DE102011010306A1 - Process for producing a crystalline silicon solar cell while avoiding unwanted metal deposits - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Siliziumsolarzelle, bei welchem zum Zwecke des Ausbildens eines Emitters (52) auf einer ersten Seite eines Siliziumsubstrats (50) Dotierstoff in das Siliziumsubstrat (50) eindiffundiert wird (10), nachfolgend eine Siliziumnitridschicht (56) auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats (50) abgeschieden wird (16), nachfolgend auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats (50) lokal Öffnungen (58) in die Siliziumnitridschicht (56) eingebracht werden, nachfolgend in den Öffnungen (58) mittels Plattieren (20) Metallkontakte (60) ausgebildet werden (20), wobei vor dem Abscheiden (16) der Siliziumnitridschicht (56) der Emitter (52) auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats (50) teilweise zurückgeätzt wird (12) und nachfolgend vor dem Abscheiden (16) der Siliziumnitridschicht (56) auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats (50) eine Siliziumoxidschicht (54) mit einer Dicke im Bereich von 1,0 nm bis 10 nm ausgebildet wird (14).Method for producing a crystalline silicon solar cell, in which, for the purpose of forming an emitter (52) on a first side of a silicon substrate (50), dopant is diffused into the silicon substrate (50), followed by a silicon nitride layer (56) on the first side of the silicon substrate (50) is deposited (16), subsequently openings (58) are made locally in the silicon nitride layer (56) on the first side of the silicon substrate (50), subsequently in the openings (58) by means of plating (20) metal contacts (60) ) are formed (20), the emitter (52) on the first side of the silicon substrate (50) being partially etched back (12) before the deposition (16) of the silicon nitride layer (56) and subsequently before the deposition (16) of the silicon nitride layer ( 56) a silicon oxide layer (54) with a thickness in the range from 1.0 nm to 10 nm is formed (14) on the first side of the silicon substrate (50).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Siliziumsolarzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine mit diesem Verfahren gefertigte Solarzelle.The invention relates to a method for producing a crystalline silicon solar cell according to the preamble of claim 1 and to a solar cell produced by this method.
Aus der internationalen Patentanmeldung
Eine andere Möglichkeit zur Ausbildung von Metallkontakten bei Solarzellen besteht darin, lokal Öffnungen in dielektrischen Schichten, welche auf einer Oberfläche eines verwendeten Siliziumssubstrats angeordnet sind, auszubilden. In diesen Öffnungen wird im Weiteren mittels Plattieren Metall abgeschieden. Es hat sich herausgestellt, dass beidem Plattieren, sei es Elektroplattieren oder stromloses Plattieren, teilweise auch Metall auf ungeöffneten Bereichen der dielektrischen Schicht abgeschieden wird, beispielsweise auf ungeöffnetem Bereichen einer Siliziumnitridschicht. Derartige unerwünschte Metallabscheidungen werden häufig als „Geisterabscheidungen” oder „ghostplating bezeichnet. Sie sind deshalb unerwünscht, da sie zu zusätzlichen Abschattungsverlusten führen und den Wirkungsgrad der Solarzelle beeinträchtigen.Another possibility for forming metal contacts in solar cells is to locally form openings in dielectric layers, which are arranged on a surface of a silicon substrate used. In these openings, metal is subsequently deposited by means of plating. It has been found that in plating, be it electroplating or electroless plating, metal is also partly deposited on unopened areas of the dielectric layer, for example on unopened areas of a silicon nitride layer. Such unwanted metal deposits are often referred to as "ghost deposits" or "ghostplating. They are undesirable because they lead to additional Abschattungsverlusten and affect the efficiency of the solar cell.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art zur Verfügung zu stellen, mit welchem die Entstehung von Geister abscheidungen vermieden werden kann, ohne den Wirkungsgrad der fertigen Solarzelle zu verringern.Against this background, the present invention seeks to provide a method of the generic type with which the formation of ghost deposits can be avoided without reducing the efficiency of the finished solar cell.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This object is achieved by a method having the features of claim 1.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Solarzelle mit durch Plattieren ausgebildeten Kontakten ohne Geisterabscheidungen zur Verfügung zu stellen.Furthermore, the invention is based on the object of providing a solar cell with contacts formed by plating without ghost deposits.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 12.This object is achieved by a solar cell having the features of
Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand abhängiger Unteransprüche.Advantageous developments are each the subject of dependent claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, zum Zwecke des Aus bildens eines Emitters auf einer ersten Seite eines Siliziumsubstrats Dotierstoff in das Siliziumsubstrat einzudiffundieren, nachfolgend eine Siliziumnitridschicht zumindest auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats abzuscheiden, nachfolgend auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats lokal Öffnungen in die Siliziumnitridschicht einzubringen und nachfolgend in den Öffnungen mittels Plattieren Metallkontakte auszubilden. Vor dem Abscheiden der Siliziumnitridschicht wird der Emitter auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats teilweise zurückgeätzt. Danach, jedoch vor dem Abscheiden der Siliziumnitridschicht, wird auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats eine Siliziumoxidschicht mit einer Dicke im Bereich von 1,0 nm bis 10 nm ausgebildet.The method according to the invention provides, for the purpose of forming an emitter on a first side of a silicon substrate, to diffuse dopant into the silicon substrate, subsequently depositing a silicon nitride layer at least on the first side of the silicon substrate, subsequently introducing openings locally into the silicon nitride layer on the first side of the silicon substrate and subsequently forming metal contacts in the openings by means of plating. Prior to depositing the silicon nitride layer, the emitter on the first side of the silicon substrate is partially etched back. Thereafter, however, prior to deposition of the silicon nitride layer, a silicon oxide layer having a thickness in the range of 1.0 nm to 10 nm is formed on the first side of the silicon substrate.
Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise Geisterabscheidungen vermieden und dadurch Solarzellen mit verringerten Abschattungsverlusten hergestellt werden können. It has been shown that in this way ghost deposits can be avoided and thereby solar cells with reduced shading losses can be produced.
Die beschriebene Ausbildung des Emitters ist nicht notwendigerweise auf die erste Seite des Siliziumsubstrats beschränkt, sondern kann auch auf weiteren Seiten des Siliziumsubstrats erfolgen. Die Abscheidung der Siliziumnitridschicht, die Ausbildung der Siliziumoxidschicht wie auch das Zurückätzen des Emitters sind ebenfalls nicht notwendigerweise auf die erste Seite des Siliziumsubstrats beschränkt.The described design of the emitter is not necessarily limited to the first side of the silicon substrate, but may also be on other sides of the silicon substrate. The deposition of the silicon nitride layer, the formation of the silicon oxide layer as well as the etching back of the emitter are also not necessarily limited to the first side of the silicon substrate.
Unter Plattieren im vorliegenden Sinne ist ein Elektroplattieren, welches teilweise auch als galvanische Metallabscheidung oder electroplating bezeichnet wird, oder ein stromfreies Plattieren zu verstehen, welches teilweise als chemische Metallabscheidung oder electroless plating bezeichnet wird. Ein Metallkontakt im vorliegenden Sinne ist ein aus einem oder mehreren Metallen oder einem oder mehrerer Metalllegierungen gebildeter Kontakt.Plating in the present sense is to be understood as meaning electroplating, which is sometimes referred to as galvanic metal deposition or electroplating, or electroless plating, which is sometimes referred to as chemical metal plating or electroless plating. A metal contact in the present sense is a contact formed from one or more metals or one or more metal alloys.
Die Öffnungen werden vorzugsweise mittels Laserablation in die Siliziumnitridschicht eingebracht. Vorteilhafterweise wird eine wasserstoffhaltige Siliziumnitridschicht auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats abgeschieden. Auf diese Weise kann im Verlauf der Solarzellenfertigung Wasserstoff aus der Siliziumnitridschicht zur Passivierung von Defekten in das Siliziumsubstrat eindiffundiert werden. Dies ist insbesondere bei der Verwendung multikristalliner Siliziumsubstrate von Vorteil. Aufgrund der geringen Dicke der noch vor Abscheidung der Siliziumnitridschicht ausgebildeten Siliziumoxidschicht wird die Eindiffusion von Wasserstoff aus der Siliziumnitridschicht in das Siliziumsubstrat durch die Siliziumoxidschicht nicht in relevantem Umfang behindert.The openings are preferably introduced into the silicon nitride layer by means of laser ablation. Advantageously, a hydrogen-containing silicon nitride layer is deposited on the first side of the silicon substrate. In this way, in the course of solar cell production, hydrogen can be diffused from the silicon nitride layer to passivate defects into the silicon substrate. This is particularly advantageous when using multicrystalline silicon substrates. Due to the small thickness of the silicon oxide layer formed before the deposition of the silicon nitride layer, the diffusion of hydrogen from the silicon nitride layer into the silicon substrate through the silicon oxide layer is not impeded to any significant extent.
