DE102011052916B4 - Solar cell manufacturing process and wafer solar cell - Google Patents
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Abstract
Solarzellen-Herstellungsverfahren umfassend die folgenden Verfahrensschritte:- Bereitstellen eines n-Typ Siliziumwafers (1);- Erzeugen eines Dotiergradienten aus thermischen Donatoren in dem Siliziumwafer (1);- Erzeugen eines photovoltaisch aktiven Überganges (13) für die Solarzelle; und- Kontaktieren der Solarzelle, indem ein Emitterkontakt (32) und ein Basiskontakt (31) erzeugt werden wobei Wasserstoff zur Bildung der thermischen Donatoren während der Abscheidung einer Antireflexschicht (6) aus einem wasserstoffreichen Depositionsplasma in den Wafer eindiffundiert.Solar cell manufacturing method comprising the following method steps: - providing an n-type silicon wafer (1); - generating a doping gradient from thermal donors in the silicon wafer (1); - generating a photovoltaically active transition (13) for the solar cell; and contacting the solar cell by producing an emitter contact (32) and a base contact (31), wherein hydrogen diffuses into the wafer to form the thermal donors during the deposition of an antireflection layer (6) from a hydrogen-rich deposition plasma.
Description
Die Erfindung betrifft ein Solarzellen-Herstellungsverfahren und eine Wafersolarzelle.The invention relates to a solar cell manufacturing method and a wafer solar cell.
Um Rekombinationsverluste an Oberflächen von Wafersolarzellen zu verringern und dadurch die Effizienz der Solarzellen zu steigern, wird bei p-Typ Silizium basierten Solarzellen mit vorderseitig eindiffundiertem Emitter gegenwärtig rückseitig, das heißt auf der Licht abgewandten Seite der Solarzelle, ein sogenanntes Rückseitenfeld erzeugt. Hierzu wird in der Regel eine Metallpaste (also eine metallhaltige Paste), häufig eine aluminiumhaltige Paste, auf die rückseitige Halbleiteroberfläche aufgetragen. In einem sogenannten Feuerschritt wird der Wafer anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen, wodurch Aluminium in die Zellrückseite eindiffundiert und in einem Oberflächenbereich die Dotierkonzentration im Vergleich zur Basisdotierkonzentration erhöht wird. Dieser Oberflächenbereich wird als Rückseitenfeld oder Back-Surface-Field (BSF) bezeichnet. Aus der Metallpaste entsteht beim Feuerschritt außerdem die rückseitige Metallisierung.In order to reduce recombination losses on the surfaces of wafer solar cells and thereby increase the efficiency of the solar cells, a so-called backside field is currently being produced on the p-type silicon-based solar cells with emitter diffused in from the front, that is to say on the light-facing side of the solar cell. For this purpose, a metal paste (ie a metal-containing paste), often an aluminum-containing paste, is usually applied to the rear surface of the semiconductor. In a so-called fire step, the wafer is then subjected to a heat treatment, as a result of which aluminum diffuses into the back of the cell and the doping concentration is increased in a surface area compared to the basic doping concentration. This surface area is referred to as the back surface field or back surface field (BSF). The metal paste also forms the back metallization during the fire step.
Alternativ kann bei Solarzellen mit rückseitigem Emitter vorderseitig, das heißt lichteinfallseitig, ein sogenanntes Vorderseitenfeld erzeugt werden. Ein solches Vorderseitenfeld, auch Front-Surface-Field (FSF) genannt, wird bei auf n-Typ basierenden Solarzellen beispielsweise mittels vorderseitiger Eindiffusion von Dotierstoffen wie Phosphor erzeugt.Alternatively, in the case of solar cells with a rear emitter, a so-called front field can be generated on the front side, that is to say on the light incidence side. Such a front side field, also called front surface field (FSF), is generated in n-type-based solar cells, for example by means of front-side diffusion of dopants such as phosphorus.
Sowohl das Rückseitenfeld als auch das Vorderseitenfeld dienen durch die Anhebung der Dotierkonzentration und der damit verbundenen Reduktion von Minoritätsladungsträgern dazu, die Rekombinationswahrscheinlichkeit an der jeweiligen Oberfläche zu reduzieren. Gleichzeitig wirken hohe Dotierkonzentrationen der Rückseiten- / Vorderseitenfelder aber auch als Rekombinationszentren, welche die Rekombinationsverluste im hochdotierten Halbleitervolumen erhöhen. Außerdem steigt auch die Rekombinationswahrscheinlichkeit der noch vorhandenen Minoritäten an der hochdotierten Halbleiteroberfläche im Vergleich zu geringer dotierten Oberflächen.Both the rear side field and the front side field serve to reduce the probability of recombination on the respective surface by increasing the doping concentration and the associated reduction in minority charge carriers. At the same time, high doping concentrations of the back / front fields also act as recombination centers, which increase the recombination losses in the highly doped semiconductor volume. In addition, the probability of recombination of the minorities still present on the highly doped semiconductor surface increases in comparison to less doped surfaces.
Im Gegensatz zu oberflächenpassivierenden Maßnahmen, die freie Siliziumbindungen (die als Rekombinationszentren wirken) absättigen, sind solche BSF oder FSF besonders stabil gegen äußere Einflüsse wie z.B. UV-Bestrahlung und können dadurch die Passivierwirkung langfristig gewährleisten. Zudem werden hierdurch an der jeweiligen Oberfläche der laterale Serienwiderstand und damit zusammenhängende Verluste vermindert. BSF und FSF haben jedoch den Nachteil, dass die Reduzierung des lateralen Serienwiderstandes nur auf wenige Mikrometer Tiefe erzielt werden kann, da die Eindringtiefe des Rückseiten- beziehungsweise Vorderseitenfeldes durch die geringen Diffusionsgeschwindigkeiten der Dotierstoffe und die daraus resultierende große Dauer der Herstellungsprozesse begrenzt ist. Zwar können die Diffusionszeiten durch eine Temperaturanhebung reduziert werden, gleichzeitig steigt dadurch aber auch die Gefahr der Erzeugung von Defekten im Substratmaterial.In contrast to surface passivating measures that saturate free silicon bonds (which act as recombination centers), such BSF or FSF are particularly stable against external influences such as e.g. UV radiation and can thus ensure the passivation effect in the long term. In addition, the lateral series resistance and the associated losses are reduced on the respective surface. However, BSF and FSF have the disadvantage that the reduction of the lateral series resistance can only be achieved to a depth of a few micrometers, since the depth of penetration of the rear or front field is limited by the low diffusion speeds of the dopants and the resulting long duration of the manufacturing processes. The diffusion times can be reduced by raising the temperature, but at the same time this increases the risk of defects in the substrate material.
Innerhalb hochdotierter Bereiche des BSF bzw. FSF driften die Minoritätsladungsträger entlang des Dotiergradienten aus dem BSF bzw. FSF heraus in das Basismaterial hinein.Within highly doped areas of the BSF or FSF, the minority charge carriers drift out of the BSF or FSF into the base material along the doping gradient.
