DE102011001946A1 - Herstellungsverfahren einer Wafersolarzelle und Wafersolarzelle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren einer Wafersolarzelle, welcher ein Halbleitersubstrat (1) aufweist, umfassend einen Passivierungsschritt, bei dem zumindest eine Substratoberfläche (11, 12) des Halbleitersubstrates (1) elektrisch passiviert wird, wobei der Passivierungsschritt ein nasschemisches Oxidieren der Substratoberfläche (11, 12) und ein anschließendes Abscheiden einer Passivierungsschicht (4) aus einer Metalloxidverbindung oder einer Metallnitridverbindung auf die Solarzellenoberfläche (11, 12) umfasst. Ferner betrifft die Erfindung eine Wafersolarzelle.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren einer Wafersolarzelle und eine Wafersolarzelle.
- Wafersolarzellen bestehen üblicherweise aus einem Halbleitersubstrat, welcher in der Regel durch einen Siliziumwafer gebildet wird. Auf eine Oberfläche des Halbleitersubstrats wird mittels Diffusion eine Dotierschicht gebildet. Da das ursprüngliche Halbleitersubstrat bereits vordotiert ist, bildet sich zwischen der Dotierschicht und dem Rest des Halbleitersubstrats ein pn-Übergang. Wenn beispielsweise das Halbleitersubstrat als p-Typ vordotiert ist, so kann die Dotierschicht mittels Eindiffundieren von Phosphor in die Substratoberfläche als n+-Typ Dotierschicht erzeugt werden. In gleicher Weise kann auf einem als n-Typ vordotierten Halbleitersubstrat mittels Eindiffundieren von Bor eine p+-Typ Dotierschicht erzeugt werden.
- Um die Effizienz von Solarzellen weiter steigern zu können, ist es notwendig, die Oberflächen des Substrates zu passivieren. Hierbei geht es um eine elektrische Passivierung, auch einfach Oberflächenpassivierung genannt, bei der die Rekombinationsrate von freien Ladungsträgern an der Oberfläche vermindert wird. Ein beliebtes Verfahren zur Passivierung einer Oberfläche umfasst das Abscheiden einer oder mehrerer Passivierungsschichten hierauf. Hierbei hängen das optimale Material und die optimalen Abscheidungsparameter für die Herstellung der Passivierungsschicht unter anderem auch von dem Material und der Dotierung eben dieser zu passivierenden Halbleiteroberfläche ab.
- Die vorangehend beschriebenen Solarzellen weisen jedoch, wenn sie als Wafersolarzellen ausgebildet sind, auf ihrer Vorder- und Rückseite jeweils unterschiedliche Dotierungen oder, bei Heteroübergang-Solarzellen, sogar unterschiedliche Materialien auf. Dies hat in der Regel zur Folge, dass jeweils unterschiedliche Passivierungsverfahren soweie unterschiedliche Passivierungsmaterialien, beispielsweise Siliziumnitrid oder Aluminiumoxyd, für die Wafervorder- und Waferrückseite eingesetzt werden müssen, was den Herstellungsaufwand für die Solarzelle und letztendlich den Preis erhöht. Darüber hinaus würde eine Umstellung der Produktion auf eine andere Solarzellenstruktur sogleich die Einführung eines neuen Passivierungsverfahrens notwendig machen, was die Investitionskosten für neue Solarzellenkonzepte erheblich erhöhen würde.
- Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren für eine Wafersolarzelle und eine Wafersolarzelle bereitzustellen, mit denen eine effektive Oberflächenpassivierung möglichst unabhängig von der zu passivierenden Oberfläche ermöglicht wird.
- Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Wafersolarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
- Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein nasschemischer Oxidierungsschritt die Substratoberfläche für eine im Anschluss hierauf abgeschiedene Passivierungsschicht vorbereiten kann. Diese Vorbereitung der Oberfläche hat zur Folge, dass die aus einer Metalloxidverbindung oder einer Metallnitridverbindung gebildete Passivierungsschicht eine gesteigerte Effizienz als elektrische Oberflächenpassivierung besitzt. Insbesondere hat die Vorbehandlung mit einem nasschemischen Oxidationsmittel zur Folge, dass die Passivierungsschicht unabhängiger von den chemischen und elektrischen Eigenschaften des Substrates oder der Substratoberfläche wird.
