solarzelle gemäß unterschiedlicher, vorbekannter Solarzellenstrukturen ausbildbar. Insbesondere liegt es im Rahmen der Erfindung, sowohl auf einer Vorder-, als auch auf einer Rückseite der Solarzelle metallische Kontaktstrukturen zur elektrischen Kontaktierung vorzusehen oder die Solarzelle als so genannte Einseitenkontaktsolarzelle auszubilden, bei der sowohl die metallischen Strukturen zur Kontaktierung der Basis, als auch die metallischen Strukturen zur Kontaktierung des Emitters auf einer Seite der Solarzelle angeordnet sind.
  • Weitere vorzugsweise Merkmale und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Solarzelle und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigt:
  • 1a–b und 1c–d schematische Darstellungen von Teilquerschnitten von Ausführungsbeispielen a bis d der erfindungsgemäßen photovoltaischen Solarzelle und
  • 2 weitere Ausführungsbeispiele hinsichtlich des Prozessverlaufs bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Emitters.
  • Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche Elemente.
  • 1a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle 1a, welche eine Basis 2 umfasst, die als monokristalliner Siliziumwafer, mit einer konstanten n-Dotierung einer Dotierkonzentration im Bereich 4 × 1014 cm–3 bis 1 × 1016 cm–3, beispielsweise 5 × 1015 cm–3 ausgebildet ist.
  • Auf einer oberen Oberfläche der Basis 2 wird mittels PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) ein Emitter 3a aufgebracht, der als amorphe hydrogenisierte Siliziumschicht (a-Si:H) ausgebildet ist. Bei der Herstellung des Emitters 3a wird mit linear ansteigender Gasflussrate B2H6 (Biboran)-Gas zugeführt, so dass der Emitter 3a ein Dotierprofil ausgehend von einer Dotierkonzentration 0 an der Oberfläche zu der Basis 2 hin zu einer Dotierkonzentration im Bereich 1019 cm–3 an der der Basis gegenüberliegenden Oberfläche des Emitters mit linearem Anstieg aufweist.
  • Die Prozessbedingungen sind dabei derart gewählt, dass bei Schichtdicke 0 des Emitters eine Konzentration von 0 ppm des Dotierstoffes in der Vakuumkammer vorliegt und bei der Enddicke (beispielsweise 15 nm) eine Konzentration von etwa 2.500 ppm in der Vakuumkammer vorliegt.
  • Der Emitter wird somit p-dotiert ausgebildet, so dass sich zwischen Emitter 3a und Basis 2 ein Hetero-pn-Übergang ausbildet.
  • An der Rückseite der Basis 2 wird in analoger Weise ein BSF 4a erzeugt, welches ebenfalls als a-Si:H-Schicht ausgebildet wird. Bei der Herstellung des BSF 4a wird jedoch PH3-Gas (Phosphin) mit linear kontinuierlich ansteigender Gasflussrate zugegeben, so dass das BSF 4a ein Dotierprofil aufweist, ausgehend von einer Dotierkonzentration 0 an der der Basis 2 zugewandten Seite hin zu einer Dotierkonzentration im Bereich 1019 cm–3 an der der Basis 2 abgewandten Seite des BSF 4a. Das BSF ist hierbei ebenfalls wie die Basis n-dotiert.
  • Analog zur Herstellung des Emitters wird hierbei die Konzentration des Dotierstoffes bei Dicke 0 des BSF von 0 ppm bis zu einer Konzentration von 700 ppm bei Enddicke des BSF linear erhöht.
  • An Vorder- und Rückseite der Basis 2 der Solarzelle 1a ist somit jeweils ein Dotierprofil gegeben, dessen Dotierkonzentration mit zunehmenden Abstand von der Basis ansteigt, so dass durch geringe Schichtdicken des Emitters 3a und des BSF 4a einerseits geringe Rekombinationsverluste an den Oberflächen zwischen Emitter und Basis bzw. zwischen BSF und Basis erzielt werden und andererseits ausreichend hohe Leitwerte der Schichten, zur Vermeidung von Verlusten aufgrund elektrischer Leitungswiderstände.
  • Die Schichtdicken der Solarzelle 1a betragen: im Bereich 5 nm bis 20 nm für die Emitterschicht, beispielsweise 15 nm und im Bereich 5 nm bis 50 nm für die BSF-Schicht, beispielsweise 30 nm.
  • Die Solarzellen 1a bis 1d gemäß 1 weisen jeweils an Vorder- und Rückseite eine ITO-Schicht auf, diese dient zur Gewährleistung eine ausreichenden Querleitfähigkeit, als Antireflexionschicht für den Emitter und als Rückseitenspiegel für langwellige Photonen auf der Lichtabgewandten Seite und weist eine Dicke im Bereich von 50 nm bis 300 nm, beispielsweise 80 nm an der Vorderseite und 200 nm an der Rückseite auf.