Es ist bekannt, mittels eines Gradienten aus thermischen Donatoren in p-Typ Silizium einen pn-Übergang zu erzeugen. Die Herstellung einer Solarzelle mit einem derartigen Gradienten wird beispielsweise beschrieben in der Publikation „Increased Efficiencies in a-Si:H(n)/Cz-Si(p) Heterojunction Solar Cells due to Gradient Doping by Thermal Donors“, M.L.D. Scherff et al., 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, 4-8 September 2006, Dresden, Germany. Darin wird erläutert, wie ein vordotierter p-leitender Halbleiterwafer vorderseitig mit einem Wasserstoffplasma behandelt und anschließend getempert wird. Aufgrund der in dem Halbleiter vorhandenen Sauerstoff-Verunreinigungen werden hierdurch sogenannte thermische Donatoren im Halbleiter bis in eine Tiefe von etwa 175 µm erzeugt. Wegen der lediglich einseitigen Plasmabehandlung entsteht eine von der Wafervorderseite aus mit der Tiefe abnehmende Dichteverteilung der thermischen Donatoren, welche im Folgenden als Gradient, Dotiergradient oder Konzentrationsgradient bezeichnet wird.It is known to generate a pn junction using a gradient made of thermal donors in p-type silicon. The production of a solar cell with such a gradient is described, for example, in the publication “Increased Efficiencies in a-Si: H (n) / Cz-Si (p) Heterojunction Solar Cells due to Gradient Doping by Thermal Donors”, M.L.D. Scherff et al., 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, 4-8 September 2006, Dresden, Germany. It explains how a predoped p-type semiconductor wafer is treated on the front side with a hydrogen plasma and then annealed. As a result of the oxygen impurities present in the semiconductor, so-called thermal donors are produced in the semiconductor to a depth of approximately 175 μm. Because of the only one-sided plasma treatment, a density distribution of the thermal donors decreases with the depth from the front of the wafer, which is referred to below as gradient, doping gradient or concentration gradient.
Wie der Name schon andeutet, handelt es sich bei den thermischen Donatoren um Donatoren, die also eine n-Leitung des Halbleiters bewirken. Der Gradient aus thermischen Donatoren wird so eingestellt, dass aufgrund der hohen Donatorendichte an der Halbleiteroberfläche eine Leitungstypinversion und damit ein pn-Übergang entsteht, der als photovoltaisch aktiver Übergang der Solarzelle dient. Anschließend wird vorderseitig ein isotyper Heteroübergang erzeugt und die fertige Wafersolarzelle beidseitig kontaktiert. Dazu wird auf das, durch die thermischen Donatoren erzeugte n-Typ Silizium amorphes n-Typ Silizium abgeschieden.As the name suggests, the thermal donors are donors, which result in an n-type conduction of the semiconductor. The gradient of thermal donors is set so that due to the high donor density on the semiconductor surface, a conduction type inversion and thus a pn junction occurs, which serves as a photovoltaically active junction of the solar cell. An isotropic heterojunction is then generated on the front and the finished wafer solar cell is contacted on both sides. For this purpose, amorphous n-type silicon is deposited on the n-type silicon produced by the thermal donors.
Befindet sich ein Ladungsträger in einem Dotiergradienten, dann findet zusätzlich zur Ladungsträgerdiffusion ein Ladungsträgerdrift entlang des Dotiergradienten statt. Dadurch können größere Ladungsträger-Diffusionslängen erreicht werden, als ohne Gradienten.If a charge carrier is in a doping gradient, then in addition to the charge carrier diffusion, a charge carrier drift takes place along the doping gradient. As a result, larger charge carrier diffusion lengths can be achieved than without a gradient.
Dieser bekannte Stand der Technik hat den Nachteil, dass durch den Gradienten der thermischen Donatoren sowohl der photovoltaisch aktive Übergang als auch das Driftfeld im Halbleitervolumen bestimmt werden. Diese beiden Mechanismen sind in diesem Fall nicht getrennt steuerbar. Es besteht beispielsweise die Gefahr, dass nicht ganzflächig hinreichend viele thermische Donatoren erzeugt werden um ganzflächig einen pn-Übergang zu erzeugen, was entweder zusätzlich das verwendete amorphe n-Typ Silizium erforderlich macht oder nach der Kontaktierung Kurzschlüsse zwischen den beiden vorhandenen p- und n-Typ Bereichen zur Folge hat.This known prior art has the disadvantage that due to the gradient of the thermal Donors both the photovoltaically active transition and the drift field in the semiconductor volume can be determined. In this case, these two mechanisms cannot be controlled separately. There is, for example, the risk that a sufficient number of thermal donors will not be generated over the entire area in order to produce a pn junction over the entire area, which either additionally requires the amorphous n-type silicon used or short-circuits between the two p- and n- Type areas.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Solarzellen-Herstellungsverfahren und eine Wafersolarzelle bereitzustellen, mit der ein größerer Parameterbereich für Driftfeld und photovoltaisch aktiver Übergang mittels einer einzelnen Technologie ergründet werden kann.It is therefore an object of the invention to provide a solar cell production method and a wafer solar cell with which a larger parameter range for drift field and photovoltaically active transition can be found using a single technology.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Solarzellen-Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Wafersolarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.The object is achieved according to the invention by a solar cell production method having the features of
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, in einem n-Typ Siliziumwafer intrinsisch vorhandenen Sauerstoff zu nutzen, um ausgehend von einer Waferoberfläche einen Gradienten aus thermischen Donatoren zu erzeugen. Hierzu wird in die Waferoberfläche atomarer Wasserstoff eingebracht. Dies kann mittels einer Implantation, mittels einer Wasserstoffdiffusionsquelle oder mittels einer Plasmabehandlung mit Wasserstoffplasma und bei allen Verfahren gegebenenfalls einer gleichzeitigen und / oder nachfolgenden Wärmebehandlung erfolgen. Mit diesem Vorgehen wird erreicht, in Driftfeldern, die mit Hilfe von thermischen Donatoren erzeugt wurden, die Ladungsträgerdiffusionslänge in Richtung des Gradienten, und/oder die Querleitfähigkeit in den durch die thermischen Donatoren erzeugten höher dotierten Bereichen, zu erhöhen. Die thermischen Donatoren können hierbei von einer vorderseitigen beziehungsweise lichteinfallseitigen Waferoberfläche, also eine Waferoberfläche, welche in der späteren Solarzelle dem einfallenden Licht zugewandt ist, oder von einer der vorderseitigen Waferoberfläche entgegengesetzten lichtabgewandten Waferoberfläche ausgehend im Siliziumwafer erzeugt werden.The invention is based on the consideration of using intrinsically present oxygen in an n-type silicon wafer in order to generate a gradient from thermal donors starting from a wafer surface. For this purpose, atomic hydrogen is introduced into the wafer surface. This can be done by means of an implantation, by means of a hydrogen diffusion source or by means of a plasma treatment with hydrogen plasma and, if appropriate, a simultaneous and / or subsequent heat treatment in all methods. With this procedure it is achieved to increase the charge carrier diffusion length in the direction of the gradient and / or the transverse conductivity in the more highly doped regions produced by the thermal donors in drift fields which were generated with the aid of thermal donors. In this case, the thermal donors can be produced in the silicon wafer from a wafer surface on the front side or on the light incidence side, that is to say a wafer surface which faces the incident light in the later solar cell, or from a wafer surface facing away from the front wafer surface.
Bei der Wärmebehandlung, auch als Tempern bezeichnet, wird der Halbleiterwafer auf eine geeignete Temperatur aufgeheizt, beispielsweise in einem Temperaturbereich zwischen 300 und 900°C, besser zwischen 350°C und 500°C, bevorzugt zwischen 400°C und 450°C.In the heat treatment, also referred to as tempering, the semiconductor wafer is heated to a suitable temperature, for example in a temperature range between 300 and 900 ° C, better between 350 ° C and 500 ° C, preferably between 400 ° C and 450 ° C.
Bei den thermischen Donatoren handelt es sich um Strukturen im Halbleiterkristallgitter, welche sich aus dem intrinsisch vorhandenen Sauerstoff unter Einfluss von Wasserstoff bilden. Der Wasserstoff wirkt hierbei als Katalysator für die Erzeugung der thermischen Donatoren.The thermal donors are structures in the semiconductor crystal lattice, which are formed from the intrinsically present oxygen under the influence of hydrogen. The hydrogen acts as a catalyst for the generation of the thermal donors.