- Bei dem vorgeschlagenen Wafersolarzellen-Herstellungsverfahren wird somit ein Halbleiterwafer als Substrat verwendet, beispielsweise ein Siliziumwafer, auf dem mittels Dotierung und/oder Abscheidung ein Ladungsträger trennender Übergang geschaffen wird, beispielsweise ein pn-Übergang. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt erfolgt dann die Passivierung einer oder beider Seiten des Halbleitersubstrates, indem die entsprechende Substratoberfläche zunächst mittels eines nasschemischen Oxidationsmittels vorbereitet wird. Dies erfolgt beispielsweise durch Aufragen einer Lösung aus dem Oxidationsmittel auf die Substratoberfläche oder mittels Eintauchen der Substratoberfläche in diese Lösung.
- Das mittels der nasschemischen Oxidation erzeugte Nasschemieoxid auf der Substratoberfläche bedingt, dass eine Reihe unterschiedlicher Metalloxid- oder Metallnitridverbindungen dazu verwendet werden können, eine Passivierungsschicht auf der Substratoberfläche zu bilden, und zwar relativ unabhängig vom Material und Dotierungstyp der Substratoberfläche.
- Zusätzlich zu den vorangehend beschriebenen Verfahrensschritten für die Herstellung der Passivierungsschicht, müssen natürlich weitere Prozessschritte durchgeführt werden, um die fertige Wafersolarzelle zu erhalten, wobei diese weiteren Prozessschritte vor oder nach einem der vorangehend beschriebenen Verfahrensschritten erfolgen können. Beispiele hierfür sind das Aufbringen weiterer Passivierungsschichten, das Aufbringen von Antireflexionsschichten, die Kontaktierung der aktiven Schichten und das Texturieren der lichteinfallseitigen Substratoberfläche.
- Für die nasschemische Oxidierung kann die Substratoberfläche mit einer oxidierenden Säure behandelt werden. Bevorzugterweise werden Lösungen umfassend Salpetersäure (HNO3), Schwefelsäure (H2SO4), Chlorwasserstoff (HCl), Wasserstoffperoxid (H2O2) oder eine Kombination hieraus eingesetzt. Insbesondere sind Mischungen aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid oder aus Chlorwasserstoff und Wasserstoffperoxid vorteilhaft, wobei jedoch auch Wasserstoffperoxid allein geeignet sein kann. Zudem kann auch H2O bei erhöhter Temperatur eingesetzt werden.
- Die Behandlungsdauer, also die Zeit, während der die Substratoberfläche in Kontakt mit dem Oxidationsmittel sein sollte, liegt vorteilhafterweise zwischen etwa einer und etwa 30 Minuten, bevorzugt zwischen etwa 5 und etwa 20 Minuten.
- Die für eine gute Passivierung bevorzugten Schichtdicken betragen bei dem so erzeugten Nasschemieoxid einen Wert zwischen etwa einem und etwa 12 Nanometern und liegen eher bevorzugt zwischen etwa 3 und etwa 8 Nanometern. In anderen bevorzugten Ausführungsformen wird mittels des nasschemischen Oxidierens ein Nasschemieoxid mit einer Schichtdicke von weniger als 15 Nanometern, weniger als 12 Nanometern oder weniger als 8 Nanometern erzeugt.
- Unabhängig von der Dicke des Nasschemieoxids, sollte die Passivierungsschicht eine Schichtdicke von etwa 5 bis etwa 150 Nanometern, bevorzugt 10 bis 50 Nanometern aufweisen, insbesondere wenn sie aus Aluminiumoxid gebildet ist.
- Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das nasschemische Oxidieren beidseitig des Halbleitersubstrats durchgeführt wird. Die nasschemische Behandlung der Substratoberfläche schafft eine Grundlage, auf der die anschließend abgeschiedene Passivierungsschicht unabhängig von der Substratoberfläche eine hohe Passivierungseffizienz erreicht. Diese passivierungsunterstützende Wirkung beidseitig der Solarzelle einzusetzen, führt zu einer erheblichen Effizienzsteigerung für die gesamte Wafersolarzelle.
- Nicht nur im letztgenannten Fall kann die Passivierungsschicht bevorzugterweise ebenfalls beidseitig auf das Halbleitersubstrat abgeschieden werden, also auf die Substratvorder- und -rückseite.
- In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das nasschemische Oxidieren beidseitig des Halbleitersubstrats gleichzeitig durchgeführt wird. Das bedeutet, dass sowohl die Substratvorderseite, als auch die Substratrückseite zeitgleich nasschemisch oxidiert werden. In diesem Fall kann das Substrat zweckmäßigerweise vollständig oder teilweise in eine Ätzlösung getaucht werden, welches die nasschemische Oxidierung bewirkt.
- Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Passivierungsschicht unmittelbar auf das nasschemisch erzeugte Oxid abgeschieden wird. Bei dieser Ausführungsform erfolgt also keine weitere Behandlung der Substratoberfläche derart, dass eine weitere Schicht entsteht. Dies schließt also nicht aus, dass das Nasschemieoxid beispielsweise einem Reinigungsschritt unterzogen wird.
- Das nasschemische Oxidieren wird vorzugsweise bei einer Behandlungstemperatur vorgenommen, welche zwischen Raumtemperatur und etwa 150°C liegt, eher bevorzugt zwischen etwa 50°C und etwa 100°C. Eine derart niedrige Behandlungstemperatur hat den Vorteil, dass die bereits erzeugten Strukturen der Solarzelle nicht beschädigt werden.
- Unabhängig hiervon, ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass nach dem Abscheiden der Passivierungsschicht eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, bei der die passivierte Substratoberfläche erwärmt wird. Hierbei kann es sich um eine Wärmebehandlung handeln, mit der andere funktionale Schichten der Solarzelle ausgebildet werden. Ein Beispiel hierfür ist der Feuerschritt bei der Herstellung einer Solarzellenkontaktschicht. Oder aber die Wärmebehandlung erfolgt speziell zur Verbesserung der Passivierung nach dem nasschemischen Oxidierungsschritt oder nach dem Abscheiden der Passivierungsschicht oder weiterer Passivierungsschichten. Auch in diesem Fall kann das Halbleitersubstrat auf eine einem Feuerschritt ähnliche Temperatur erhitzt werden.
- Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Passivierungsschicht aus einer Verbindung aus Aluminiumoxid (Al2O3 oder AlOx, wodurch ganz allgemein jede geeignete stöchiometrische Zusammensetzung von Aluminium und Sauerstoff gemeint ist), Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxynitrid, gegebenenfalls dotiert mit einem weiteren Element, gebildet wird. Die chemische Formel für ein derartiges Material kann somit allgemein als AlxMyOz, AlxMyNz oder AlxMmOyNz notiert werden, wobei ein gewünschtes stöchiometrisches Verhältnis durch geeignete Wahl von x, y, z und gegebenenfalls m erzielt wird. Hier steht M für das weitere Element. Eine Aluminium enthaltende Passivierungsschicht kann mittels Atomlagenabscheidung auf die Substratvorder- und/oder -rückseite aufgebracht werden. Dies gilt jedoch auch für das Aufbringen einer Passivierungsschicht aus einem anderen geeigneten Material.
- Es ist anzumerken, dass die Passivierungsschicht mittels eines Abscheideverfahrens auf die mittels nasschemischer Oxidation behandelte Substratoberfläche abgeschieden wird und nicht mittels eines nasschemischen Auftragungsverfahrens wie Sol-Gel oder dergleichen. Ein solches Abscheideverfahren umfasst beispielsweise Aufdampfverfahren wie chemische Gasphasenabscheidung (CVD – chemical vapor deposition), gegebenenfalls plasmagestützt, und physikalische Gasphasenabscheidung (PVD – physical vapor deposition), Sputterverfahren, Epitaxie und dergleichen. Insbesondere mittels Atomlagenabscheidung (ALD – atomic layer deposition) lassen sich sehr effektive Passivierungsschichten herstellen.
- Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass das Halbleitersubstrat als ein p-Typ Absorber bereitgestellt wird, auf dem vor dem Passivierungsschritt eine n-Typ Dotierschicht gebildet wird. Das Halbleitersubstrat kann hierbei bereits als Halbleiterwafer mit einer Vordotierung vorliegen, auf der die n-Typ Dotierschicht mittels Diffusion gebildet wird. Alternativ kann eine n-Typ Dotierschicht aus dem gleichen Material wie das Halbleitersubstrat oder aus einem anderen Halbleitermaterial als n-Typ Dotierschicht auf das Halbleitersubstrat abgeschieden werden. Insbesondere die Verwendung einer aluminiumbasierten Passivierungsschicht auf einem n-Typ Halbleiter wurde bisher als schlecht geeignet für eine effektive Passivierung angesehen. Die Vorbehandlung der n-Typ Halbleiteroberfläche in Form der nasschemischen Oxidierung erlaubt nun eine effektive Passivierung auch dieser Strukturen mit einer aluminiumbasierten Passivierungsschicht, insbesondere aus Aluminiumoxid (AlOx).
- Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 bis6 ein Solarzellenherstellungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. - Die
1 zeigt ein Halbleitersubstrat1 mit einer Vorderseitenoberfläche11 und einer Rückseitenoberfläche12 . Die Vorderseitenoberfläche11 dient bei der fertigen Wafersolarzelle als Lichteinfallseite, während die Rückseitenoberfläche12 dem Lichteinfall abgewandt sein wird. Die Vorderseitenoberfläche11 wird zunächst texturiert, um die Lichteinfangeffizienz zu steigern, was in der1 mittels der zackigen Form angedeutet ist. Die Texturierung wird bevorzugterweise in einem Texturätzbad durchgeführt. - Wie in der
2 angedeutet, wird im Anschluss an die Texturierung das Halbleitersubstrat1 von seiner texturierten Vorderseitenoberfläche11 her dotiert, um eine Dotierschicht2 herzustellen. Je nach gewünschter Dotierung wird ein geeignetes Dotiermaterial, beispielsweise Bor oder Phosphor, in die Vorderseitenoberfläche11 diffundiert. Alternativ oder zusätzlich kann eine Halbleiterschicht oder können weitere Halbleiterschichten aufgebracht werden, um einen photoaktiven Übergang zu erzeugen. - In einem nachfolgenden Schritt werden sowohl die Vorderseitenoberfläche
11 als auch die Rückseitenoberfläche12 einer nasschemischen Oxidierung unterzogen, wodurch ein Nasschemieoxid3 entsteht, welche in der3 schematisch als eigenständige Schicht wiedergegeben ist. Vorliegend wird die nasschemische Oxidierung also am Halbleitersubstrat1 beidseitig durchgeführt. Zweckmäßigerweise erfolgt die nasschemische Oxidierung beider Substratoberflächen11 ,12 zeitgleich, beispielsweise mittels Eintauchen des Halbleitersubstrats1 in ein Ätzbad, welches eine chloridhaltige, eine nitrathaltige und/oder eine schwefelhaltige Lösung umfasst. - Direkt im Anschluss an die nasschemische Oxidierung, gegebenenfalls nach einem Reinigungsschritt und/oder einer Wärmebehandlung, wird das Nasschemieoxid
3 wiederum beidseitig des Halbleitersubstrates1 mit einer Passivierungsschicht4 bedeckt. Zwar kann die Passivierungsschicht4 auf der Vorderseitenoberfläche11 andere chemische und elektrische Eigenschaften haben, als die Passivierungsschicht4 auf der Rückseitenoberfläche12 . Vorteilhaft ist es jedoch, den Behandlungserfolg der nasschemischen Oxidierung auf den Halbleiteroberflächen zu nutzen und trotz Unterschiede in den chemischen oder elektrischen Eigenschaften zwischen der Vorderseitenoberfläche11 und der Rückseitenoberfläche12 die gleiche Passivierungsschicht4 auf beiden Seiten des Halbleitersubstrats1 einzusetzen. Zweckmäßigerweise erfolgt die Abscheidung der Passivierungsschicht4 auf beiden Seiten des Halbleitersubstrats1 sogar zeitgleich oder zumindest unmittelbar aufeinander folgend im gleichen Abscheidungsschritt, das heißt ohne das Vakuum zu brechen. - Das Halbleitersubstrat
1 kann nun nach dem Abscheiden der Passivierungsschicht4 weitere Prozessschritte durchlaufen. Insbesondere kann eine weitere Passivierungsschicht5 auf die Vorderseitenoberfläche11 und/oder die Rückseitenoberfläche12 aufgebracht werden, wie dies im Falle einer beidseitigen Abscheidung in der5 dargestellt ist. Die weitere Passivierungsschicht5 kann zusätzliche funktionelle Eigenschaften aufweisen und beispielsweise als Antireflexionsschicht und/oder als Reflexionsschicht dienen. - Als Beispiel kann es sich bei dem Halbleitersubstrat
1 um einen Siliziumwafer handeln, so dass das Nasschemieoxid2 aus Siliziumoxid gebildet wird. Hierauf wird dann eine Aluminiumoxidschicht als Passivierungsschicht4 abgeschieden. Anschließend wird eine weitere Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid (SiNx) aufgebracht werden, beispielsweise mittels eines plasmaunterstützten chemischen Gasabscheideverfahrens. - Schließlich wird die Solarzelle kontaktiert. Hierzu wird auf der Vorderseitenoberfläche
