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.

US 7 943 416 B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung lokaler Kontakte in Solarzellenstrukturen. Hierbei wird auf der Oberfläche der Solarzelle zunächst eine Oberflächenpassivierschicht erzeugt. Diese Passivierschicht wird in einem späteren Verfahrensschritt in einem Plasmaprozess lokal weggeätzt. Hierzu werden elastische Maskenfolien mit entsprechend angeordneten Öffnungen auf der Solarzellenoberfläche aufgespannt. Durch die so erzeugten Öffnungen in der Passivierschicht hindurch wird gemäß einer besonderen Ausgestaltung die Solarzellenoberfläche mit einem Wasserstoffplasma behandelt, um thermische Donatoren in Form von Dotiergradienten in dem Halbleitermaterial zu erzeugen. US 7 943 416 B1 discloses a method for making local contacts in solar cell structures. Here, a surface passivation layer is first created on the surface of the solar cell. This passivation layer is locally etched away in a later process step in a plasma process. For this purpose, elastic mask foils with correspondingly arranged openings are stretched on the solar cell surface. According to a particular embodiment, the solar cell surface is treated with a hydrogen plasma through the openings thus produced in the passivation layer in order to generate thermal donors in the form of doping gradients in the semiconductor material.

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 claim 1 and by a wafer solar cell having the features of claim 8. Advantageous developments of the invention are listed in the subclaims.

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 der 6 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
The invention is explained below using exemplary embodiments with reference to the figures. Here show:
  • 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 the 6 according to a preferred embodiment.

In der 1 ist eine Wafersolarzelle in einer schematischen Querschnittsansicht dargestellt. Sie ist aus einem Halbleiterwafer 1 gebildet, bei der eine Wafervorderseite 15 und eine Waferrückseite 16 als Lichteinfallseite beziehungsweise lichtabgewandte Seite einer aus dem Halbleiterwafer hervorgehenden Solarzelle definiert sind. Auf der Wafervorderseite 15 weist der Halbleiterwafer 1 eine Texturierung zur Erhöhung der Lichteinfangeffizienz auf. Der Halbleiterwafer 1 selbst ist zu einem n-Typ Halbleiter vordotiert und dient als Basisbereich 12 für die Solarzelle. Ein Emitterbereich 2 ist rückseitig derart gebildet, dass sich zwischen ihm und dem n-Typ leitenden Basisbereich 12 ein photovoltaisch aktiver Übergang 13 ausbildet.In the 1 a wafer solar cell is shown in a schematic cross-sectional view. It is made of a semiconductor wafer 1 formed at the front of a wafer 15 and a wafer back 16 are defined as the light incidence side or the light-facing side of a solar cell emerging from the semiconductor wafer. On the front of the wafer 15 points the semiconductor wafer 1 a texturing to increase the light trapping efficiency. The semiconductor wafer 1 itself is predoped to an n-type semiconductor and serves as the base region 12 for the solar cell. An emitter area 2nd is formed on the back in such a way that between it and the n-type conductive base region 12 a photovoltaically active transition 13 trains.

Während der Basisbereich 12 vorderseitig mit streifen- beziehungsweise fingerförmigen Basiskontakten 31 elektrisch verbunden ist, dient ein rückseitiger Emitterkontakt 32 zum Sammeln des Stromes aus dem Emitterbereich 2, wobei zwischen dem Emitterkontakt 32 und dem Emitterbereich 2 ein mit Öffnungen versehenes Dielektrikum 4 angeordnet ist und einen elektrischen Kontakt nur an den Öffnungen erlaubt. Vorderseitig ist eine Antireflexionsschicht 6 aufgebracht.During the base area 12 with stripe or finger-shaped base contacts on the front 31 is electrically connected, a rear emitter contact is used 32 to collect the current from the emitter area 2nd , being between the emitter contact 32 and the emitter area 2nd an apertured dielectric 4th is arranged and allows electrical contact only at the openings. On the front is an anti-reflection layer 6 upset.