Es gibt eine Reihe von thermischen Donatoren in Silizium, die bei unterschiedlichen Temperaturen erzeugt werden und bei höheren wieder zerstört werden. Die für die praktische Anwendung relevantesten Formen der thermischen Donatoren entstehen bei einer Tempertemperatur von etwa 400°C und werden bei einer anschließenden Aufwärmung auf 550°C und mehr wieder inaktiv. Die letztgenannte Temperatur kann für diese Art thermischer Donatoren also als eine kritische Temperatur angesehen werden. Allerdings sind kurze Aufheizzeiten über diese Temperatur hinaus nicht unbedingt schädlich, da bei Überschreiten der Temperatur nicht automatisch alle thermischen Donatoren zerstört werden, sondern die Zerstörung sukzessive mit der Zeit erfolgt.There are a number of thermal donors in silicon that are produced at different temperatures and destroyed again at higher temperatures. The most relevant forms of thermal donors for practical use arise at an annealing temperature of around 400 ° C and become inactive again after subsequent heating to 550 ° C and more. The latter temperature can therefore be regarded as a critical temperature for this type of thermal donor. However, short heating-up times above this temperature are not necessarily harmful, since if the temperature is exceeded, all thermal donors are not automatically destroyed, but the destruction takes place successively over time.
Nachfolgend werden Verfahrensschritte, bei denen der Halbleiterwafer unterhalb dieser kritischen Temperatur verbleibt, als Niedertemperaturschritte bezeichnet. Demgegenüber werden Verfahrensschritte, bei denen der Halbleiterwafer die kritische Temperatur überschreitet, als Hochtemperaturschritte bezeichnet. Die kritische Temperatur zwischen Nieder- und Hochtemperatur ist somit ebenfalls von den obigen Parametern des Herstellungsverfahrens der thermischen Donatoren abhängig. Von hoher praktischer Relevanz für Wafersolarzellen sind insbesondere Gradienten aus thermischen Donatoren mit einer kritischen Temperatur von etwa 550°C oder 600°C. Bei den genannten Temperaturen handelt es sich um eine über den Siliziumwafer oder über der jeweiligen Waferoberfläche verteilten Temperaturmittelwert. Beispielsweise können bei der Herstellung von Durchbohrungen durch den Wafer, bei Ablations- oder bei Dotierprozessen mittels Laserbestrahlung bei der Herstellung von Emitter-Wrap-Through-Solarzellen (EWT-Solarzellen), beim Abtragen von Oberflächenbeschichtungen oder bei lokalen Dotierprozessen wie beispielsweise Laserdoping oder laserchemische Bearbeitung (Laser Chemical Processing, kurz LCP) lokal viel höhere Temperaturen entstehen. Trotzdem handelt es sich häufig auch hier um ein Niedertemperaturschritt, da der Wafer im Mittel kaum aufgewärmt wird.Process steps in which the semiconductor wafer remains below this critical temperature are referred to below as low-temperature steps. In contrast, process steps in which the semiconductor wafer exceeds the critical temperature are referred to as high-temperature steps. The critical temperature between low and high temperature is therefore also dependent on the above parameters of the manufacturing process of the thermal donors. Gradients from thermal donors with a critical temperature of approximately 550 ° C. or 600 ° C. are of particular practical relevance for wafer solar cells. The temperatures mentioned are a mean temperature value distributed over the silicon wafer or over the respective wafer surface. For example, in the production of through-holes through the wafer, in ablation or doping processes using laser radiation in the production of emitter wrap-through solar cells (EWT solar cells), in the removal of surface coatings or in local doping processes such as laser doping or laser chemical processing (Laser Chemical Processing, short LCP) locally much higher temperatures arise. Nevertheless, this is often also a low-temperature step, since on average the wafer is hardly warmed up.
Das gesamte Solarzellen-Herstellungsverfahren umfasst neben der Erzeugung eines photovoltaisch aktiven Überganges für die Solarzelle die Erzeugung des Dotiergradienten aus thermischen Donatoren in dem n-Typ Halbleiterwafer. Es ist hierbei zu beachten, dass der aktive Übergang in einem getrennten Verfahrensschritt oder örtlich separat von dem Gradienten thermischer Donatoren erzeugt werden kann, und nicht aufgrund oder mittels der Erzeugung des Gradienten der thermischen Donatoren. Mit anderen Worten, entweder wird der photovoltaisch aktive Übergang erzeugt, nachdem die thermischen Donatoren bereits gebildet wurden, oder der Dotiergradient aus thermischen Donatoren wird im Anschluss an die Erzeugung des aktiven Überganges im Halbleiter gebildet. In bestimmten Ausführungsformen können sich jedoch auch Teilschritte für die Erzeugung des thermischen Gradienten einerseits und für die Erzeugung des aktiven Überganges andererseits zumindest teilweise zeitlich Überlagern.The entire solar cell manufacturing process includes, in addition to the generation of a photovoltaically active transition for the solar cell, the generation of the doping gradient from thermal donors in the n-type semiconductor wafer. It should be noted here that the active transition can be generated in a separate process step or locally separately from the gradient of thermal donors and not because of or by means of the generation of the gradient of the thermal donors. In other words, either the photovoltaically active transition is generated after the thermal donors have already been formed, or the doping gradient from thermal donors is formed in the semiconductor following the generation of the active transition. In certain embodiments, however, partial steps for generating the thermal gradient on the one hand and for generating the active transition on the other hand can at least partially overlap in time.
Die Erzeugung des Gradienten thermischer Donatoren ist jedoch in jedem Fall nicht notwendig dafür, dass der aktive Übergang entsteht, wie dies bei der einleitend beschriebenen Publikation „Increased Efficiencies...“ des Erfinders der Fall ist. Die umgekehrte Abhängigkeit (während der Erzeugung des pn-Übergangs entsteht der Gradient thermischer Donatoren, bzw. ein Teil davon) ist jedoch denkbar, wenn während der Bildung des pn-Übergangs oder allgemein eines photovoltaisch aktiven Übergangs, welcher beispielsweise auch ein Metall-Isolator-Halbleiter-Kontakt (MIS-Kontakt) sein kann, bei einem Erwärmungsschritt, der in diesem Moment nur als Temperprozess für die Bildung des MIS-Kontakts dient, zuvor eingebrachter Wasserstoff aktiviert wird.However, the generation of the gradient of thermal donors is in any case not necessary for the active transition to occur, as is the case with the inventor's publication “Increased Efficiencies ...” described in the introduction. The reverse dependency (during the generation of the pn junction, the gradient of thermal donors, or a part thereof) is conceivable if, during the formation of the pn junction or generally a photovoltaically active transition, which, for example, also a metal insulator Semiconductor contact (MIS contact) can be activated during a heating step, which at this moment only serves as an annealing process for the formation of the MIS contact, previously introduced hydrogen.
Schließlich muss die so erzeugte Solarzelle an Emitter und Basis kontaktiert werden. Hierbei sind sowohl ausschließlich rückseitenkontaktierte Solarzellen sinnvoll, bei denen sowohl der Emitterkontakt als auch der Basiskontakt auf der Solarzellenrückseite gebildet sind, wie auch beidseitig kontaktierte Solarzellen, bei denen der Emitterkontakt vorderseitig, also lichteinfallseitig, gebildet ist, und der Basiskontakt rückseitig, oder anders herum. Bei bifacialen Solarzellen, also bei Solarzellen, welche auch rückseitig einfallendes Licht in elektrische Energie umwandeln können, spricht man anstelle von einer lichtabgewandten Rückseite auch von einer von der Sonne abgewandten Rückseite. Weitere Verfahrensschritte können in diesem Herstellungsprozess integriert sein, beispielsweise Ätzprozesse, Texturierung oder die Abscheidung von Passivierungsschichten, von Antireflexionsschichten und dergleichen.Finally, the solar cell produced in this way must be contacted at the emitter and base. Here, only rear-contacted solar cells are sensible, in which both the emitter contact and the base contact are formed on the back of the solar cell, as well as solar cells contacted on both sides, in which the emitter contact is formed on the front side, i.e. on the light incidence side, and the base contact on the back, or vice versa. In the case of bifacial solar cells, that is to say solar cells which can also convert light incident on the rear side into electrical energy, one speaks instead of a rear side facing away from the light from a rear side facing away from the sun. Further process steps can be integrated in this manufacturing process, for example etching processes, texturing or the deposition of passivation layers, of anti-reflection layers and the like.
