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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum einseitigen Glattätzen eines Siliziumsubstrats.
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Insbesondere die Fertigung moderner Solarzellentypen erfordert eine möglichst glatte Rückseite eines als Solarzellensubstrat verwendeten Siliziumsubstrats. Unter der Rückseite ist dabei diejenige großflächige Seite des Solarzellen- beziehungsweise Siliziumsubstrats zu verstehen, welche beim Betrieb der fertigen Solarzelle üblicherweise einfallendem Licht abgewandt angeordnet wird. Möglichst glatte Rückseiten erlauben eine Reduktion der Rekombination generierter Ladungsträger an der Rückseite des Silizium- beziehungsweise Solarzellensubstrats. Gegenüber Solarzellentypen mit einer nicht geglätteten Rückseite können in Verbindung mit einer Passivierung von an der Rückseite vorliegenden Oberflächenzuständen Wirkungsgradsteigerungen von bis zu 1% realisiert werden. Insbesondere die Glättung texturierter Rückseiten von Solarzellensubstraten kann erhebliche Wirkungsgradsteigerungen bewirken.
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Bislang wird die Rückseite von Siliziumsubstraten mittels einer sauren Politurätzlösung glattgeätzt. Bei diversen Solarzellenherstellungsverfahren hat sich jedoch gezeigt, dass der Einsatz einer sauren Politurätzlösung unerwünschte Nebenwirkungen mit sich bringt oder nicht möglich ist. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass bei einem Ätzen der Rückseite mittels einer sauren Politurätzlösung andere Bereiche des Solarzellensubstrats angegriffen werden können. Insbesondere hat sich gezeigt, dass mit einer Emitterdotierung versehene Bereiche stark beschädigt werden können. In Folge dessen kann eine saure Politurätzlösung in vielen Fällen nur vor Ausbildung einer Emitterdotierung eingesetzt werden. Dies ist jedoch nicht mit allen Solarzellenherstellungsprozessen vereinbar.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein flexibel einsetzbares Verfahren zum einseitigen Glattätzen eines Siliziumsubstrats zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum einseitigen Glattätzen eines Siliziumsubstrats sieht vor, zumindest auf einer ersten Seite des Siliziumsubstrats eine Schutzschicht auszubilden. Nachfolgend wird eine zweite Seite des Siliziumsubstrats mittels einer alkalischen Ätzlösung glattgeätzt, welche eine Temperatur im Bereich zwischen 50°C und 90°C aufweist. Während dieses Glattätzens werden diejenigen Bereiche des Siliziumsubstrats, auf welchen die Schutzschicht ausgebildet worden ist, mittels der Schutzschicht gegenüber einem Einwirken der Ätzlösung geschützt.
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Unter einem Glattätzen im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein zumindest teilweises Einebnen einer Oberfläche des Siliziumsubstrats zu verstehen. Mit anderen Worten bezeichnet das Glattätzen ein zumindest teilweises Nivellieren der Oberfläche des Siliziumsubstrats.
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In Folge der vergleichsweise hohen Temperatur der alkalischen Ätzlösung kann ein isotropes Ätzverhalten der alkalischen Ätzlösung realisiert werden. Dieses ermöglicht das Glattätzen der zweiten Seite des Siliziumsubstrats. Die erste Seite des Siliziumsubstrats kann aufwandsgünstig gegenüber einem Einwirken der alkalischen Ätzlösung geschützt werden, beispielsweise mittels einer Silikatglasschicht oder einer Siliziumnitridschicht. Weiterhin hat sich gezeigt, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die zweite Seite aufwandsgünstiger glattgeätzt werden kann als mit einer sauren Politurätzlösung. Dieser Aufwandsvorteil ergibt sich aus geringeren Chemikalienkosten sowie einer längeren Standzeit der alkalischen Ätzlösung gegenüber sauren Politurätzlösungen.
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Als alkalische Ätzlösung haben sich eine wässrige NaOH- oder ein wässrige KOH-Lösung bewährt.