Vorzugsweise werden die Metallkontakte in den Öffnungen durch Elektroplattieren ausgebildet. Bei dieser Ausführungsvariante wirkt sich die Erfindung besonders vorteilhaft aus, da beim Elektroplattieren Geisterabscheidungen in einem stärkeren Ausmaß auftreten als bei einem stromfreien Plattieren.Preferably, the metal contacts are formed in the openings by electroplating. In this embodiment variant, the invention has a particularly advantageous effect, since in electroplating ghost deposits occur to a greater extent than in the case of electroless plating.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Emitter nasschemisch zurückzuätzen. Vorzugsweise wird er in einer Ätzlösung zurückgeätzt, welche Flusssäure und Salpetersäure oder Flusssäure und Ozon aufweist.It has proved to be advantageous to etch back the emitter wet-chemically. Preferably he etched back in an etching solution containing hydrofluoric acid and nitric acid or hydrofluoric acid and ozone.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante des Verfahrens wird durch das Zurückätzen des Emitters dessen Schichtwiderstandswert um 10 Ω/sq bis 50 Ω/sq erhöht. Bei Verwendung eines multikristallinen Siliziumsubstrats hat sich in der Praxis nach dem Zurückätzendes Emitters eine Höchstgrenze für dessen Schichtwiderstandswert von 90 Ω/sq bewährt. Werden monokristalline Siliziumsubstrate verwendet, so kann diese Höchstgrenze höher liegen.In an advantageous embodiment variant of the method, the etch resistance of the emitter increases its layer resistance value by 10 Ω / sq to 50 Ω / sq. When using a multicrystalline silicon substrate, in practice, after the emitter has been etched back, a maximum limit has been established for its sheet resistance value of 90 Ω / sq. If monocrystalline silicon substrates are used, this upper limit may be higher.
Vorzugsweise wird die Siliziumoxidschicht mittels einer nasschemischen Oxidation ausgebildet. Dies kann beispielsweise in einer Ozon, Wasserstoffperoxid oder Salpetersäure aufweisenden Lösung erfolgen. Besonders bevorzugt wird die Siliziumoxid-Schicht in einer Oxidationslösung aus deionisiertem Wasser und darin gelöstem Ozon ausgebildet.Preferably, the silicon oxide layer is formed by wet-chemical oxidation. This can be done, for example, in a solution comprising ozone, hydrogen peroxide or nitric acid. Particularly preferably, the silicon oxide layer is formed in an oxidation solution of deionized water and ozone dissolved therein.
In einer alternativen Ausführungsvariante kann die Silizium Oxidschicht mittels einer Gasphasenoxidation ausgebildet werden. Vorzugsweise erfolgt dies in einer ozonhaltigen Gasatmosphäre. Vorteilhafterweise wird diese energetisch angeregt, beispielsweise durch Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise von ultraviolettem Licht.In an alternative embodiment variant, the silicon oxide layer can be formed by means of a gas-phase oxidation. This is preferably done in an ozone-containing gas atmosphere. Advantageously, this is energetically excited, for example by irradiation of electromagnetic radiation, preferably of ultraviolet light.
In der Praxis hat es sich bewährt, die Siliziumoxidschicht in einer Dicke im Bereich von 2 nm bis 3 nm auszubilden.In practice, it has been found useful to form the silicon oxide layer in a thickness in the range of 2 nm to 3 nm.
Vorteilhafterweise wird in den in die Siliziumnitridschicht eingebrachten Öffnungen die Siliziumoxidschicht lokal entfernt. Dies kann wiederum mittels Laserablation erfolgen und besonders bevorzugt in demselben Laserablationsschritt, in welchem auch die Öffnungen in die Siliziumnitridschicht eingebracht werden.Advantageously, the silicon oxide layer is locally removed in the openings introduced into the silicon nitride layer. This can again be done by means of laser ablation, and particularly preferably in the same laser ablation step, in which the openings are also introduced into the silicon nitride layer.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens werden die Öffnungen mittels Laserablation in die Siliziumnitridschicht eingebracht und dabei mittels Laserdiffusion in Bereichen der Öffnungen stärker dotierte Emitterbereiche ausgebildet. Unter einer Laserdiffusion ist dabei zu verstehen, dass das Siliziumsubstrat mittels Laserstrahlung, welche bereits für die Laserablation eingestrahlt wird, lokal derart erhitzt wird, dass es in den Bereichen der Öffnungen zu einer Umlagerung des Dotierstoffs kommt, ein Emitterprofil also lokal verändert wird. Unter eine solche Umlagerung von Dotierstoff fällt auch die Aktivierung elektrisch inaktiven Dotierstoffs. Mittels einer derartigen Laserdiffusion können in Bereichen der Öffnungen lokal stärker dotierte Emitterbereiche und damit ein sogenannter selektiver Emitter ausgebildet werden.According to a development of the method, the openings are introduced into the silicon nitride layer by means of laser ablation and, by means of laser diffusion, emitter regions which are more heavily doped are formed in regions of the openings. Laser diffusion means that the silicon substrate is locally heated by means of laser radiation, which is already irradiated for the laser ablation, in such a way that a rearrangement of the dopant occurs in the regions of the openings, ie an emitter profile is locally changed. Under such a rearrangement of dopant also falls the activation of electrically inactive dopant. By means of such a laser diffusion locally stronger doped emitter regions and thus a so-called selective emitter can be formed in regions of the openings.