Da thermische Donatoren, wie vorangehend erläutert, zerstört beziehungsweise inaktiv werden können, wenn der Wafer einem Hochtemperaturschritt ausgesetzt wird, sollte in Ausführungsformen, bei denen solche Hochtemperaturschritte vorgesehen sind, der Gradient thermischer Donatoren nach dem Durchführen sämtlicher Hochtemperaturschritte erzeugt werden, so dass keine weiteren Hochtemperaturschritte folgen. In diesem Fall werden nach dem Herstellen des Gradienten thermischer Donatoren also nur noch Niedertemperaturschritte durchgeführt, beispielsweise Sputtern, Plasmaabscheidungen, galvanische Abscheidungsverfahren und dergleichen. Das bedeutet, dass nach dem Erzeugen des Dotiergradienten aus thermischen Donatoren die Temperatur in dem Bereich des Halbleiterwafers in dem sich die thermischen Donatoren befinden in Wesentlichen an jedem Punkt unterhalb der oben erläuterten kritischen Temperatur bleibt. Ausnahmen können hierbei wie vorangehend angesprochen Laserprozesse und kurze Temperprozesse darstellen. Laserprozesse erhitzen den Wafer nur sehr kurzzeitig und lokal weit über die kritische Temperatur. Insbesondere Prozesse wie das Laser Chemical Prozessing, bei dem der Laserstrahl in einem Flüssigkeitsstrahl geleitet wird, sind aufgrund der lokalen Kühlung durch die Flüssigkeit dafür besonders geeignet. Ein weiteres Beispiel für das Tempern über die kritische Temperatur stellt das Feuern der Metallkontakte von Standardsolarzellen dar, bei dem die Zelle nur für etwa eine Minute die kritische Temperatur übersteigt und nur einige Sekunden wärmer als 600°C wird.Since thermal donors, as explained above, can be destroyed or become inactive when the wafer is subjected to a high-temperature step, in embodiments in which such high-temperature steps are provided, the gradient of thermal donors should be generated after all high-temperature steps have been carried out, so that no further high-temperature steps consequences. In this case, after the gradient of thermal donors has been established, only low-temperature steps are carried out, for example sputtering, plasma deposition, galvanic deposition processes and the like. This means that after the doping gradient has been generated from thermal donors, the temperature in the region of the semiconductor wafer in which the thermal donors are located essentially remains below the critical temperature explained above at every point. Exceptions can be laser processes and short tempering processes, as mentioned above. Laser processes only heat the wafer for a very short time and locally well above the critical temperature. Processes such as laser chemical processing, in which the laser beam is guided in a liquid jet, are particularly suitable for this due to the local cooling by the liquid. Another example of tempering above the critical temperature is the firing of the metal contacts of standard solar cells, in which the cell only exceeds the critical temperature for about a minute and only warms up to 600 ° C for a few seconds.
Bei der Anwendung einer Plasmaabscheidung nach dem Herstellen des Gradienten thermischer Donatoren handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform, beispielsweise bei der Herstellung von Solarzellen umfassend einen Heteroübergang mit intrinsischer Dünnschicht (sogenannte HIT-Solarzellen, HIT - Heterojunction with Intrinsic Thin layer).The use of plasma deposition after establishing the gradient of thermal donors is a preferred embodiment, for example in the manufacture of solar cells comprising a heterojunction with an intrinsic thin layer (so-called HIT solar cells, HIT - heterojunction with intrinsic thin layer).
Wie vorangehend erläutert, können sich in bestimmten Ausführungsformen Verfahrensschritte, welche für die Bildung des Gradienten thermischer Donatoren notwendig sind, mit Verfahrensschritten zumindest überlagern, welche für die Bildung des photovoltaisch aktiven Überganges bestimmt sind. Dies gilt jedoch allgemein auch für Verfahrensschritte anderer Prozesse bei der Herstellung der Solarzelle. Beispielsweise kann die Erhöhung der Temperatur des Wafers während der Aufbringung eines Nitrids für als Antireflexionsschicht gleichzeitig für den Temperschritt zur Erzeugung der thermischen Donatoren eingesetzt werden. Ferner kann eine funktionelle Schicht wie eben eine derartige Antireflexionsschicht als Quelle oder anteilige Quelle für den in den Wafer einzubringenden Wasserstoff dienen.As explained above, in certain embodiments, process steps which are necessary for the formation of the gradient of thermal donors can at least overlap with process steps which are intended for the formation of the photovoltaically active transition. However, this generally also applies to process steps of other processes in the manufacture of the solar cell. For example, the increase in the temperature of the wafer during the application of a nitride can also be used as an antireflection layer for the tempering step to produce the thermal donors. Furthermore, a functional layer such as such an anti-reflection layer can serve as a source or a partial source for the hydrogen to be introduced into the wafer.
Die mittels des hier beschriebenen Verfahrens hergestellte Wafersolarzelle weist einen n-Typ Basisbereich mit einem Basiskontakt zum Sammeln von Strom aus dem Basisbereich auf, sowie einen photovoltaisch aktiven Übergang. The wafer solar cell produced using the method described here has an n-type base region with a base contact for collecting current from the base region, and a photovoltaically active transition.
Bei dem aktiven Übergang kann es sich insbesondere um einen der folgenden Strukturen handeln: Ein pn-Übergang, bei dem ein Emitter mittels Diffusion von Dotanden im Wafer gebildet ist; ein Hyperabrupt-Übergang, bei dem ein mittels Abscheidung, beispielsweise mittels Epitaxie erzeugter Emitter vorliegt, welcher den gleichen Bandabstand aufweist, wie die Basis (epi-Kontakt); ein Heteroübergang, beispielsweise in Form einer amorphen Siliziumschicht mit Wasserstoffdotierung in Kontakt mit einer kristallinen Siliziumschicht (abgekürzt als a-Si:H/c-Si Heteroübergang beschreibbar) oder in Form eines Heteroüberganges mit intrinsischer amorpher Zwischenschicht (auch als HIT-Übergang bezeichnet); oder ein Metall-Isolator-Halbleiter-Übergang, auch als MIS-Struktur bezeichnet, was für „metal insulator semiconductor“ steht.The active transition can in particular be one of the following structures: a pn transition, in which an emitter is formed in the wafer by means of diffusion of dopants; a hyperabrupt transition in which there is an emitter produced by means of deposition, for example by means of epitaxy, which has the same band gap as the base (epi contact); a heterojunction, for example in the form of an amorphous silicon layer with hydrogen doping in contact with a crystalline silicon layer (abbreviated as a-Si: H / c-Si heterojunction) or in the form of a heterojunction with an intrinsic amorphous intermediate layer (also referred to as a HIT transition); or a metal-insulator-semiconductor junction, also referred to as an MIS structure, which stands for “metal insulator semiconductor”.
