DE102011002726A1

DE102011002726A1 - Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle

Info

Publication number: DE102011002726A1
Application number: DE102011002726A
Authority: DE
Inventors: Reik Jesswein; Karsten Meyer; Tobias Wuetherich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SolarWorld Industries GmbH
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2012-07-19
Also published as: WO2012095222A1; EP2664012A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle die einen mittels einer ersten Dotierung in der gesamten Substratoberfläche eines Halbleitersubstrats, insbesondere einschließlich Kanten, erzeugten Emitterbereich und einen durch über-kompensierende zweite Dotierung erzeugten Basis-Kontaktbereich sowie einen die Tiefe des Emitterbereiches durchdringenden Trenngraben zur elektrischen Trennung des Emitterbereiches von dem Basis-Kontaktbereich aufweist, wobei zur Bildung des Trenngrabens eine Maskenschicht mittels eines lasergestützten lokalen Abtragens zur Vorzeichnung des Trenngrabens strukturiert und mit der strukturierten Maske der Trenngraben in die Emitterbereichs-Oberfläche eingeätzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, die einen mittels einer ersten Dotierung in der gesamten Substratoberfläche eines Halbleitersubstrats, einschließlich Kanten, erzeugten Emitterbereich und einen durch über-kompensierende zweite Dotierung erzeugten Basis-Kontaktbereich sowie einen die Tiefe des Emitterbereiches durchdringenden Trenngraben zur elektrischen Trennung des Emitterbereiches von dem Basis-Kontaktbereich aufweist.
Stand der Technik
Der pn-Übergang heutiger Industriesolarzellen wird größtenteils durch eine allseitige Diffusion von Phosphor hergestellt. Die Basiskontaktierung erfolgt dann durch das Aufbringen von aluminiumhaltigen Schichten, welche nach einer Temperaturbehandlung den Emitter durch Aluminiumdotierung überkompensieren. An den Rändern dieser aluminiumhaltigen Kontaktschichten entstehen jedoch Kurzschlüsse zwischen Emitter und Basis mit einem so niedrigen elektrischen Widerstand (Shunt-Widerstand), dass die Effizienz der Solarzelle stark eingeschränkt wird.
Um diese Kurzschlüsse zu verhindern wurden verschiedene Techniken entwickelt; vgl. A. Hauser et al., 17th EUPVSEC Munich, Germany, 2001.
Die am häufigsten verwendete Technik ist eine Durchtrennung des Emitters mit Hilfe eines Lasers. Dieser Lasergraben wird um alle Basiskontakte herumgeführt und kann bei richtiger Prozessführung den Shunt-Widerstand so stark erhöhen, dass keine kurzschlussbedingten Zelleffizienzverluste mehr entstehen.
1 verdeutlicht dieses Prinzip anhand eines Si-Wafers 11, in dessen gesamte Oberfläche – also sowohl die später dem Sonnenlicht S ausgesetzte Vorderseite als auch die gegenüberliegende Rückseite und den Kantenbereich – durch Eindiffusion eines geeigneten Dotierstoffes ein n⁺-Emitterbereich 12 eindiffundiert wurde und der Vorderseitenkontakte 14a und einen Rückseitenkontakt 14b aufweist. Auf der linken Seite der Figur ist gezeigt, wie sich zwischen dem linken Vorderseitenkontakt 14a und dem Rückseitenkontakt 14b in der Emitterschicht 12 ein Stromflussweg für die durch den photoelektrischen Effekt auf der Vorderseite erzeugten Elektroden und somit ein schädlicher kleiner Reihenwiderstand im sogenannten Zwei-Dioden-Modell der Solarzelle ausbildet. Auf der rechten Seite der Figur ist dargestellt, dass durch einen Trenngraben 16, der sowohl in eine die Vorderseite bedeckende Si-N-Schicht 13 als auch durch die Emitterschicht 12 mittels Laserstrahlung geschnitten ist, dieser Stromflussweg unterbrochen und damit dessen schädlicher Effekt beseitigt wird.
Durch das Einbrennen des Isolationsgrabens durch den Laser werden massive Schädigungen in das Silizium-Material eingebracht. Diese sorgen für eine starke Rekombination von Ladungsträgern vor allem in der Raumladungszone des Emitters. Dies wiederum führt zu Verlusten beim Füllfaktor und der offenen Klemmspannung der Solarzelle und somit schließlich zu Effizienzverlusten.
Eine weitere verbreitete Methode ist das Plasma-Kantenätzverfahren. Bei diesem werden durch ein Plasmaätzverfahren die Ränder des Si-Wafers nach der Phosphordiffusion abgeätzt und so Vorderseite (d. h. Emitterseite) und Rückseite (d. h. Basisseite) elektrisch isoliert.
Eine weitere Methode besteht im Auftragen einer Silizium ätzenden Paste. Diese wird, ähnlich dem Laserverfahren, um die zu isolierenden Basiskontakte herumgeführt; vgl. O. Doll et al., 24th EUPVSEC Hamburg, Germany, 2001. Auch das Plasmaätzverfahren und die Isolation durch Ätzpaste verursachen Schädigungen im Silizium und somit Effizienzverluste.
Eine weitere Methode besteht darin, den Emitter in den Bereichen der Basiskontakte nasschemisch zurückzuätzen. Das nasschemische Rückätzen der Basiskontaktbereiche verursacht nur wenig Schädigungen (A. A. Mewe et al., 24th EUPVSEC Hamburg, Germany, 2009), ist aber mit aufwendigen Verfahren verbunden, da eine Ätzmaske auf den Si-Wafer gebracht und strukturiert werden muss.
Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird zur Bildung des Trenngrabens eine Maskenschicht mittels eines lasergestützten lokalen Abtragens zur Vorzeichnung des Trenngrabens strukturiert. Anschließend wird mit der strukturierten Maske der Trenngraben in die Emitterbereichs-Oberfläche eingeätzt.
Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren, welches durch die Hinzunahme nur eines einzigen Prozessschrittes im Vergleich zur Laserisolation eine gut isolierende und sehr schädigungsarme Isolation von Basis und Emitterbereichen einer Solarzelle erlaubt. Dies führt zu einer deutlichen Reduktion der Effizienzverluste insbesondere in zukünftigen Solarzellkonzepten wie z. B. dem MWT-Konzept. Der zusätzliche Prozessschritt besteht aus dem Eintauchen der Wafer in eine Siliziumätze, wie z. B. eine Kaliumhydroxid-Lösung, und ist in der Solarzellindustrie sehr etabliert und leicht einzuführen.
In einer Ausführung der Erfindung ist das Halbleitersubstrat ein Halbleiter-Wafer, insbesondere Silizium-Wafer, wobei der oder ein Basis-Kontaktbereich in der in der rückseitigen Oberfläche des Wafers gebildet ist und der oder ein Trenngraben benachbart zu und längs dessen Umfang gebildet wird.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist eine Mehrzahl von Emitterbereichen in der gleichen Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet ist wie der Basis-Kontaktbereich. In diese Oberfläche wird eine Mehrzahl von Trenngräben eingeätzt.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird als Maskenschicht eine bei der ersten Dotierung eingesetzte oder gebildete Dotierstoffschicht benutzt. Insbesondere dient als Dotierstoffschicht eine bei einer Phosphordotierung als erste Dotierung gebildete Phosphorglasschicht. Grundsätzlich können aber auch andere an sich bekannte Dotierstoffschichten oder bei Dotierprozessen zwangsläufig ausgebildete (beispielsweise oxidische) Schichten als Maskenschicht beim vorgeschlagenen Verfahren benutzt werden. Alternativ dazu ist es aber auch möglich, eine später aufgebrachte Ätzmaske zu nutzen und diese durch Laserablation zu strukturieren um anschließend den Emitter lokal zurückzuätzen.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird das Einätzen des Trenngrabens mittels eines nasschemischen Ätzverfahrens, beispielsweise mit KOH-Ätzlösung, durchgeführt.
Zeichnungen
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus der nachfolgenden Erläuterung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
1 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung des Trenngraben-Prinzips einer elektrischen Trennung von Emitter- und Basisbereichen einer Solarzelle und
2A bis 2C Prinzipskizzen zur Illustration einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2A bis 2C zeigen schematisch (in Art einer Querschnittsdarstellung) wesentliche Schritte der Ausbildung einer elektrischen Trennung zwischen Emitter- und Basisbereichen im Kantenbereich eines Siliziumwafers 21 zur Herstellung einer Solarzelle. Zunächst wird der Siliziumwafer einer allseitigen (durch gewellte Pfeile symbolisierten) Phosphor-Diffusion P zur Erzeugung eines pn-Überganges im Si-Material ausgesetzt. Hierbei bildet sich eine die gesamte Oberfläche des Wafers 21, einschließlich der Kantenbereiche, bedeckende Phosphorglas(PSG)-Schicht 23 (2A). Dann wird nahe den Wafer-Kanten durch ein positionsgesteuertes Abtragverfahren mittels Laserstrahlung L in der PSG-Schicht 23 eine die PSG-Schicht vollständig durchsetzende Spur 25 gezeichnet, so dass eine strukturierte Ätzmaske 27 entsteht (2B). Schließlich wird in einem Ätzbad E, beispielsweise auf KOH-Basis, unter Nutzung der strukturierten Ätzmaske 27 längs der vorgezeichneten Spur 25 ein Trenngraben 29 geätzt.
Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