  • 1b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle, bei dem zwischen Emitter 3b und BSF 4b jeweils eine intrinsische Schicht (5b und 5b') angeordnet ist, welche als intrinsische hydrogenisierte amorphe Siliziumschicht (a-Si:H (i)) ausgebildet ist, mit einer Dicke im Bereich von 1 nm bis 8 nm, beispielsweise 5 nm.
  • Durch die intrinsische Schicht 5b, 5b' wird die Passivierungswirkung an der vorderen und hinteren Oberfläche der Basis 2 zusätzlich verstärkt und somit zusätzlich Rekombinationsverluste verhindert. Emitter 3b und BSF 4b weisen ein zweistufiges Stufenprofil auf, welches durch entsprechende stufenartige Regelung der Gaszuflussmengen bei der Herstellung erzielt wurde. Der Emitter 3b weist an der der Basis 2 zugewandten Seite eine Geringdotierung mit einer Dotierkonzentration kleiner 1018 cm–3 über einen Dickenbereich im Bereich von 1 nm bis 8 nm, beispielsweise von 5 nm auf. Der restliche Emitter weist eine Dotierung mit einer Dotierkonzentration größer 1019 cm–3 auf. Ebenso weist das BSF 4b an der der Basis 2 zugewandten Seite eine Geringdotierung mit einer Dotierkonzentration im Bereich von etwa 1018 cm–3 auf, für eine Schichtdicke im Bereich von 5 nm bis 50 nm, beispielsweise von 7 nm und das übrige BSF eine Dotierkonzentration größer 1019 cm–3 auf.
  • Die Schichtdicken der Solarzelle 1b betragen: 5 nm bis 20 nm, beispielsweise 15 nm für die Emitterschicht und 5 nm bis 50 nm, beispielsweise 30 nm für die BSF-Schicht.
  • In 1c ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle 1c dargestellt, welche kein BSF aufweist. An der Basis 2 ist ein Emitter 3c angeordnet, der als amorphe, hydrogenisierte Siliziumschicht (a-Si:H) ausgebildet ist. Das Dotierprofil weist den zweistufigen Verlauf des Emitters 3b auf, zusätzlich jedoch an der der Basis 2 zugewandten Seite einen Bereich mit einer Dicke im Bereich von 1 nm bis 8 nm, beispielsweise von 15 nm, indem kein Dotierstoff vorliegt, d. h. einen intrinsischen Bereich. Der Emitter 3c ist als eine Schicht in einem Prozessschritt erzeugt, in dem zunächst kein Gas mit Dotierstoff und anschließend wie bei Emitter 3b mit zweistufig zunehmender Gasflussrate B2H6-Gas zugeführt wurde. Hierdurch wird in einfacher Weise in einer Schicht ein Emitter mit zweistufigem Dotierprofil und vorgelagerter intrinsischen Schicht realisiert.
  • In 1d ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle dargestellt, bei der der Emitter 3d als in die Basis eindiffundierter Emitter in an sich bekannter Weise ausgebildet ist. Die Solarzelle 1d weist rückseitig ein BSF 4d auf, welches als amorphe, hydrogenisierte Siliziumschicht (a-S:H) mit einer Dicke im Bereich von 5 nm bis 50 nm, beispielsweise von 30 nm ausgebildet ist. Das BSF 4d weist ein Dotierprofil auf, bei dem analog zu dem BSF 4a ein linear ansteigender Verlauf vorliegt, zusätzlich jedoch an der Basis 2 zugewandten Seite ein undotierter Bereich mit einer Dicke im Bereich von 1 nm bis 8 nm, beispielsweise von 5 nm vorliegt. Analog zur Ausbildung des Emitters 3c weist das BSF 4d somit einen intrinsischen. Bereich an der Basis 2 zugewandten Seite auf.
  • Bei sämtlichen Solarzellen 1a bis 1d ist der Emitter p-dotiert und die Basis wie gegebenenfalls das BSF n-dotiert. Ebenso liegt die Umkehrung der Dotiertypen im Rahmen der Erfindung.
  • Emitter bzw. BSF der Solarzellen 1a bis 1d wurden mit folgenden Prozessparametern hergestellt: Druck in der Prozesskammer im Bereich 10 mTorr bis 500 mTorr, beispielsweise 350 mTorr, Plasmaleistung im Bereich 10 W bis 500 W, beispielsweise 100 W, Temperatur im Bereich 50°C bis 400°C, beispielsweise 250°C und Gesamtgasfluss im Bereich 5 sccm bis 200 sccm, beispielsweise 50 sccm.