Der pn-Übergang erstreckt sich hierbei nicht zwangsläufig über die gesamte Fläche einer Waferoberfläche und kann auch lokal unterschiedlich ausgestaltet sein. Dies bezieht sich nicht nur auf rückseitenkontaktierte Solarzellen mit rückseitigem Emitter bei denen Emitter und Basis rückseitig kontaktiert sind, sondern auch beidseitig kontaktierte Solarzellen mit lokalen Emitternbereichen und/oder lokaler Kontaktierung, die dann beispielsweise durch eine dielektrische Beschichtung erfolgt. Auch die Kontaktieung der Basis kann lokal ausgeführt sein und/oder Basisbereiche aufweisen, die von einer dielektrischen Schicht bedeckt sind.The pn junction does not necessarily extend over the entire surface of a wafer surface and can also be configured locally differently. This not only relates to solar cells with rear emitter on the rear side in which the emitter and base are contacted on the rear side, but also solar cells contacted on both sides with local emitter regions and / or local contacting, which is then carried out, for example, by a dielectric coating. The contacting of the base can also be carried out locally and / or have base regions which are covered by a dielectric layer.
Die Wafersolarzelle weist zudem einen Emitterkontakt auf, der beispielsweise bei dem MIS-Übergang durch das Metall des Überganges selbst gebildet ist. Außerdem weist der Basisbereich zumindest bereichsweise einen Dotiergradienten beziehungsweise Konzentrations- oder Dichtegradienten aus thermischen Donatoren auf. Dieser Gradient erzeugt in den jeweiligen Bereichen ein Driftfeld, welches die Ladungsträger in dem Halbleitervolumen in Richtung des Gradienten beschleunigt und dadurch die Arbeitsweise der Solarzelle positiv beeinflusst. Weitere Schichten können zusätzlich vorgesehen sein, um die Funktion der Solarzelle zu verbessern beziehungsweise zu optimieren. Beispiele hierfür sind eine Antireflexionsschicht, eine Passivierungsschicht und dergleichen.The wafer solar cell also has an emitter contact, which is formed for example in the MIS transition by the metal of the transition itself. In addition, the base region has, at least in regions, a doping gradient or concentration or density gradient made of thermal donors. This gradient generates a drift field in the respective areas, which accelerates the charge carriers in the semiconductor volume in the direction of the gradient and thereby has a positive influence on the functioning of the solar cell. Additional layers can also be provided in order to improve or optimize the function of the solar cell. Examples include an anti-reflection layer, a passivation layer and the like.
Der Gradient thermischer Donatoren sollte sich zumindest über einen Teil der Waferdicke erstrecken. Er übernimmt dadurch, abhängig davon ob sich der Emitter vorder- oder rückseitig befindet, die Funktionen eines BSF bzw. eines FSF und/oder die Funktion eines Driftfeldes zur Verlängerung der Ladungsträgerdiffusionslänge in Richtung des Gradienten. Mit anderen Worten sollte sich der Gradient zumindest bis zu einer bestimmten Eindringtiefe, beispielsweise von 5µm, in den Wafer erstrecken. Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist jedoch vorgesehen, dass die thermischen Donatoren im Wesentlichen bis in Tiefen von 10µm bis 100µm, maximal jedoch bis zur halben Dicke des Halbleiterwafers, erzeugt werden und dadurch vornehmlich die Funktion eines FSF oder BSF übernehmen. Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist jedoch vorgesehen, dass die thermischen Donatoren im Wesentlichen über eine gesamte Waferdicke des Halbleiterwafers erzeugt werden. Das bedeutet, dass der Gradient aus thermischen Donatoren mehr als die halbe Waferdicke durchdringt, dass also eine signifikante Donatorkonzentration der thermischen Donatoren nicht nur an der Wafervorderseite, sondern auch tief im Volumen des n-Typ Halbleiterwafers, jenseits der Wafermitte, vorliegt. Nach Fertigstellung der Solarzelle bedeutet dieses Merkmal, dass der Abstand einer signifikanten Konzentration von thermischen Donatoren kleiner als die halbe Waferdicke ist, idealerweise gleich Null.The gradient of thermal donors should extend over at least part of the wafer thickness. Depending on whether the emitter is located on the front or rear, it thereby takes over the functions of a BSF or an FSF and / or the function of a drift field for extending the charge carrier diffusion length in the direction of the gradient. In other words, the gradient should extend at least to a certain depth of penetration, for example of 5 μm, into the wafer. According to an expedient embodiment, however, it is provided that the thermal donors are produced essentially to depths of 10 μm to 100 μm, but at most up to half the thickness of the semiconductor wafer, and thereby primarily assume the function of an FSF or BSF. According to a further expedient embodiment, however, it is provided that the thermal donors are produced essentially over an entire wafer thickness of the semiconductor wafer. This means that the gradient of thermal donors penetrates more than half the wafer thickness, meaning that there is a significant donor concentration of the thermal donors not only on the front side of the wafer, but also deep in the volume of the n-type semiconductor wafer, beyond the center of the wafer. After completion of the solar cell, this feature means that the distance between a significant concentration of thermal donors is less than half the wafer thickness, ideally zero.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die thermischen Donatoren im Wesentlichen entlang der gesamten Waferoberfläche des Halbleiterwafers erzeugt werden. Im Wesentlichen bedeutet in diesem Fall, dass möglicherweise Randbereiche oder Übergangsbereiche zu bestimmten Strukturen auf dem Halbleiterwafer über die gesamte Waferdicke keine thermischen Donatoren aufweisen. Hierbei kann es durchaus vorkommen, dass die Eindringtiefe des Gradienten thermischer Donatoren in den Wafer entlang der Waferoberfläche variiert.It is preferably provided that the thermal donors are produced essentially along the entire wafer surface of the semiconductor wafer. In this case, essentially means that edge regions or transition regions to certain structures on the semiconductor wafer may have no thermal donors over the entire wafer thickness. It may well happen that the depth of penetration of the gradient of thermal donors into the wafer varies along the wafer surface.
Bei einer hierzu alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die thermischen Donatoren entlang der Waferoberfläche des Halbleiterwafers bereichsweise erzeugt werden. Bereiche entlang der Waferoberfläche, welche keine thermischen Donatoren aufweisen, können mittels Abdeckung der Waferoberfläche geschützt werden, beispielsweise mittels einer Maske oder mittels aufgebrachter Schutzschichten. In anderen Fällen kann auch ein lokal erzeugtes Plasma oder ein lokales Tempern, beispielsweise mittels Laserstrahlung, dafür sorgen, dass die thermischen Donatoren nur an diesen Bereichen entstehen.In an alternative embodiment to this, it is provided that the thermal donors are generated in regions along the wafer surface of the semiconductor wafer. Areas along the wafer surface which have no thermal donors can be protected by covering the wafer surface, for example by means of a mask or by means of protective layers applied. In other cases, a locally generated plasma or local annealing, for example by means of laser radiation, can also ensure that the thermal donors only occur in these areas.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Erzeugen des Dotiergradienten aus thermischen Donatoren vor dem Erzeugen des photovoltaisch aktiven Überganges erfolgt. Es ist jedoch auch möglich und zum Teil vorteilhaft, die umgekehrte Reihenfolge zu wählen und zuerst den photovoltaisch aktiven Übergang und erst anschließend den Dotiergradienten aus thermischen Donatoren im Halbleiterwafer zu erzeugen. Wenn die Erzeugung des aktiven Überganges die Aufbringung einer zusätzlichen Schicht umfasst, beispielsweise bei der Bildung eines Heteroüberganges, kann sich bei einer nachträglichen Gradientenbildung der Gradient thermischer Donatoren bis an diese zusätzliche Schicht erstrecken, wenn dies vorgesehen ist.In an advantageous embodiment, it is provided that the doping gradient is generated from thermal donors before the photovoltaically active transition is generated. However, it is also possible and partly advantageous to choose the reverse order and first the photovoltaically active transition and only then the doping gradient from thermal donors in the To produce semiconductor wafers. If the generation of the active transition comprises the application of an additional layer, for example in the formation of a heterojunction, the gradient of thermal donors can extend to this additional layer if a subsequent gradient is formed, if this is provided.