Bei dem mit dem Bezugszeichen 11 versehenen und mittels einer gestrichelten Linie vom übrigen Teil des Basisbereiches 12 abgegrenzten Bereich handelt es sich um ein Vorderseitenfeld der eingangs beschriebenen Art, welches mittels Eindiffusion von Dotierstoffen gebildet ist. Es handelt sich bei der Darstellung in 1 also um eine bekannte beidseitig kontaktierte Solarzelle mit rückseitigem Emitter 2 und einer Vorderseitendotierung 11, dem FSF.The one with the reference symbol 11 provided and by means of a dashed line from the rest of the base area 12 delimited area is a front field of the type described in the introduction, which is formed by means of diffusion of dopants. It is represented in 1 in other words, a known solar cell contacted on both sides with an emitter on the rear 2nd and a front-end doping 11 , the FSF.

Eine Solarzelle mit einem Gradienten aus thermischen Donatoren ist hingegen in der 2 dargestellt. Auch hier sind der Emitterkontakt 32 rückseitig und der Basiskontakt 31 vorderseitig gebildet. Anders als bei der Solarzelle aus der 1 ist jedoch vorderseitig keine Vorderseitendotierung 11 zur Ausbildung eines Vorderseitenfeldes vorhanden. Stattdessen ist der Basisbereich 12 nun aufgeteilt in einen Bereich ohne Gradienten aus thermischen Donatoren 12f und einen sich von der Wafervorderseite 15 aus in den Halbleiterwafer 1 erstreckenden Basisbereich mit einem Gradienten aus thermischen Donatoren 12td. Diese beiden Basisbereiche 12td, 12f sind hier ebenfalls zur Veranschaulichung durch eine gestrichelte Linie getrennt dargestellt, wobei jedoch in der Realität nur schwer eine scharfe Trennlinie zu messen ist, und der Bereich bei Unterschreitung eines bestimmten Grenzwertes der Donatorendichte als frei von thermischen Donatoren definiert werden kann. Optional kann aber zusätzlich zu dem Bereich mit thermischen Donatoren 12td auch zusätzlich ein Bereich mit einer Vorderseitendotierung 11 vorhanden sein. A solar cell with a gradient consisting of thermal donors, however, is in the 2nd shown. Here too are the emitter contact 32 on the back and the base contact 31 formed on the front. Unlike the solar cell from the 1 is not, however, front-side doping 11 to form a front panel. Instead is the base area 12 now divided into an area without gradients from thermal donors 12f and one from the front of the wafer 15 out in the semiconductor wafer 1 extending base area with a gradient of thermal donors 12td . These two basic areas 12td , 12f are also shown here separated for illustration by a dashed line, but in reality it is difficult to measure a sharp dividing line, and the range can be defined as free of thermal donors if the donor density falls below a certain limit. Optionally, however, in addition to the area with thermal donors 12td also an area with a front-side doping 11 to be available.

Eine rückseitenkontaktierte Solarzelle, bei welcher also sowohl der Basiskontakt 31 als auch der Emitterkontakt 32 auf der Waferrückseite 16 gebildet sind, ist in der 3 dargestellt. Damit die Basiskontakte 32 rückseitig Platz finden, ist der Emitterbereich 2 strukturiert beziehungsweise nur bereichsweise auf der Waferrückseite 16 angeordnet. An den übrigen Bereichen der Waferrückseite 16 ist eine Basiskontaktdotierung 14 vorgesehen, um eine verbesserte elektrische Verbindung zwischen dem Basisbereich 12 und den Basiskontakten 31 zu bilden. Dieser Basiskontakt 31 kann optional auch entfallen, oder er kann alternativ als Hetero-, MIS-, oder epi-Kontakt ausgeführt sein.A rear-side contact solar cell, in which both the base contact 31 as well as the emitter contact 32 on the back of the wafer 16 are formed in the 3rd shown. So that the base contacts 32 Finding space on the back is the emitter area 2nd structured or only in some areas on the back of the wafer 16 arranged. On the other areas of the back of the wafer 16 is a basic contact doping 14 provided for an improved electrical connection between the base area 12 and the base contacts 31 to build. This basic contact 31 can optionally also be omitted, or it can alternatively be designed as a hetero, MIS or epi contact.

Auch in der in 3 dargestellten bekannten Solarzelle ist, ähnlich wie bei der bekannten Ausführungsform aus der 1, mittels einer Vorderseitendotierung 11, beispielsweise Phosphor enthaltend, ein Vorderseitenfeld gebildet, welche mittels einer gestrichelten Linie vom übrigen Basisbereich 12 abgetrennt ist.Also in the 3rd shown known solar cell is, similar to the known embodiment from the 1 , by means of a front-end doping 11 , for example containing phosphorus, a front panel formed by a dashed line from the rest of the base area 12 is separated.