  • 2 zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Emitter und/oder BSF in einem Plasmaverfahren aufgebracht werden, bei einer Gesamtplasma-Brenndauer von 35 Sekunden. Auf der Y-Achse ist der Fluss an B2H6 oder PH3-Gas (zur p- oder n-Dotierung) aufgetragen. Die drei dargestellten Kurven zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele des Verlaufs des Gasflusses mit negativer Krümmung, positiver Krümmung oder linearer Steigung an, die zu entsprechenden Dotierprofilen führen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • M. Taguchi et al. (a. a. O.) [0037]
    • M. Taguchi et al. (a. a. O.) [0038]

Claims (14)

  1. Photovoltaische Solarzelle (1a, 1b, 1c, 1d), umfassend eine Basis (2) zur Absorption einfallender elektromagnetischer Strahlung und einen Emitter (3a, 3b, 3c), wobei die Basis (2) mindestens eine Basisschicht umfasst, welche aus monokristallinem Silizium oder multikristallinem Silizium, mit einer Basisdotierung eines Basisdotierungstyps ausgebildet ist und der Emitter (3a, 3b, 3c) mindestens eine als amorphe Siliziumschicht (a-Si) oder als mikrokristalline Siliziumschicht (μ-Si) ausgebildete Emitterschicht umfasst und eine Emitterdotierung eines Emitterdotierungstyps, welcher dem Basisdotierungstyps entgegengesetzt ist, aufweist, und der Emitter (3a, 3b, 3c) an der Basis (2), gegebenenfalls auf einer oder mehreren dazwischenliegenden Zwischenschichten, angeordnet ist, zur Ausbildung eines Hetero-pn-Übergangs, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (3a, 3b, 3c) mit einem Emitterdotierprofil ausgebildet ist, welches ausgehend von einer ersten, der Basisschicht zugewandten Oberfläche des Emitters eine Dotierkonzentration aufweist, die zu einer zweiten, der Basisschicht abgewandten Oberfläche des Emitters hin zumindest im Mittel ansteigt und mindestens zwei verschiedene positive Dotierkonzentrationswerte aufweist, und/oder dass die Solarzelle (1a, 1b, 1c, 1d) weiterhin ein BSF (4a, 4b, 4d) mit einer BSF-Dotierung des Basisdotierungstyps umfasst, wobei das BSF (4a, 4b, 4d) zumindest eine BSF-Schichtumfasst, welche als amorphe Siliziumschicht (a-Si) oder als mikrokristalline Siliziumschicht (μ-Si) ausgebildet ist und das BSF (4a, 4b, 4d) mit einem BSF-Dotierprofil ausgebildet ist, welches ausgehend von einer ersten, der Basisschicht zugewandten Oberfläche des BSF (4a, 4b, 4d) eine Dotierkonzentration aufweist, die zu einer zweiten, der Basisschicht abgewandten Oberfläche des BSF (4a, 4b, 4d) hin zumindest im Mittel ansteigt und mindestens zwei verschiedene positive Dotierkonzentrationswerte aufweist.
  2. Solarzelle (1a, 1b, 1c, 1d) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Emitterdotierprofil und/oder das BSF-Dotierprofil mindestens eine positive Dotierkonzentration kleiner 1018 cm–3 und mindestens eine Dotierkonzentration größer 1019 cm–3 umfasst.
  3. Solarzelle (1a, 1b, 1c, 1d) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (3a, 3b, 3c) und/oder das BSF (4a, 4b, 4d) eine Dicke im Bereich von 5 nm bis 50 nm aufweist.
  4. Solarzelle (1a, 1b, 1c, 1d) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Emitterdotierprofil und/oder das BSF-Dotierprofil zumindest teilweise monoton ansteigend, bevorzugt vollständig monoton ansteigend ausgebildet ist.
  5. Solarzelle (1a, 1b, 1c, 1d) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Emitterdotierprofil und/oder das BSF-Dotierprofil zumindest teilweise stufenartig, bevorzugt vollständig stufenartig ausgebildet ist.
  6. Solarzelle (1a, 1b, 1c, 1d) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Emitterdotierprofil und/oder das BSF-Dotierprofil zumindest teilweise streng monoton ansteigend, bevorzugt vollständig streng monoton ansteigend ausgebildet ist.
  7. Solarzelle (1a, 1b, 1c, 1d) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Emitterdotierprofil und/oder das BSF-Dotierprofil einen Teilbereich mit einer Geringdotierung aufweist, welche als konstante Dotierung im Bereich von 1015 cm–3 bis 1018 cm–3 ausgebildet ist, insbesondere, dass der Teilbereich mit der Geringdotierung ein der Basis (2) zugewandter Teilbereich des Dotierprofils ist.