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Vorzugsweise liegt die erste Seite der zweiten Seite gegenüber. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der ersten Seite um eine Vorderseite und bei der zweiten Seite um eine Rückseite eines Solarzellensubstrats. Im oben geschilderten Sinne ist dabei unter der Rückseite diejenige Seite des Solarzellensubstrats zu verstehen, welche im Betrieb der fertigen Solarzelle einfallendem Licht abgewandt angeordnet wird. Die Vorderseite ist hingegen diejenige Seite des Solarzellensubstrats, welche im Betrieb der fertigen Solarzelle einfallendem Licht zugewandt ausgerichtet wird.
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Zum Zwecke des Glattätzens der Rückseite des Siliziumsubstrats kann das Siliziumsubstrat teilweise oder vollständig in die Ätzlösung eingetaucht werden. Insbesondere kann das Glattätzens mittels eines einseitigen Ätzverfahrens realisiert werden, beispielsweise indem das Siliziumsubstrat derart angeordnet wird, dass nur die zweite Seite von der Ätzlösung benetzt wird, die erste Seite des Siliziumsubstrats sich jedoch oberhalb eines Flüssigkeitspegels der Ätzlösung befindet. Mehrere Siliziumsubstrate können stapelweise oder fortlaufend glattgeätzt werden. Das Verfahren ist somit mit im Stapelbetrieb arbeitenden Anlagen wie auch mit kontinuierlich betriebenen Fertigungslinien kompatibel.
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Vorzugsweise wird als Schutzschicht eine Silikatglasschicht oder eine Siliziumnitridschicht ausgebildet. Auf diese Weise kann die Schutzschicht mit Technologien ausgebildet werden, welche aus der Solarzellenfertigung bekannt sind. Insbesondere haben sich Phosphorsilikatglasschichten und Borsilikatglasschichten als Schutzschicht bewährt.
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Bei einer Verfahrensvariante wird ein Solarzellensubstrat einseitig glattgeätzt und als Schutzschicht im Rahmen einer Emitterdiffusion eine dotierstoffhaltige Silikatglasschicht ausgebildet. Auf diese Weise kann die Schutzschicht aufwandsgünstig im Rahmen eines ohnehin für die Solarzellenfertigung erforderlichen Emitterdiffusionsschrittes ausgebildet werden. Als dotierstoffhaltige Silikatglasschicht haben sich insbesondere eine Phosphorsilikatglasschicht oder eine Borsilikatglasschicht bewährt.
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Die Emitterdiffusion kann grundsätzliche auf jede an sich bekannte Art realisiert werden. Es können einseitige oder mehrseitige Emitterdiffusionsverfahren zum Einsatz kommen. Insbesondere hat sich eine Röhrendiffusion bewährt. Wird im Rahmen der Emitterdiffusion, beispielsweise falls diese als Röhrendiffusion durchgeführt wird, auf der zweiten Seite des Siliziumsubstrats die dotierstoffhaltige Silikatglasschicht ausgebildet, so wird diese vorteilhafterweise vor dem Glattätzen entfernt. Dies kann beispielsweise mittels an sich bekannter einseitiger Ätzverfahren realisiert werden, insbesondere unter Verwendung von schwach konzentrierten Flusssäurelösungen. Vorzugsweise wird die dotierstoffhaltige Silikatglasschicht von der zweiten Seite des Siliziumsubstrats im Rahmen eines Kantenisolationsschrittes entfernt. Auf diese Weise ist gegenüber Solarzellenherstellungsverfahren, welche einen Kantenisolationsschritt vorsehen, kein zusätzlicher Prozessschritt erforderlich. Als Kantenisolationsschritt wird üblicherweise ein Prozessschritt bezeichnet, bei welchem die Oberfläche auf der zweiten Seite des Siliziumsubstrats elektrisch von der Emitterdotierung isoliert wird. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Emitterdotierung von der zweiten Seite des Siliziumsubstrats abgeätzt werden, sodass im Zuge dieses Ätzens die dotierstoffhaltige Silikatglasschicht aufwandsgünstig von der zweiten Seite des Siliziumsubstrats entfernt werden kann.