Demgegenüber wird in der 4 eine ähnlich aufgebaute Solarzelle dargestellt, welche jedoch anstelle der Vorderseitendotierung 11 im gesamten Basisbereich 12 thermische Donatoren aufweist, so dass es sich hierbei um einen Basisbereich mit Gradienten von thermischen Donatoren 12td handelt. Hierbei ist zu beachten, dass die Orientierung der Gradienten so erfolgt, dass die Minoritäten in Richtung der kontaktierten Solarzellenseite beschleunigt werden. Wie auch bei 2 kann optional zusätzlich zu dem Bereich mit thermischen Donatoren 12td auch ein Bereich mit einer Vorderseitendotierung 11 vorhanden sein, und / oder der Basiskontakt 31 kann optional entfallen oder als Hetero-, MIS-, oder epi-Kontakt ausgeführt sein.In contrast, in the 4th a similarly constructed solar cell is shown, but instead of the front side doping 11 in the entire base area 12 has thermal donors, so that this is a base region with gradients of thermal donors 12td acts. It should be noted here that the gradients are oriented in such a way that the minorities are accelerated in the direction of the contacted solar cell side. As with 2nd can optionally in addition to the area with thermal donors 12td also an area with a frontal doping 11 be present, and / or the base contact 31 can optionally be omitted or designed as a hetero, MIS, or epi contact.

Ähnlich wie bei der Ausführungsform aus der 2 kann auch hier ein Grenzbereich vorgesehen seien, so dass sich der Basisbereich mit Gradienten von thermischen Donatoren 12td von der Wafervorderseite 15 aus lediglich bis zu einer bestimmten Waferdicke in den Halbleiterwafer 1 erstreckt und darunter ein Basisbereich ohne ein solcher Gradient 12f vorliegt. Vorzugsweise erstreckt sich der Basisbereich mit Gradienten von thermischen Donatoren 12td jedoch im Wesentlichen über die gesamte Waferdicke, beziehungsweise über die gesamte Dicke des Basisbereiches 12. Es ist bei allen vorangehenden und nachfolgenden Ausführungsformen zu beachten, dass sich das Fehlen des Gradienten von thermischen Donatoren sowohl dadurch einstellen lässt, dass die thermischen Donatoren gänzlich fehlen, als auch dadurch, dass die Verteilung der thermischen Gradienten homogen ist.Similar to the embodiment from FIG 2nd a boundary area can also be provided here, so that the base area is covered by gradients of thermal donors 12td from the front of the wafer 15 from only up to a certain wafer thickness in the semiconductor wafer 1 extends and below it a base area without such a gradient 12f is present. The base region preferably extends with gradients of thermal donors 12td however, essentially over the entire wafer thickness or over the entire thickness of the base region 12 . It should be noted in all the preceding and subsequent embodiments that the absence of the gradient of thermal donors can be adjusted both by the fact that the thermal donors are completely absent and by the fact that the distribution of the thermal gradients is homogeneous.

In der 5 ist eine weitere Ausführungsform einer rückseitenkontaktierten Solarzelle dargestellt, bei der der Basisbereich mit Gradienten von thermischen Donatoren 12td sich nicht im Wesentlichen entlang des gesamten Wafers erstreckt, oder in anderen Worten den gesamten Basisbereich 12 durchdringt und füllt, wie dies bei der Solarzelle aus der 4 der Fall ist. Stattdessen ist der Basisbereich mit tiefem Gradienten von thermischen Donatoren 12td auf einen Teilbereich des Basisbereiches 12 beschränkt, welcher sich von der Waferrückseite 16 aus betrachtet möglichst mit dem Emitterbereich 2 überlappt oder, wie in 5 dargestellt, flächig mit dem Emitterbereich 2 übereinstimmend überdeckt. Lediglich im übrigen Basisbereich 12f ist kein Gradient thermischer Donatoren vorgesehen. Oberhalb des Basisbereiches 12f kann auch ein Bereich mit thermischen Donatoren vorhanden sein, der sich aber nicht so tief in das Basismaterial erstreckt wie im Bereich oberhalb des Emitterbereiches 2. Der Basisbereich 12 des Siliziumwafers 1 setzt sich aus zwei Bereichen zusammen, einem Bereich 12td mit Gradienten mit einer großen Eindringtiefe oberhalb des Emitterbereiches 2 und einem Bereich 12f ohne Gradienten bzw. einem Gradienten geringer Eindringtiefe, der sich in der Darstellung in 5 unmittelbar oberhalb der Basiskontakte 31 erstreckt. Oberhalb der Basiskontakte 31 überlagern sich diese beiden Bereiche 12f, 12td.In the 5 Another embodiment of a rear-contacted solar cell is shown, in which the base region with gradients of thermal donors 12td does not extend substantially along the entire wafer, or in other words the entire base area 12 penetrates and fills, as is the case with the solar cell from the 4th the case is. Instead, the base area with deep gradient is thermal donors 12td to a sub-area of the base area 12 limited, which is from the back of the wafer 16 viewed from the emitter area if possible 2nd overlaps or, as in 5 shown, flat with the emitter area 2nd covered concurrently. Only in the rest of the base area 12f no gradient of thermal donors is provided. Above the base area 12f there may also be an area with thermal donors, but it does not extend as deep into the base material as in the area above the emitter area 2nd . The base area 12 of the silicon wafer 1 is composed of two areas, one area 12td with gradients with a large penetration depth above the emitter area 2nd and an area 12f without gradients or a gradient of low penetration depth, which is shown in the representation in 5 immediately above the base contacts 31 extends. Above the base contacts 31 these two areas overlap 12f , 12td .