11 des Halbleitersubstrats1 eine Vorderseitenmetallisierung6 erzeugt, welche die Dotierschicht2 kontaktiert. Dementsprechend wird auf der Rückseitenoberfläche12 des Halbleitersubstrats1 eine Rückseitenmetallisierung7 erzeugt. Die Rückseitenmetallisierung7 wird durch das Nasschemieoxid3 , die Passivierungsschicht4 und die weitere Passivierungsschicht5 hindurch mit dem Halbleitersubstrat1 elektrisch verbunden. Das Ergebnis ist in der6 dargestellt. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Halbleitersubstrat
- 11
- Vorderseitenoberfläche
- 12
- Rückseitenoberfläche
- 2
- Dotierschicht
- 3
- Nasschemieoxid
- 4
- Passivierungsschicht
- 5
- weitere Passivierungsschicht
- 6
- Vorderseitenmetallisierung
- 7
- Rückseitenmetallisierung
Claims (12)
- Herstellungsverfahren einer Wafersolarzelle, welcher ein Halbleitersubstrat (
1 ) aufweist, umfassend einen Passivierungsschritt, bei dem zumindest eine Substratoberfläche (11 ;12 ) des Halbleitersubstrates (1 ) elektrisch passiviert wird, wobei der Passivierungsschritt ein nasschemisches Oxidieren der Substratoberfläche (11 ,12 ) und ein anschließendes Abscheiden einer Passivierungsschicht (4 ) aus einer Metalloxidverbindung oder einer Metallnitridverbindung auf die Solarzellenoberfläche (11 ,12 ) umfasst. - Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das nasschemische Oxidieren beidseitig des Halbleitersubstrats (
1 ) durchgeführt wird. - Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das nasschemische Oxidieren beidseitig des Halbleitersubstrats (
1 ) gleichzeitig durchgeführt wird. - Herstellungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das nasschemische Oxidieren ein Eintauchen des Halbleitersubstrats (
1 ) in eine Ätzlösung umfasst. - Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht (
4 ) beidseitig auf das Halbleitersubstrat (1 ) abgeschieden wird. - Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht (
4 ) unmittelbar auf das nasschemisch erzeugte Oxid (3 ) abgeschieden wird. - Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abscheiden der Passivierungsschicht (
4 ) eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, bei der die passivierte Substratoberfläche erwärmt wird. - Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht (
4 ) aus einer Verbindung aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxynitrid und einem weiteren Element gebildet wird. - Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat als ein p-Typ Absorber bereitgestellt wird, auf dem vor dem Passivierungsschritt eine n-Typ Dotierschicht (
2 ) gebildet wird. - Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das nasschemische Oxidieren mittels einer Ätzlösung durchgeführt wird, welche Salpetersäure, Schwefelsäure, Chlorwasserstoff und/oder Wasserstoffperoxid umfasst.
- Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des nasschemischen Oxidierens eine Nasschemieoxid (
3 ) mit einer Schichtdicke von weniger als 15 Nanometer, weniger als 12 Nanometer oder weniger als 8 Nanometer erzeugt wird. - Wafersolarzelle mit einem Halbleitersubstrat (
1 ) mit einer Substratoberfläche (11 ;12 ), wobei die Substratoberfläche (11 ;12 ) mittels eines Nasschemieoxids (3 ) und einer auf dem Nasschemieoxid (3 ) abgeschiedenen Passivierungsschicht (4 ) aus einer Metalloxidverbindung oder einer Metallnitridverbindung passiviert ist.
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|---|---|---|---|
| DE102011001946A DE102011001946A1 (de) | 2011-04-11 | 2011-04-11 | Herstellungsverfahren einer Wafersolarzelle und Wafersolarzelle |
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| DE102011001946A DE102011001946A1 (de) | 2011-04-11 | 2011-04-11 | Herstellungsverfahren einer Wafersolarzelle und Wafersolarzelle |
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| Publication Number | Publication Date |
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| DE102011001946A1 true DE102011001946A1 (de) | 2012-10-11 |
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| DE102011001946A Ceased DE102011001946A1 (de) | 2011-04-11 | 2011-04-11 | Herstellungsverfahren einer Wafersolarzelle und Wafersolarzelle |
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|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
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