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Vorteilhafterweise wird die im Rahmen der Emitterdiffusion ausgebildete dotierstoffhaltige Silikatglasschicht durch nasschemisches Ätzen von der zweiten Seite des Siliziumsubstrats entfernt. Besonders bevorzugt erfolgt dies mittels einer Silikatglasätzlösung erster Art, welche Wasser, 10 Gramm pro Liter (g/l) bis 50 g/l Flusssäure, 200 g/l bis 1000 g/l Schwefelsäure und/oder 250 g/l bis 500 g/l Salpetersäure enthält. Auf diese Weise kann gegebenenfalls mittels der Silikatglasätzlösung erster Art gleichzeitig eine Emitterdotierung von der zweiten Seite des Siliziumsubstrats entfernt werden. Eine Kombination des Entfernens der dotierstoffhaltigen Silikatglasschicht von der zweiten Seite des Siliziumsubstrats mit einer Kantenisolation wird hierdurch ermöglicht.
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Vorteilhafterweise wird nach dem Glattätzen der zweiten Seite des Siliziumsubstrats die auf der ersten Seite ausgebildete dotierstoffhaltige Silikatglasschicht von der ersten Seite des Siliziumsubstrats mittels einer Silikatglasätzlösung zweiter Art entfernt und dabei die zweite Seite des Siliziumsubstrats mittels der Silikatglasätzlösung zweiter Art überätzt. Auf diese Weise können etwaige nach dem Glattätzen auf der zweiten Seite des Siliziumsubstrats verbliebene Strukturen weiter eingeebnet werden. Verbliebene Kanten können abgerundet werden. Als Silikatglasätzlösung zweiter Art hat sich eine wässrige Lösung bewährt, welche Flusssäure und Salpetersäure aufweist.
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Bei einer anderen Verfahrensvariante, bei welcher ein Solarzellensubstrat einseitig glattgeätzt wird, wird als Schutzschicht eine Siliziumnitridschicht auf der ersten Seite des Siliziumsubstrats ausgebildet. Diese Siliziumnitridschicht wird im Weiteren als Antireflexionsschicht auf dem Siliziumsubstrat belassen. Diese Verfahrensvariante stellt somit eine alternative Möglichkeit einer aufwandsgünstigen Ausbildung der Schutzschicht dar, da bei einer Vielzahl von Solarzellenherstellungsprozessen die Ausbildung einer Siliziumnitridschicht als Antireflexionsschicht ohnehin vorgesehen ist.
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Die Herstellung einer Solarzelle erfordert die Ausbildung eines Emitters. Vorteilhafterweise wird daher vor dem Ausbilden der Siliziumnitridschicht eine Emitterdiffusion durchgeführt und hierbei eine dotierstoffhaltige Silikatglasschicht auf dem Siliziumsubstrat ausgebildet. Diese dotierstoffhaltige Silikatglasschicht wird vor dem Ausbilden der Siliziumnitridschicht vollständig entfernt. Auf diese Weise kann die als Schutzschicht vorgesehene Siliziumnitridschicht als Antireflexionsschicht auf dem Siliziumsubstrat belassen werden. Die dotierstoffhaltige Silikatglasschicht wird vorzugsweise nasschemisch entfernt, beispielsweise mit der Silikatglasätzlösung zweiter Art. Eine etwaige Kantenisolation, wie sie oben im Zusammenhang der Silikatglasätzlösung erster Art beschrieben ist, erfolgt vorzugsweise ebenfalls vor dem Ausbilden der Siliziumnitridschicht.