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 6 eine Ausführungsform einer Solarzelle dargestellt, welche vorderseitig einen Emitterbereich 2 aufweist und bei der die Emitterkontakte 32 somit ebenfalls vorderseitig gebildet sind. Wenngleich vorliegend auf der Wafervorderseite 15 keine Texturierung dargestellt ist, kann sie auch in dieser Ausführungsform von Vorteil sein. Wie bei der Solarzelle aus der 4 ist jedoch auch hier in dem Basisbereich 12td ein Gradient aus thermischen Donatoren gebildet, welcher den n-leitenden Basisbereich vollständig füllt, sich also vom rückseitigen Dielektrikum 4 bis vor den Emitterbereich 2 erstreckt. In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform kann der Gradient aber auch vor dem Emitter 2 enden. In diesem Falle würde ein Bereich 12f unterhalb des Emitters entstehen.Finally, in the 6 an embodiment of a solar cell shown, which has an emitter region on the front 2nd has and in which the emitter contacts 32 are thus also formed on the front. Although in this case on the front of the wafer 15 no texturing is shown, it can also be advantageous in this embodiment. As with the solar cell from the 4th is also here in the basic area 12td a gradient is formed from thermal donors, which completely fills the n-conducting base region, that is to say from the dielectric on the rear 4th up to the emitter area 2nd extends. In an embodiment not shown here, the gradient can also be in front of the emitter 2nd end up. In this case, an area 12f arise below the emitter.

Anders als in den 2, 4 und 5 ist in 6 die Orientierung des Gradienten umgekehrt orientiert. In den 2,4 und 5 mit rückseitigem Emitter liegt die höchste Konzentration thermischer Donatoren an der lichtzugewandten Waferoberfläche 15 vor und nimmt in Richtung des Emitterbereiches 2 mit der Tiefe des Wafers zur Rückseite hin ab. In 6 liegt die höchste Konzentration thermischer Donatoren an der lichtabgewandten Waferoberfläche 16 vor und nimmt in Richtung des Emitterbereiches 2 mit der Tiefe des Wafers zur Vorderseite hin ab.Unlike in the 2nd , 4th and 5 is in 6 the orientation of the gradient is reversed. In the 2nd , 4th and 5 with the rear emitter, the highest concentration of thermal donors is on the light-facing wafer surface 15 before and takes in the direction of the emitter area 2nd with the depth of the wafer towards the back. In 6 the highest concentration of thermal donors is on the light-facing wafer surface 16 before and takes in the direction of the emitter area 2nd with the depth of the wafer towards the front.

Eine Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens 100, beispielsweise zur Herstellung der Solarzelle aus der 5, wird in der 7 anhand eines Flussdiagramms veranschaulicht und im Folgenden erläutert.An embodiment of a manufacturing process 100 , for example for the production of the solar cell from the 5 , is in the 7 illustrated using a flowchart and explained below.