Vorteilhafterweise umfasst der Schritt des Erzeugens des Dotiergradienten aus thermischen Donatoren einen Wasserstoffeinbringenden Prozess. Hierbei kann der Wasserstoff mittels Implantation und / oder aus einer Diffusionsquelle in den Wafer eingebracht werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es jedoch vorgesehen, dass der Schritt des Erzeugens des Dotiergradienten aus thermischen Donatoren eine Wasserstoffplasmabehandlung einer Vorder- und / oder einer Rückseite des Halbleiterwafers und eine Wärmebehandlung des Halbleiterwafers gleichzeitig oder im Anschluss an die Wasserstoffplasmabehandlung umfasst. Die Wärmebehandlung kann auch zumindest zum Teil die Prozesstemperatur für einen weiteren Prozess sein, beispielsweise für einen Abscheidungs- oder Dotierprozess. Es kann sich auch um eine Aufwärm- oder Abkühlphase eines derartigen weiteren Prozesses handeln.The step of generating the doping gradient from thermal donors advantageously comprises a hydrogen-introducing process. Here, the hydrogen can be introduced into the wafer by means of implantation and / or from a diffusion source. According to a preferred development, however, it is provided that the step of generating the doping gradient from thermal donors comprises a hydrogen plasma treatment of a front and / or a rear side of the semiconductor wafer and a heat treatment of the semiconductor wafer at the same time or after the hydrogen plasma treatment. The heat treatment can also be at least in part the process temperature for a further process, for example for a deposition or doping process. It can also be a warm-up or cool-down phase of such a further process.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Wasserstoffplasma behandelte Vorderseite des Halbleiterwafers anschließend von Plasmaschäden befreit wird und / oder texturiert wird. Dies kann beispielsweise mittels eines nasschemischen Verfahrens oder mittels einer weiteren Plasmabehandlung erfolgen. Es kann aber auch sein, dass keine zusätzliche Oberflächenbehandlung erforderlich ist.It is advantageously provided that the hydrogen plasma treated front side of the semiconductor wafer is subsequently freed from plasma damage and / or textured. This can be done for example by means of a wet chemical process or by means of a further plasma treatment. However, it may also be the case that no additional surface treatment is required.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der photovoltaisch aktive Übergang erzeugt wird, indem mittels Eindiffusion von Dotierstoff in den Halbleiterwafer eine Emitterschicht in dem Halbleiterwafer erzeugt wird, indem eine Emitterschicht auf dem Halbleiterwafer abgeschieden wird und / oder indem mittels eines Dielektrikums und einer Metallschicht ein Metall-Isolator-Halbleiter-Übergang auf dem Halbleiterwafer erzeugt wird. In einer Ausführungsform kann der aktive Übergang einen Homoübergang mit gleichem Bandabstand auf beiden Seiten des Überganges aufweisen, welcher beispielsweise mittels Epitaxie erzeugt wird. In alternativen Ausführungsformen handelt es sich bei dem aktiven Übergang um einen Heteroübergang mit unterschiedlichen Bandabständen, der beispielsweise mittels Plasmaprozessen hergestellt werden kann.According to a preferred embodiment, it is provided that the photovoltaically active transition is generated by creating an emitter layer in the semiconductor wafer by means of diffusion of dopant into the semiconductor wafer, by depositing an emitter layer on the semiconductor wafer and / or by using a dielectric and a metal layer Metal-insulator-semiconductor transition is generated on the semiconductor wafer. In one embodiment, the active transition can have a homojunction with the same bandgap on both sides of the transition, which is generated for example by means of epitaxy. In alternative embodiments, the active transition is a heterojunction with different band gaps, which can be produced, for example, by means of plasma processes.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der Emitterkontakt rückseitig auf dem Halbleiterwafer erzeugt wird. Hierbei kann es sich um eine sogenannte Back-Junktion-Solarzelle handeln, also um eine Solarzelle, bei welcher der Emitter und dessen Kontakte auf der Waferrückseite angeordnet sind. In diesem Fall sind die Basiskontakte vorderseitig gebildet, vorzugsweise als Elektrodenfinger. Rückseitige Emitterkontakte liegen jedoch insbesondere bei Rückkontakt-Solarzellen vor, also bei solchen Solarzellen, bei denen Emitter- und Basiskontakte auf der Solarzellenrückseite angeordnet sind. Weisen solche Solarzellen keine Dotiergradienten auf, können nachteilige „Verschattungseffekte“ auftreten. In diesen Fällen handelt es sich um eine sogenannte elektrische Verschattung („electrical shading“), bei der die Einsammelwahrscheinlichkeit der Minoritäten aufgrund verlängerter Ladungsträgerpfade oberhalb von Basiskontakten abnimmt bzw. der Serienwiderstandsanteil der Majoritäten oberhalb von Emitterkontakten ansteigt. Beide Verlustmechanismen können durch thermische Donatoren und deren Gradienten reduziert werden.It is preferably provided that the emitter contact is produced on the back of the semiconductor wafer. This can be a so-called back-junction solar cell, that is to say a solar cell in which the emitter and its contacts are arranged on the back of the wafer. In this case, the base contacts are formed on the front, preferably as an electrode finger. However, rear-side emitter contacts are present in particular in the case of rear-contact solar cells, that is to say in those solar cells in which emitter and base contacts are arranged on the rear of the solar cell. If such solar cells have no doping gradients, disadvantageous “shading effects” can occur. In these cases there is a so-called electrical shading, in which the probability of collection of the minorities decreases due to extended charge carrier paths above base contacts or the series resistance share of the majority above emitter contacts increases. Both loss mechanisms can be reduced by thermal donors and their gradients.
Der Gradient aus thermischen Donatoren kann jedoch alternativ auch auf Solarzellen mit einem vorderseitigen Emitter- und einem rückseitigen Basiskontakt vorteilhaft eingesetzt werden.However, the gradient of thermal donors can alternatively also be used advantageously on solar cells with a front-side emitter and a rear-side base contact.