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Eine Verfahrensvariante sieht vor, dass vor dem Ausbilden der Schutzschicht das Siliziumsubstrat zumindest teilweise mit einer Oberflächentextur versehen wird. Im Falle eines Solarzellensubstrats kann auf diese Weise beispielsweise die Lichteinkopplung in das Solarzellensubstrat und somit der Wirkungsgrad der fertigen Solarzelle gesteigert werden. Vorzugsweise wird die Oberflächentextur auf der ersten und der zweiten Seite des Siliziumsubstrats ausgebildet. Auf der zweiten Seite des Siliziumsubstrats ausgebildete Bestandteile der Oberflächentextur werden sodann während des nachfolgenden Glattätzens eingeebnet. Die Oberflächentextur wird bevorzugt durch nasschemisches Texturätzen ausgebildet.
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Vorteilhafterweise wird die zweite Seite des Siliziumsubstrats mittels einer wässrigen KOH-Lösung glattgeätzt. Besonders bewährt hat sich eine wässrige KOH-Lösung mit einer KOH-Konzentration von 10 Gewichtsprozent bis 30 Gewichtsprozent.
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Bevorzugt wird die zweite Seite des Siliziumsubstrats mittels einer alkalischen Ätzlösung glattgeätzt, welche eine Temperatur im Bereich zwischen 70°C und 85°C aufweist. Dieser Temperaturbereich hat sich in der Praxis besonders bewährt.
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Des Weiteren hat es sich bewährt, die zweite Seite während einer Dauer von 10 s bis 300 s, vorzugsweise während einer Dauer von 30 s bis 300 s, glattzuätzen.
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Es hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft bei der Herstellung einer Solarzelle mit einer passivierten Rückseite oder bei der Herstellung einer Solarzelle mit passiviertem Emitter und passivierter Rückseite, einer so genannten PERC-Zelle, verwendet werden kann. Unter einem passivierten Emitter sind dabei elektrisch passivierte Oberflächenzustände im Emitterbereich, unter einer passivierten Rückseite passivierte Oberflächenzustände an der Rückseite der Solarzelle zu verstehen.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Soweit zweckdienlich, sind hierin gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt – auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Die bisherige Beschreibung wie auch die nachfolgende Figurenbeschreibung enthalten zahlreiche Merkmale, die in den abhängigen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale wie auch alle übrigen oben und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung offenbarten Merkmale, wird der Fachmann jedoch auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfügen. Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit dem Verfahren des unabhängigen Anspruchs kombinierbar. Es zeigen:
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1 Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens
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2 Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens
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3 Schematische Darstellung eines das Verfahren nach 1 durchlaufenden Solarzellensubstrats während der verschiedenen Verfahrensschritte
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4 Schematische Darstellung eines das Verfahren nach 2 durchlaufenden Solarzellensubstrats während der verschiedenen Verfahrensschritte
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Die 1 und 3 illustrieren ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei diesem wird zunächst ein Siliziumsolarzellensubstrat 50 texturgeätzt 10. Dabei wird eine in den Darstellungen der 3 nach oben weisende Vorderseite des Siliziumsolarzellensubstrats 50 ebenso mit einer Oberflächentextur 51 versehen wie eine in den Darstellungen der 3 nach unten weisende Rückseite des Siliziumsolarzellensubstrats 50. Darüber hinaus werden auch die übrigen Oberflächenbereiche des Siliziumsolarzellensubstrats mit der Oberflächentextur 51 versehen. In den Darstellungen der 3 und 4 wird der besseren Übersicht halber jedoch an den Kanten des Siliziumsolarzellensubstrats 50 auf eine Darstellung der Oberflächentextur 51 verzichtet. Das Texturätzen 10 des Siliziumsolarzellensubstrats 50 erfolgt vorzugsweise mittels einer nasschemischen Texturätzlösung.
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Im Weiteren wird eine Röhren-Emitterdiffusion 12 durchgeführt. Hierunter ist eine Röhrendiffusion zu verstehen, bei welcher eine Emitterdotierung 52 ausgebildet wird. Diese ist in den Darstellungen der 3 durch eine gestrichelte Linie schematisch dargestellt. Im Rahmen der Röhren-Emitterdiffusion wird eine dotierstoffhaltige Silikatglasschicht 54 ausgebildet. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine Phosphorsilikatglasschicht oder eine Borsilikatglasschicht.