Auf dem bereitgestellten Siliziumwafer 1 aus n-Typ Silizium mit vorderseitiger Texturierung wird zunächst an der lichtzugewandten Wafervorderseite 15 ein Dotierstoff in die Oberfläche des Halbleiterwafers 1 eindiffundiert 101, beispielsweise Phosphor, um so ein Vorderseitenfeld (FSF) zu bilden. Dieses Vorderseitenfeld ist nicht zwangsläufig erforderlich und kann dementsprechend auch entfallen. Die Funktion des FSF, nämlich die Reduzierung der vorderseitigen Rekombination und des vorderseitigen Schichtwiderstandes, kann alternativ durch die im Anschluss erzeugten thermischen Donatoren erfolgen, die ebenfalls eine n-Typ Dotierung hervorrufen, wenn auch nicht so hoch dotiert, dafür aber umso tiefer.On the silicon wafer provided 1 n-type silicon with texturing on the front is first made on the light-facing wafer front 15 a dopant in the surface of the semiconductor wafer 1 diffused 101 , for example phosphorus, so as to form a front field (FSF). This front field is not absolutely necessary and can accordingly be omitted. The function of the FSF, namely the reduction of the front-side recombination and the front-side sheet resistance, can alternatively take place through the thermal donors produced subsequently, which likewise produce an n-type doping, although not as highly doped, but all the more so.

Anschließend wird vorderseitig Wasserstoff in den Wafer eingebracht, beispielsweise mittels eines Wasserstoffplasmas 102, eine Antireflexschicht abgeschieden 103 und die Probe getempert 104. Der Schritt 103 kann auch nur einen Teil der Temperzeit beanspruchen und der Schritt 104 die restliche erforderliche Zeit darstellen. Diese drei Schritte 102, 103 und 104 können auch in einem Schritt 111 oder in zwei Schritten 112 bzw. 113 zusammengefasst werden. Dies ist nur eine beispielhafte Abfolge, andere Prozessfolgen sind möglich.Hydrogen is then introduced into the front of the wafer, for example by means of a hydrogen plasma 102 , deposited an anti-reflective layer 103 and annealed the sample 104 . The step 103 can also take up only part of the annealing time and the step 104 represent the remaining time required. These three steps 102 , 103 and 104 can also be done in one step 111 or in two steps 112 respectively. 113 be summarized. This is only an exemplary sequence, other process sequences are possible.

Werden die Schritte 102 und 103 durch einen Schritt 111 ersetzt, bedeutet das, dass der Wasserstoff zur Bildung der thermischen Donatoren, wie erfindungsgemäß vorgesehen, während der Abscheidung der Antireflexschicht aus dem wasserstoffreichen Depositionsplasma der Antireflexschicht in den Wafer eindiffundiert. Alternativ, aber insoweit nicht zur Erfindung gehörend, kann zur Bildung einer Antireflexschicht 103 auch ein anderes wasserstoffreiches Depositionsplasma als Wasserstoffquelle im Schritt 103 dienen, beispielsweise ein Plasma zur Abscheidung einer Passivierschicht wie z.B. amorphes Silizium oder amorphes Siliziumoxid oder Aluminiumoxid.Will the steps 102 and 103 by one step 111 replaced, this means that the hydrogen to form the thermal donors, as provided according to the invention, diffuses into the wafer during the deposition of the antireflection layer from the hydrogen-rich deposition plasma of the antireflection layer. Alternatively, but insofar as not part of the invention, an anti-reflective layer can be formed 103 another hydrogen-rich deposition plasma as a hydrogen source in the crotch 103 serve, for example a plasma for the deposition of a passivation layer such as amorphous silicon or amorphous silicon oxide or aluminum oxide.

Werden die Schritte 103 und 104 durch einen Schritt 112 ersetzt, bedeutet das, dass die Deposition der Antireflexschicht auf den Wafer gleichzeitig mit dem Temperschritt erfolgt.Will the steps 103 and 104 by one step 112 replaced, this means that the deposition of the anti-reflective layer on the wafer takes place simultaneously with the annealing step.

Werden die Schritte 102, 103 und 104 durch einen Schritt 113 ersetzt, bedeutet dies, dass der Wasserstoff zur Bildung der thermischen Donatoren während der Abscheidung der Schicht 103 aus dem wasserstoffreichen Depositionsplasma der Antireflexschicht in den Wafer eindiffundiert und dass gleichzeitig die Depositionstemperatur der Tempertemperatur zur Bildung der thermischen Donatoren entspricht.Will the steps 102 , 103 and 104 by one step 113 replaced, it means that the hydrogen to form the thermal donors during the deposition of the layer 103 diffuses into the wafer from the hydrogen-rich deposition plasma of the antireflection layer and that at the same time the deposition temperature corresponds to the annealing temperature for the formation of the thermal donors.