Der Siliziumwafer kann aus einem mittels eines Czochralski-Verfahrens hergestellten Silizium-Ingot (sogenanntes Cz-Silizium) geschnitten sein. Derartige Siliziumwafer sind monokristalline. Das bedeutet, sie haben eine Kristallstruktur, welche zu 99% oder mehr eine einzige Kristallorientierung aufweist, mit entsprechend wenigen Korngrenzen. Alternativ können sich für das hier beschriebene Verfahren auch sogenannte quasimonokristalline Wafer eignen. Hierbei handelt es sich um Siliziumwafer, welche zwar weniger Korngrenzen aufweisen, als polykristalline Wafer, aber auch nicht als Monokristalle oder Einkristalle angesehen werden. Quasimonokristalline Wafer im vorliegenden Sinne haben eine Struktur, bei der etwa 90% bis 95% oder 90% bis 99% des Wafers eine bestimmte Kristallorientierung aufweist. Anders als beim Cz-Silizium, bei dem ein Einkristall an einem kleinen Saatkristall von etwa 1 Kubikzentimeter Größe aus der Schmelze gezogen wird, werden quasimonokristalline Ingots derzeit hauptsächlich mit Verfahren hergestellt, bei denen Polysilizium in einem Schmelztiegel (ähnlich denen zur Herstellung von Multisilizium) zum Großteil so aufgeschmolzen wird, dass die auch in dem Tiegel befindlichen monokristallinen Silizium-Saatstücke nicht schmelzen und dann die Schmelze beginnend an diesen Saatstücken gerichtet erstarrt. Hierbei wird darauf geachtet, dass die polykristallinen Halbleiterstücke gänzlich schmelzen, während das monokristalline Halbleiterstück nur an seiner Oberfläche schmilzt oder dass die Kristallisation derart gezielt erfolgt, dass größtenteils Kristalle mit einer einzelnen Orientierung wachsen. Anschließend wird ausgehend von diesem monokristallinen Halbleiterstück (Ingot) wie bei Ingots aus Multisilizium verfahren und daraus quasimonokristalline Wafer gebildet.The silicon wafer can be cut from a silicon ingot (so-called Cz silicon) produced by means of a Czochralski process. Such silicon wafers are monocrystalline. This means that they have a crystal structure which is 99% or more of a single crystal orientation with correspondingly few grain boundaries. Alternatively, so-called quasi-monocrystalline wafers can also be suitable for the method described here. These are silicon wafers, which have fewer grain boundaries than polycrystalline wafers, but are also not considered to be monocrystals or single crystals. Quasi-monocrystalline wafers in the present sense have a structure in which about 90% to 95% or 90% to 99% of the wafer has a certain crystal orientation. Unlike Cz silicon, in which a single crystal is pulled out of the melt on a small seed crystal of about 1 cubic centimeter in size, quasi-monocrystalline ingots are currently mainly produced using processes in which polysilicon is used in a crucible (similar to that used to produce multisilicon) Most of it is melted in such a way that the monocrystalline silicon seed pieces also in the crucible do not melt and then the melt solidifies in a directed manner, starting with these seed pieces. Care is taken to ensure that the polycrystalline semiconductor pieces melt completely, while the monocrystalline semiconductor piece melts only on its surface, or that the crystallization takes place in such a way that mostly crystals with a single orientation grow. Then, starting from this monocrystalline semiconductor piece (ingot), the process is the same as for ingots made of multisilicon and quasi-monocrystalline wafers are formed therefrom.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 eine Solarzelle mit Rückseitenübergang und Vorderseitenfeld; -
2 eine Solarzelle mit Rückseitenübergang und Dotierprofil aus thermischen Donatoren; -
3 eine rückseitenkontaktierte Solarzelle mit Vorderseitenfeld; -
4 eine rückseitenkontaktierte Solarzelle mit Dotierprofil aus thermischen Donatoren im gesamten Basisbereich; -
5 eine rückseitenkontaktierte Solarzelle mit Basisbereich, welcher bereichsweise Dotierprofil aus thermischen Donatoren aufweist; -
6 eine doppelseitig kontaktierte Solarzelle mit Vorderseitenübergang und Dotierprofil aus thermischen Donatoren; und -
7 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Herstellungsverfahrens für die Solarzelle aus der6 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
-
1 a solar cell with rear transition and front panel; -
2nd a solar cell with rear transition and doping profile made of thermal donors; -
3rd a rear-contacted solar cell with a front panel; -
4th a rear-contacted solar cell with doping profile made of thermal donors in the entire base area; -
5 a rear-side-contacted solar cell with a base region, which in some areas has a doping profile made of thermal donors; -
6 a double-sided contacted solar cell with front transition and doping profile made of thermal donors; and -
7 a flowchart to illustrate a manufacturing method for the solar cell from the6 according to a preferred embodiment.
In der
Während der Basisbereich
Bei dem mit dem Bezugszeichen
Eine Solarzelle mit einem Gradienten aus thermischen Donatoren ist hingegen in der
Eine rückseitenkontaktierte Solarzelle, bei welcher also sowohl der Basiskontakt
Auch in der in
Demgegenüber wird in der
Ähnlich wie bei der Ausführungsform aus der
In der
Hierbei sei angemerkt, dass die Darstellung nur schematisch zu verstehen ist und die Ausgestaltung der Grenzen zwischen 12f und 12td fließend erfolgt.It should be noted here that the representation is only to be understood schematically and the design of the boundaries between 12f and 12td is fluid.
Schließlich ist in der
Anders als in den
Eine Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens
Auf dem bereitgestellten Siliziumwafer
Anschließend wird vorderseitig Wasserstoff in den Wafer eingebracht, beispielsweise mittels eines Wasserstoffplasmas
Werden die Schritte
Werden die Schritte
Werden die Schritte
Anschließend wird auf der lichtabgewandten Waferrückseite
Abschließend erfolgt die Kontaktierung des Emitters und der Basis.Finally, the emitter and the base are contacted.
Im Folgenden werden grundlegenden Mechanismen einer Niedertemperatur-Dotierung von mittels eines Czochralski-Verfahrens hergestellten Siliziums (sogenanntes Cz-Silizium) durch eine Wasserstoff-unterstützte Bildung thermischer Donatoren (TD) beschrieben.The basic mechanisms of low-temperature doping of silicon (known as Cz silicon) produced by means of a Czochralski process by means of hydrogen-assisted formation of thermal donors (TD) are described below.
Mittels Kombination einer einseitigen Wasserstoffplasmabehandlung mit einem Temperprozess können sehr tiefe n-Typ Dotierprofile erzeugt werden. Es ist bekannt, dass Dotiergradienten im Basismaterial die Ladungsträgerdiffusionslänge in Richtung des Gradienten verlängern. Tiefe Dotiergradienten sind in der Vergangenheit mittels Verwendung schnell diffundierenden Lithiums oder mittels Abscheidung mittels Flüssigphasen-Epitaxie unter Variation einer Dotiergaskonzentration erzeugt worden. Solch tiefe Dotiergradienten, die sich durch die gesamte Waferdicke erstrecken, können mit Hilfe von TD mittels einer Wasserstoffplasmabehandlung und einem Temperprozess erzeugt werden. Die Prozesszeiträume zur Erzeugung dieser Profile liegen im Bereich von nur wenigen Minuten bis zu einer Stunde (Diffusionsprozesse erreichen in vergleichbaren Zeiten bei Temperaturen um 900 °C Tiefen von etwa 1µm.By combining a one-sided hydrogen plasma treatment with an annealing process, very deep n-type doping profiles can be generated. It is known that doping gradients in the base material extend the charge carrier diffusion length in the direction of the gradient. In the past, deep doping gradients were generated by using rapidly diffusing lithium or by means of deposition by means of liquid phase epitaxy with variation of a doping gas concentration. Such deep doping gradients, which extend through the entire wafer thickness, can be generated with the aid of TD using a hydrogen plasma treatment and an annealing process. The process periods for generating these profiles are in the range of just a few minutes to an hour (diffusion processes reach depths of around 1 µm in comparable times at temperatures around 900 ° C.
Cz-Silizium enthält als Verunreinigung hohe Sauerstoff-Konzentrationen, typischerweise im Konzentrationsbereich von 3 bis 12 × 1018 cm-3, die aus den Wandungen des zur Kristallherstellung benutzten Quarztiegels entstammen und während des Ziehvorganges vor allem im oberen Bereich (Top-Bereich) des Kristalls eingebaut werden. Dieser Sauerstoff liegt üblicherweise interstitiell im Silizium vor und ist dann elektrisch inaktiv. Durch Temperprozesse diffundiert der Sauerstoff im Silizium und es werden SiO4-Defektkomplexe gebildet, die elektrisch aktiv sind, (es gibt neun verschiedene stabile Defektspezies der TD-Familie). Abhängig von der Temperdauer entstehen Donatorniveaus mit lonisierungsenergien von 55-60 meV und 120-130 meV. Bei Temperaturen über 550°C lösen sich die TD wieder auf, da sich bei diesen Temperaturen weiterer Sauerstoff anlagert und dadurch die Komplexe elektrisch wieder inaktiv werden.Cz silicon contains high levels of oxygen as a contaminant, typically in the concentration range of 3 to 12 × 10 18 cm -3 , which originate from the walls of the quartz crucible used for crystal production and, especially during the pulling process, in the upper area (top area) of the Crystal can be installed. This oxygen is usually present interstitially in the silicon and is then electrically inactive. The oxygen diffuses in the silicon through tempering processes and SiO 4 defect complexes are formed which are electrically active (there are nine different stable defect species of the TD family). Depending on the annealing time, donor levels with ionization energies of 55-60 meV and 120-130 meV arise. At temperatures above 550 ° C, the TD dissolve again, because at these temperatures further oxygen accumulates and the complexes become electrically inactive again.