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Im weiteren Verfahrensverlauf wird die dotierstoffhaltige Silikatglasschicht 54 von der Rückseite des Siliziumsolarzellensubstrats 50 entfernt 14. Dies kann beispielsweise mittels einer Silikatglasätzlösung zweiter Art erfolgen. In übrigen Bereichen verbleibt die dotierstoffhaltige Silikatglasschicht 54 auf dem Siliziumsolarzellensubstrat 50 und dient als Schutzschicht gegenüber einem nachfolgenden Glattätzen 16.
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Dieses Glattätzen 16 erfolgt in einer wässrigen KOH-Lösung, welche sich auf einer Temperatur im Bereich von 70°C bis 85°C befindet. Zum Zwecke des Glattätzens 16 kann das Siliziumsolarzellensubstrat 50 vollständig in die wässrige KOH-Lösung eingetaucht werden. Während des Glattätzens 16 wird die Oberflächentextur 51 auf der Rückseite des Siliziumsolarzellensubstrats 50 durch die isotropische Ätzwirkung der sich auf der genannten Temperatur befindenden KOH-Lösung eingeebnet. Abseits der Rückseite des Siliziumsolarzellensubstrats 50 wird das Siliziumsolarzellensubstrat 50 hingegen durch die dotierstoffhaltige Silikatglasschicht 54 gegenüber einer Einwirkung der KOH-Lösung geschützt, so dass die Oberflächentextur 51 erhalten bleibt.
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Nachfolgend werden verbliebene Teile der dotierstoffhaltigen Silikatglasschicht 54 entfernt 18. Dies kann beispielsweise mittels einer Silikatätzlösung zweiter Art erfolgen. Zudem wird die Rückseite des Siliziumsolarzellensubstrats 50 überätzt, wodurch im Falle einer noch nicht vollständig eingeebneten Oberfläche auf der Rückseite des Siliziumsolarzellensubstrats 50 diese weitergehend eingeebnet werden kann.
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Im Ergebnis verbleibt ein mit einer Emitterdotierung 52 versehenes Siliziumsolarzellensubstrat 50, welches auf seiner Vorderseite eine Oberflächentextur 51 aufweist und dessen Rückseite eingeebnet ist. Dieses Siliziumsolarzellensubstrat 50 kann nun auf an sich bekannte Weise zu einer Solarzelle weiterverarbeitet werden. Insbesondere können Solarzellen mit passivierter Rückseite, beispielsweise PERC-Solarzellen, hergestellt werden.
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Die 2 und 4 illustrieren ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wiederum wird zunächst das Siliziumsolarzellensubstrat 50 texturgeätzt 10. Hieran schließt sich erneut eine Röhren-Emitterdiffusion 12 mit Ausbildung der dotierstoffhaltigen Silikatglasschicht 54 an. Abweichend von dem Ausführungsbeispiel der 1 und 3 erfolgt im Weiteren eine nasschemische Kantenisolation 20, bei welcher in aufwandsgünstiger Weise sowohl die dotierstoffhaltige Silikatglasschicht 54 wie auch die Emitterdotierung 52 von der Rückseite des Siliziumsolarzellensubstrats 50 entfernt wird. Dies kann beispielsweise mittels der Silikatglasätzlösung erster Art realisiert werden. Im Ausführungsbeispiel der 1 und 3 kann das Entfernen 14 der dotierstoffhaltigen Silikatglasschicht von der Rückseite ohne Weiteres durch den Schritt der nasschemischen Kantenisolation 20 aus dem Ausführungsbeispiel der 2 und 4 ersetzt werden. Auf diese Weise ergibt sich ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 und 4 schließt sich an die nasschemische Kantenisolation 20 ein vollständiges Entfernen 22 der dotierstoffhaltigen Silikatglasschicht 54 an. Dies kann beispielsweise mittels einer Silikatglasätzlösung zweiter Art realisiert werden.