  8. Solarzelle (1a, 1b, 1c, 1d) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geringdotierung über einen Bereich mit einer Dicke im Bereich von 0.1 nm bis 8 nm, bevorzugt im Bereich von 3 nm bis 6 nm, im Weiteren bevorzugt etwa mit 5 nm ausgebildet ist.
  9. Solarzelle (1a, 1b, 1c, 1d) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Emitter (3a, 3b, 3c) und Basis (2) und/oder zwischen BSF (4A, 4B, 4D) und Basis (2), jeweils gegebenenfalls unter Zwischenschaltung weiterer Zwischenschichten, mindestens eine undotierte Schicht angeordnet ist, welche vorzugsweise als amorphe Siliziumschicht (a-Si) oder als mikrokristalline Siliziumschicht (μ-Si) ausgebildet ist.
  10. Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle (1a, 1b, 1c, 1d), welche eine Basis (2) zur Absorption einfallender elektromagnetischer Strahlung und einen Emitter (3a, 3b, 3c) umfasst, wobei auf einer Oberfläche der Basis (2), welche mindestens eine Basisschicht umfasst, welche aus monokristallinem Silizium oder multikristallinem Silizium mit einer Basisdotierung eines Basisdotierungstyps ausgebildet ist, gegebenenfalls unter Ausbildung einer oder mehreren dazwischen liegender Zwischenschichten, der Emitter (3a, 3b, 3c) ausgebildet wird, umfassend mindestens eine als amorphe Siliziumschicht (a-Si) oder als mikrokristalline Siliziumschicht (μ-Si) ausgebildete Emitterschicht, wobei der Emitter (3a, 3b, 3c) mit einer Emitterdotierung eines Emitterdotierungstyps, welcher dem Basisdotierungstyps entgegengesetzt ist, ausgebildet wird, so dass sich ein Hetero-pn-Übergangs ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (3a, 3b, 3c) mit einem Emitterdotierprofil ausgebildet wird, welches ausgehend von einer ersten, der Basisschicht zugewandten Oberfläche des Emitters eine Dotierkonzentration aufweist, die zu einer zweiten, der Basisschicht abgewandten Oberfläche des Emitters hin zumindest im Mittel ansteigt und mindestens zwei verschiedene positive Dotierkonzentrationswerte aufweist, und/oder dass die Solarzelle (1a, 1b, 1c, 1d) weiterhin umfassend ein BSF (4a, 4b, 4d) mit einer BSF-Dotierung des Basisdotierungstyps ausgebildet wird, wobei das BSF (4a, 4b, 4d) zumindest eine BSF-Schicht umfassen ausgebildet wird, welche als amorphe Siliziumschicht (a-Si) oder als mikrokristalline Siliziumschicht (μ-Si) ausgebildet wird und das BSF (4a, 4b, 4d) mit einem BSF-Dotierprofil ausgebildet wird, welches ausgehend von einer ersten, der Basisschicht zugewandten Oberfläche des BSF (4a, 4b, 4d) eine Dotierkonzentration aufweist, die zu einer zweiten, der Basisschicht abgewandten Oberfläche des BSF (4a, 4b, 4d) hin zumindest im Mittel ansteigt und mindestens zwei verschiedene positive Dotierkonzentrationswerte aufweist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Emitterdotierprofil und/oder das BSF-Dotierprofil zumindest teilweise monoton ansteigend, bevorzugt vollständig monoton ansteigend ausgebildet wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (3a, 3b, 3c) und/oder das BSF (4a, 4b, 4d) in einer Prozesskammer erzeugt wird, indem eine oder mehrere Schichten aufgebracht werden und stufenweise und/oder kontinuierlich ein Zufluss eines Dotierstoff enthaltenden Gases und/oder der Dotierstoffanteil des Gases erhöht wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (3a, 3b, 3c) und/oder das BSF (4a, 4b, 4d) vollständig in der Prozesskammer ohne zwischengeschaltetes Ausschleusen und/oder Umschleusen erzeugt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dass der Emitter (3a, 3b, 3c) und/oder das BSF (4a, 4b, 4d) in einer Vakkumkammer erzeugt werden und während der Erzeugung des Emitters (3a, 3b, 3c) und/oder des BSF (4a, 4b, 4d) die Konzentration, eines Dotierstoffes in der Gasphase variiert wird, so dass zweitversetzt mindestens zwei verschiedene positive Dotierstoffkonzentrationen in der Gasphase vorliegen.
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