A. Hauser et al., 17th EUPVSEC Munich, Germany, 2001 [0003]
O. Doll et al., 24th EUPVSEC Hamburg, Germany, 2001 [0008]
A. A. Mewe et al., 24th EUPVSEC Hamburg, Germany, 2009 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, die einen mittels einer ersten Dotierung in der gesamten Substratoberfläche eines Halbleitersubstrats (11; 21), insbesondere einschließlich Kanten, erzeugten Emitterbereich (12) und einen durch über-kompensierende zweite Dotierung erzeugten Basis-Kontaktbereich (14b) sowie einen die Tiefe des Emitterbereiches durchdringenden Trenngraben (16; 29) zur elektrischen Trennung des Emitterbereiches von dem Basis-Kontaktbereich aufweist, wobei zur Bildung des Trenngrabens eine Maskenschicht (23) mittels eines lasergestützten lokalen Abtragens zur Vorzeichnung (25) des Trenngrabens strukturiert und mit der strukturierten Maske (27) der Trenngraben (29) in die Emitterbereichs-Oberfläche eingeätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Halbleitersubstrat ein Halbleiter-Wafer (11; 21), insbesondere Silizium-Wafer ist, der oder ein Basis-Kontaktbereich in der in der rückseitigen Oberfläche des Wafers gebildet ist und der oder ein Trenngraben (29) benachbart zu und längs dessen Umfang gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Mehrzahl von Emitterbereichen in der gleichen Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet ist wie der Basis-Kontaktbereich und in diese Oberfläche eine Mehrzahl von Trenngräben eingeätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als Maskenschicht (23) eine bei der ersten Dotierung eingesetzte oder gebildete Dotierstoffschicht benutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei als Dotierstoffschichtt (23) eine bei einer Phosphordotierung (P) als erste Dotierung gebildete Phosphorglasschicht dient.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Einätzen des Trenngrabens mittels eines nasschemischen Ätzverfahrens durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Ätzverfahren mit KOH-Ätzlösung (E) ausgeführt wird.