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Nachfolgend wird eine Siliziumnitridschicht 56 auf der Vorderseite des Siliziumsolarzellensubstrats 50 abgeschieden 24. Dies kann mittels an sich bekannter chemischer Abscheidungsverfahren aus der Dampfphase (CVD-Verfahren) erfolgen. Da die dotierstoffhaltige Silikatglasschicht 54 vor dem Abscheiden 24 der Siliziumnitridschicht 56 vollständig entfernt wurde 22, kann die Siliziumnitridschicht 56 im Weiteren als Antireflexionsschicht auf dem Siliziumsolarzellensubstrat 50 verbleiben. Sofern bei dem jeweiligen Solarzellenherstellungsprozess eine Entfernung der dotierstoffhaltigen Silikatglasschicht 54 nicht erforderlich ist, kann die Siliziumnitridschicht 56 offensichtlich auch als Antireflexionsschicht verbleiben, wenn die dotierstoffhaltige Silikatglasschicht 54 zuvor nicht vollständig entfernt wurde.
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Im Weiteren wird die Rückseite des Siliziumsolarzellensubstrats 50 in der sich auf einer Temperatur im Bereich zwischen 70°C und 85°C befindenden KOH-Lösung glattgeätzt 16. Zu diesem Zweck kann das Siliziumsolarzellensubstrat 50 beispielsweise vollständig in die KOH-Lösung eingetaucht werden. Bei diesem Glattätzen 16 wird die Rückseite des Siliziumsolarzellensubstrats 50 eingeebnet, während die Siliziumnitridschicht 56 in den übrigen Bereichen als Schutzschicht wirkt und das Siliziumsolarzellensubstrat 50 gegenüber einem Einwirken der KOH-Lösung schützt.
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Im Ergebnis ergibt sich somit ein Siliziumsolarzellensubstrat 50, welches an seiner Vorderseite mit einer Oberflächentextur 51 sowie einer Emitterdotierung 52 und einer Siliziumnitridschicht 56 als Antireflexionsschicht versehen ist und zudem eine eingeebnete Rückseite aufweist. Dieses Siliziumsolarzellensubstrat 50 kann in an sich bekannter Weise zu einer fertigen Solarzelle weiter prozessiert werden. Metallkontakte zur Kontaktierung der Emitterdotierung auf der Vorderseite des Siliziumsolarzellensubstrats 50 können zu diesem Zweck beispielsweise durch die Siliziumnitridschicht in an sich bekannter Weise hindurchgefeuert werden. Die eingeebnete Rückseite des Siliziumsolarzellensubstrats 50 bietet ideale Voraussetzungen für die Herstellung einer Solarzelle mit einer passivierten Rückseite. Da mittels der Siliziumnitridschicht 56 auch eine Passivierung des Emitters realisiert werden kann, kann auch eine Solarzelle mit passiviertem Emitter und passivierter Rückseite hergestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Texturätzen Siliziumsolarzellensubstrat
- 12
- Röhren-Emitterdiffusion mit Ausbildung dotierstoffhaltiger Silikatglasschicht
- 14
- Entfernen dotierstoffhaltiger Silikatglasschicht von Rückseite
- 16
- Glattätzen Rückseite in KOH-Lösung mit Temperatur von 70°C bis 85°C
- 18
- Entfernen verbliebener Teile der dotierstoffhaltigen Silikatglasschicht und Überätzen Rückseite
- 20
- Nasschemische Kantenisolation
- 22
- Vollständiges Entfernen der dotierstoffhaltigen Silikatglasschicht
- 24
- Abscheiden Siliziumnitridschicht auf Vorderseite
- 50
- Siliziumsolarzellensubstrat
- 51
- Oberflächentextur
- 52
- Emitterdotierung
- 54
- dotierstoffhaltige Silikatglasschicht
- 56
- Siliziumnitridschicht