Die Bildung thermischer Donatoren wird von der Kohlenstoffkonzentration, der Ladungsträgerkonzentration und der Wasserstoffkonzentration im Halbleiter beeinflusst. Für eine Kohlenstoffkonzentration über 5 × 1016 cm-3 wird die Bildung der TD reduziert, da dann die Komplexbildung zwischen Kohlenstoff- und Sauerstoffatomen energetisch günstiger ist, als die Bildung von TD. Ab Ladungsträgerkonzentrationen über 1017 cm-3 wird die Bildung der TD für p-Typ Materialien verstärkt beziehungsweise für n-Typ Materialien reduziert. Außerdem beschleunigt atomarer Wasserstoff die Diffusion von Sauerstoff in Silizium und unterstützt dadurch die Bildung der TD.The formation of thermal donors is influenced by the carbon concentration, the charge carrier concentration and the hydrogen concentration in the semiconductor. For a carbon concentration above 5 × 10 16 cm -3 , the formation of the TD is reduced, since then the complex formation between carbon and oxygen atoms is energetically more favorable than the formation of TD. From charge carrier concentrations above 10 17 cm -3 , the formation of the TD is increased for p-type materials or reduced for n-type materials. In addition, atomic hydrogen accelerates the diffusion of oxygen in silicon and thereby supports the formation of the TD.
Gelangt ein Wasserstoffatom in die Nähe eines interstitiellen Sauerstoffatoms, führt dies zu einer Reduzierung der Aktivierungsenergie der Sauerstoffdiffusion, wodurch sich die Beweglichkeit des Sauerstoffs im Siliziumgitter erhöht. Mit Einbringung des Wasserstoffs steigt durch den Anstieg der Beweglichkeit des Sauerstoffs die Wahrscheinlichkeit, dass die Sauerstoffatome auf geeigneten lokalen Defektbereichen im Siliziumgitter treffen und dort mit schon vorhandenen Sauerstoffatomen TD bilden.If a hydrogen atom comes close to an interstitial oxygen atom, this leads to a reduction in the activation energy of the oxygen diffusion, which increases the mobility of the oxygen in the silicon lattice. When the hydrogen is introduced, the increase in the mobility of the oxygen increases the likelihood that the oxygen atoms will meet suitable local defect areas in the silicon lattice and form TD there with existing oxygen atoms.
Mittels einseitiger Wasserstoffbehandlung einer Siliziumoberfläche können in Siliziumwafern Wasserstoffgradienten erzeugt werden. Eine zeitgleiche oder im Anschluss hierauf folgende Temperung bei 300°C bis 550°C erzeugt dann einen Gradienten aus thermischen Donatoren entsprechend der Wasserstoffkonzentration im Silizium. Dieser TD-Gradient ändert das ursprünglich homogene Dotierniveau im Volumen des Substrates. Dies kann bis zum Umdotieren von p-dotiertem Cz-Silizium zu n-Typ führen, sodass innerhalb von Minuten tiefe pn-Übergänge erzeugt werden können, beispielsweise in 100µm Tiefe nach 20-minütiger Temperung. Bei dieser n-Dotierung werden wohlgemerkt Dotieratome (wie beispielsweise Phosphor) eindiffundiert, sondern es werden gezielt strukturelle Defekte in Form von TD im Silizium erzeugt, die sich wie eindiffundierte Donatoren verhalten. Der zugeführte Wasserstoff wirkt als Katalysator für die Bildung der TD. Seine inhomogene Verteilung im Silizium verursacht die TD-Dichteprofile. Die maximale TD-Konzentration ist von der Sauerstoffkonzentration, der Prozesstemperatur während und / oder nach der Plasmahydrogenisierung sowie der Plasmaart und der Plasmabehandlungsdauer abhängig. Die maximale TD-Konzentration kann bis zu 3 × 1016 cm-3 oder mehr betragen.Hydrogen gradients can be generated in silicon wafers by means of one-sided hydrogen treatment of a silicon surface. A simultaneous or subsequent tempering at 300 ° C to 550 ° C then creates a gradient of thermal donors corresponding to the hydrogen concentration in the silicon. This TD gradient changes the originally homogeneous doping level in the volume of the substrate. This can lead to the redoping of p-doped Cz silicon to the n-type, so that deep pn junctions can be generated within minutes, for example at a depth of 100 µm after 20 minutes of annealing. With this n-doping, doping atoms (such as phosphorus) are diffused in, of course, but rather structural defects in the form of TD are generated in the silicon, which behave like diffused donors. The hydrogen supplied acts as a catalyst for the formation of the TD. Its inhomogeneous distribution in silicon causes the TD density profiles. The maximum TD concentration depends on the oxygen concentration, the process temperature during and / or after the plasma hydrogenation as well as the type of plasma and the duration of the plasma treatment. The maximum TD concentration can be up to 3 × 10 16 cm -3 or more.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- SiliziumwaferSilicon wafer
- 1111
- Vorderseitendotierung (Phosphor)Front side doping (phosphorus)
- 1212
- BasisbereichBase area
- 12f12f
- ohne Gradienten von thermischen Donatorenwithout thermal donor gradients
- 12td12td
- Basisbereich mit Gradienten von thermischen DonatorenBase area with gradients from thermal donors
- 1313
- photovoltaisch aktiver Übergangphotovoltaically active transition
- 1414
- BasiskontaktdotierungBasic contact doping
- 1515
- Wafervorderseite (Lichteinfallseite)Wafer front (light incidence side)
- 1616
- Waferrückseite (lichtabgewandte Seite) Back of the wafer (side away from the light)
- 22nd
- Emitterbereich Emitter area
- 3131
- BasiskontaktBasic contact
- 3232
- Emitterkontakt Emitter contact
- 44th
- Dielektrikum (Isolator)Dielectric (insulator)
- 55
- transparentes leitfähiges Oxidtransparent conductive oxide
- 66
- Antireflexionsschicht Anti-reflective layer
- 100100
- Herstellungsverfahren (eine Ausführungsform)Manufacturing process (one embodiment)
- 101101
- Erzeugung eines VorderseitenfeldesGeneration of a front field
- 102102
- WasserstoffplasmabehandlungHydrogen plasma treatment
- 103103
- Abscheidung einer AntireflexschichtDeposition of an anti-reflective layer
- 104104
- Wärmebehandlung (Tempern)Heat treatment (tempering)
- 105105
- Erstellung eines photovoltaisch aktiven ÜbergangesCreation of a photovoltaically active transition
- 106106
- KontaktierungContacting
- 111111
- Wasserstoffplasmabehandlung bei Abscheidung einer AntireflexschichtHydrogen plasma treatment when an anti-reflective layer is deposited
- 112112
- Wärmebehandlung bei Abscheidung einer AntireflexschichtHeat treatment when an anti-reflective layer is deposited
- 113113
- Wasserstoffplasmabehandlung und gleichzeitige Wärmebehandlung bei Abscheidung einer AntireflexschichtHydrogen plasma treatment and simultaneous heat treatment when depositing an anti-reflective layer
Claims (11)
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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---|---|
DE102011052916A1 DE102011052916A1 (en) | 2013-02-28 |
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DE102011052916.0A Active DE102011052916B4 (en) | 2011-08-23 | 2011-08-23 | Solar cell manufacturing process and wafer solar cell |
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Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2011
- 2011-08-23 DE DE102011052916.0A patent/DE102011052916B4/en active Active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7943416B2 (en) | 2006-09-05 | 2011-05-17 | Q-Cells Se | Local heterostructure contacts |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: HANWHA Q.CELLS GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: Q-CELLS AG, 06766 BITTERFELD-WOLFEN, DE Effective date: 20130226 |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R020 | Patent grant now final |