Bei der praktischen Umsetzung der Laserablation haben sich, sowohl in Verbindung mit homogenen wie auch selektiven Emittern, laserinduzierte chemische Verfahren, teilweise als laser chemical processing bezeichnet, bewährt; beispielsweise ein laserinduziertes chemisches Ätzen, welches teilweise als laser chemical etching bezeichnet wird. Alternativ kann die Laserablation auch mittels Laserstrahlverdampfung realisiert werden, welches ebenso wie die laserinduzierten chemischen Verfahren eine Laserdiffusion zum Zwecke der Ausbildung eines selektiven Emitters ermöglicht.In the practical implementation of laser ablation, both in conjunction with homogeneous and selective emitters, laser-induced chemical processes, sometimes referred to as laser chemical processing, have been proven; For example, a laser-induced chemical etching, which is sometimes referred to as laser chemical etching. Alternatively, the laser ablation can also be realized by means of laser beam evaporation, which, like the laser-induced chemical methods, enables laser diffusion for the purpose of forming a selective emitter.
Wird in der beschriebenen Weise ein selektiver Emitter ausgebildet, so kann eine stärkere Diffusion zur Ausbildung des Emitters auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats eingesetzt werden. Dies erleichtert zum einen die Verfahrensführung zum anderen können bei einer stärkeren Eindiffusion von Dotierstoff in dem Siliziumsubstrat vorhandene Verunreinigungen besser gegettert werden, was sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad der fertigen Solarzelle auswirkt.If a selective emitter is formed in the manner described, a stronger diffusion can be used to form the emitter on the first side of the silicon substrate. On the one hand, this facilitates the process control on the other hand, impurities present in the silicon substrate can be better gettered with a stronger diffusion of dopant, which has an advantageous effect on the efficiency of the finished solar cell.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass im Falle eines selektiven Emitters die oben genannten, vorteilhaften Höchstgrenzen für Emitterschichtwiderstandswerte abseits stärker dotierter Emitterbereiche überschritten werden können. Höhere Schichtwiderstandswerte in diesen Bereichen können sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad gefertigter Solarzellen auswirken.For the sake of completeness, it should be mentioned that in the case of a selective emitter, the abovementioned, advantageous upper limits for emitter layer resistance values can be exceeded apart from more heavily doped emitter regions. Higher sheet resistance values in these ranges can have an advantageous effect on the efficiency of manufactured solar cells.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:Furthermore, the invention will be explained in more detail with reference to figures. Show it:
Im weiteren Verfahrensverlauf wird der Emitter
Im Weiteren wird das Siliziumsubstrat
Im Weiteren wird eine wasserstoffhaltige Siliziumnitridschicht abgeschieden
Im weiteren Verfahrensverlauf werden auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats
Abschließend werden in den Öffnungen
Auf die Darstellung an sich bekannter Verfahrensschritte zur Ausbildung von Rückseitenfeldern, so genannten back surface fields, wurde in
Die unterste Teildarstellung in
Das Ausführungsbeispiel der
Die unterste Teildarstellung in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Eindiffusion DotierstoffIndiffusion dopant
- 1212
- Zurückätzen EmitterEtching emitter
- 1414
- Ausbilden SiliziumoxidschichtForm silicon oxide layer
- 1616
- Siliziumnitridabscheidungsilicon nitride deposition
- 1818
- Einbringen ÖffnungenInserting openings
- 2020
- Elektroplattierenelectroplating
- 2828
- Einbringen Öffnungen und LaserdiffusionIntroduce openings and laser diffusion
- 5050
- Siliziumsubstratsilicon substrate
- 5252
- Emitteremitter
- 5454
- Siliziumoxidschichtsilicon oxide
- 5656
- Siliziumnitridschichtsilicon nitride
- 5858
- Öffnungopening
- 6060
- VorderseitenkontaktFront contact
- 6262
- RückseitenkontaktBack contact
- 6464
- stärker dotierter Emitterbereichmore heavily doped emitter region
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 2008/039067 A2 [0002] WO 2008/039067 A2 [0002]
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-
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- 2012-02-03 WO PCT/DE2012/100024 patent/WO2012103888A1/en active Application Filing
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