Anschließend wird auf der lichtabgewandten Waferrückseite 16 des Siliziumwafers 1 ein photovoltaisch aktiver Übergang 2 mit einem Niedertemperaturverfahren erzeugt.Then the back of the wafer is turned away from the light 16 of the silicon wafer 1 a photovoltaically active transition 2nd generated with a low temperature process.

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)

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 process includes the following process 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 generating an emitter contact (32) and a base contact (31) whereby hydrogen diffuses into the wafer to form the thermal donors during the deposition of an antireflection layer (6) from a hydrogen-rich deposition plasma. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Donatoren im Wesentlichen über eine gesamte Waferdicke des Siliziumwafers (1) erzeugt werden.Manufacturing process according to Claim 1 , characterized in that the thermal donors are produced essentially over an entire wafer thickness of the silicon wafer (1). Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Donatoren im Wesentlichen entlang einer gesamten Waferoberfläche auf einer Seite des Siliziumwafers erzeugt werden.Manufacturing process according to Claim 1 or 2nd , characterized in that the thermal donors are generated substantially along an entire wafer surface on one side of the silicon wafer. Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des Dotiergradienten aus thermischen Donatoren zeitlich vor oder nach dem Erzeugen des photovoltaisch aktiven Überganges (13) erfolgt.Manufacturing method according to one of the preceding claims, characterized in that the doping gradient is generated from thermal donors before or after the generation of the photovoltaically active transition (13). Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Erzeugens des Dotiergradienten aus thermischen Donatoren eine Wasserstoffplasmabehandlung auf einer Seite des Siliziumwafers und eine Wärmebehandlung des Siliziumwafers gleichzeitig oder im Anschluss an die Wasserstoffplasmabehandlung umfasst.Manufacturing method according to one of the preceding claims, characterized in that the step of generating the doping gradient from thermal donors comprises a hydrogen plasma treatment on one side of the silicon wafer and a heat treatment of the silicon wafer simultaneously or following the hydrogen plasma treatment. Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der photovoltaisch aktive Übergang erzeugt wird, indem mittels Eindiffusion von Dotierstoff in den Siliziumwafer eine Emitterschicht in dem Siliziumwafer erzeugt wird, indem eine Emitterschicht auf dem Siliziumwafer abgeschieden wird und / oder indem mittels eines Dielektrikums und einer Metallschicht ein Metall-Isolator-Halbleiter-Übergang auf dem Halbleiterwafer erzeugt wird.Manufacturing method according to one of the preceding claims, characterized in that the photovoltaically active transition is produced by an emitter layer being produced in the silicon wafer by means of diffusion of dopant into the silicon wafer, by an emitter layer being deposited on the silicon wafer and / or by means of a dielectric and a metal layer Metal-insulator-semiconductor transition is generated on the semiconductor wafer. Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitterkontakt rückseitig auf dem Siliziumwafer erzeugt wird.Manufacturing method according to one of the preceding claims, characterized in that the emitter contact is generated on the back of the silicon wafer. Wafersolarzelle hergestellt in einem Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.Wafer solar cell produced in a manufacturing process according to one of the preceding claims. Wafersolarzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskontakt (31) auf einer lichteinfallseitigen oder sonnenzugewandten Wafervorderseite (15) und der Emitterkontakt (32) auf einer lichtabgewandten Waferrückseite (16) angeordnet ist.Wafer solar cell after Claim 8 , characterized in that the base contact (31) is arranged on a light front or sun-facing wafer front (15) and the emitter contact (32) on a light-facing wafer back (16). Wafersolarzelle nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierdichte der thermischen Donatoren zum Emitterbereich (2) hin abfällt.Wafer solar cell according to one of the Claims 8 to 9 , characterized in that the doping density of the thermal donors drops towards the emitter region (2). Wafersolarzelle nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisbereich (12) entlang einer Waferoberfläche bereichsweise (12td) einen Dotiergradienten aus thermischen Donatoren aufweist.Wafer solar cell according to one of the Claims 8 to 10th , characterized in that the base region (12) has a doping gradient made of thermal donors along a wafer surface in regions (12td).
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