DE102011084644A1

DE102011084644A1 - Verfahren zur herstellung eines photovoltaischen elements mit einer siliziumdioxidschicht

Info

Publication number: DE102011084644A1
Application number: DE102011084644A
Authority: DE
Inventors: Markus Roth; Siegmar Rudakowski
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2011-10-17
Filing date: 2011-10-17
Publication date: 2013-04-18
Also published as: CN103050569A; US20130130434A1

Abstract

Diese Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines photovoltaischen Elements, insbesondere einer Solarzelle. Dabei wird eine zusätzliche Siliziumdioxidschicht verwendet, die durch eine UV-Bestrahlung mit einer Wellenlänge unter 200 nm erzeugt wird und die Grenzflächeneigenschaften auf dem Silizium verbessern und unter dem Begriff "background plating" bekannte Störungen vermindern helfen kann.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für photovoltaische Elemente.
Stand der Technik
Die Herstellung von photovoltaischen Elementen, insbesondere der sogenannten Solarzellen, auf der Basis von Siliziumsubstraten ist seit Jahrzehnten bekannt und Gegenstand umfangreicher Entwicklungstätigkeit.
Bei den bekannten Herstellungsverfahren werden in der Regel Siliziumnitridschichten auf dem Substrat ein-gesetzt, die Aufgaben der Ladungsträgerlebensdauererhöhung und der Reflexionsunterdrückung haben. Solche Schichten können z.B. mit Plasmaverfahren abgeschieden werden, insbesondere PECVD-Verfahren (plasma enhanced chemical-vapour deposition).
In die Siliziumnitridschicht werden Öffnungen eingebracht, um leitende Bereiche im Siliziumsubstrat, z.B. p-dotierte Schichten darin, zu kontaktieren und an Leiterbahnen anzuschließen.
Darstellung der Erfindung
Auf dieser Grundlage liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, eine weitere Verbesserung für diese Herstellungsverfahren anzugeben.
Das Problem wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines photovoltaischen Elements mit den Schritten:

– Erzeugen einer Siliziumnitridschicht auf einem Siliziumsubstrat,
– Erzeugen von Öffnungen in der Siliziumnitridschicht,
– Erzeugen einer leitfähigen Kontaktierung, die zumindest teilweise in der Öffnung der Siliziumnitridschicht liegt,

Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine entsprechende Verwendung einer UV-Quelle.
Die erfindungsgemäße Verbesserung besteht also in einer Siliziumdioxidschicht, die durch einen UV-getriebenen Prozess unter Beteiligung von O-Spezies und/oder O-H-Spezies und entsprechender Oxidation von Silizium zu Siliziumdioxid erzeugt wird. Der Begriff "O-Spezies" soll dabei die verschiedenen Modifikationen von reinem Sauerstoff umfassen, also atomares O oder gewöhnliches molekulares O₂, aber auch daraus abgeleitete Radikale, sowie Ozon. Demensprechend soll der Begriff "O-H-Spezies" die unterschiedlichsten molekularen Spezies aus Wasserstoff- und Sauerstoffatomen umfassen, also insbesondere gewöhnliches Wasser (H₂O); Wasserstoffperoxid (H₂O₂), entsprechende Ionen und Radikale, z.B. Hydroxylradikale. Grundsätzlich wird bei dieser Erfindung davon ausgegangen, dass UV-Quanten mit einer Wellenlänge unter 200 nm effizient und leicht aus den genannten O-Spezies bzw. O-H-Spezies eine Atmosphäre erzeugen können, die Silizium bei moderater Temperatur vergleichsweise rasch und mit hoher Qualität oxidiert. Zum Beispiel können die UV-Quanten molekularen Sauerstoff zerlegen und dabei neben Ozon auch atomare Sauerstoffradikale schaffen, die Silizium unmittelbar oxidieren.
Die erfindungsgemäße Schicht sorgt zusätzlich zu der Nitridschicht für eine verbesserte elektrische Isolation. Insbesondere kann die Oxidschicht in herstellungsbedingten und vielen Fällen praktisch unvermeidlichen Defekten und Löchern in der Nitridschicht eine zusätzliche Isolierung bieten. Insbesondere lassen sich damit unter dem Begriff "background plating" bekannte Störungen vermindern oder vermeiden, die bei nachfolgenden elektrolytischen Metallisierungsprozessen für eine unerwünschte Entstehung von Metallabscheidung in und in der Umgebung solcher Defekte sorgen. Wenn nämlich Porositäten oder Löcher unbeabsichtigter Weise Substrat frei lassen, so ist dieses bei der Metallabscheidung oxidiert und damit elektrisch isoliert. Dementsprechend ist diese ansonsten für Inselwachstum prädestinierte Stelle bei dem nachfolgenden galvanischen oder elektrolytischen Prozessen "passiviert". Letztlich kommen diese Verbesserungen der Verringerung von Ausschuss und der Verbesserung der Effizienz der photovoltaischen Elemente zugute.
Die erfindungsgemäße Erzeugung durch eine UV-getriebene Oxidation vermeidet hohe Temperaturbelastungen im Herstellungsverfahren und lässt sich ohne wesentliche Umstände und mit vergleichsweise geringerem Energieaufwand (im Verhältnis zu klassischem thermischem Oxid) großtechnisch einsetzen.
Vorzugsweise wird die Siliziumdioxidschicht zeitlich vor der Erzeugung der Nitridschicht produziert. Zwar könnte man sie auch danach, jedoch vor der Kontaktierung oder Metallisierung, erzeugen; jedoch ist die frühere Eingliederung des Oxidationsschicht-Schritts günstiger: Erfahrungsgemäß ist die Grenzfläche zwischen dem erfindungsgemäß erzeugtem Siliziumdioxid und den angrenzenden Bereichen des Siliziumsubstrats von besserer Qualität, insbesondere hinsichtlich Rekombinationszentrendichte, als die Grenzfläche zwischen dem Siliziumsubstrat und fehlerbehafteten Nitridschichten. Dementsprechend ist es besonders bevorzugt, die Oxidation zumindest in den Bereichen, in denen die Nitridschicht bei der Kontaktierung bestehen bleibt (und insbesondere nicht für die erwähnten Kontaktierungsöffnungen entfernt wird) großflächig und durchgehend auszuführen.
Ferner wird vorzugsweise ausschließlich molekularer Sauerstoff (O₂) als Ausgangsbasis für den Oxidationsschritt, also als Quelle, verwendet. Infolge der UV-Bestrahlung bleibt es natürlich nicht dabei, sondern kommt es zur Zerlegung der Moleküle und Erzeugung von Ionen und freien Radikalen, möglicherweise auch zur Erzeugung eines Plasmas. Die Aussage der ausschließlichen Verwendung von molekularen Sauerstoff bezieht sich also auf das Zuführen aus einer Quelle und nicht auf die Zusammensetzung der eigentlich aktiven Atmosphäre.
Eine besonders effiziente und vorteilhafte Wahl für eine UV-Quelle sind Excimer-Entladungslampen. In solchen an sich bekannten Lampen wird eine so genannte stille Entladung gezündet und betrieben, bei der zumindest ein Teil der Elektroden mit einer dielektrischen Schicht vom Entladungsmedium getrennt ist. In der Entladung kann es zur Erzeugung von instabilen Excimeren, insbesondere von Edelgasmolekülen, kommen. Ein an sich bekanntes und hier bevorzugtes Beispiel sind Xe₂*-Excimerlampen. Hierbei soll der Begriff "Lampe" eine UV-Quelle prinzipiell jeden geometrischen Ausmaßes umfassen. Es geht also um eine UV-Quelle im allgemeinen Sinn. Die beschriebenen Excimerlampen eignen sich besonders gut für in einer oder mehr als einer Dimension sehr große Abmessungen, wie sie in großtechnischen Herstellungsprozessen insbesondere für Solarzellen gewünscht sind.
Die Siliziumnitridschicht wird vorzugsweise mit einem an sich bekanntem PECVD-Verfahren abgeschieden. Diese Verfahren führen zu einer abgesehen von dem beschriebenen Problem des "background plating" ansonsten völlig geeigneten Schichtqualität und genügen insbesondere den optischen Anforderungen. Sie sind beherrscht und zu geringen Kosten großtechnisch realisierbar.
Die in den erwähnten Öffnungen der Nitridschicht vorgesehene Kontaktierung kann insbesondere einheitlich mit einem Leiterbahnensystem ausgeführt sein. Vorzugsweise ist die entsprechende Technologie metallisch, aber silberfrei, weil die vorbekannten Silber enthaltenden Systeme zu hohen Kosten führen. In Betracht kommen vor allem galvanische Kupferschichten, wie sie z.B. nach Bekeimung etwa mit chemisch abgeschiedenem Chrom oder Nickel erzeugt werden können. Eine entsprechende dünne chemische Metallschicht zwischen dem Siliziumsubstrat und dem galvanischem Kupfer kann dabei auch als Diffusionsbarriere zur Verhinderung eines Eindiffundierens von Kupfer in das Substrat bzw. leitende Schichten darauf dienen.
Die erfindungsgemäße Beherrschung des Problems des "background plating" macht die Verwendung von galvanischen Leiterbahnen sehr viel attraktiver; im Stand der Technik ist man auch wegen des "background plating" auf vergleichsweise teurere Druckprozesse mit Silberpasten ausgewichen, die in einem sogenanntem Cofiring-Prozess eine Siliziumnitridschicht chemisch durchbrechen und damit eine Kontaktierung herstellen können.
Die bereits mehrfach erwähnten Öffnungen in der Nitridschicht können z.B. durch Laserbeschuss erzeugt werden; die Nitridschicht platzt dabei ab bzw. verdampft und legt das Substrat frei. Vorteilhafterweise verdampft auch die Siliziumdioxidschicht bei dieser Gelegenheit, sodass der Laserbeschuss das Siliziumsubstrat selbst freilegt. Damit entfällt eine vorherige Strukturierung des Siliziumdioxids.
Als eine geeignete Dicke für die Oxidschicht hat sich ein Bereich zwischen 0,5 nm und 10 nm herausgestellt. Dickere Schichten sind nicht nötig, aber nicht zwingend störend. Bevorzugte Untergrenzen liegen bei 1 nm, 1,5 nm und 2 nm; bevorzugtere Obergrenzen bei 8 nm, 6 nm und schließlich 4 nm.
Insbesondere in Zusammenhang mit den erwähnten Excimer-UV-Quellen lässt sich der erfindungsgemäße Prozess in eine großtechnische Fertigung im Rahmen eines Inline-Verfahrens eingliedern. Dabei ist nämlich dieser Prozess ohne zusätzliche Wartezeiten in einem Verfahrensablauf integriert. Vorzugsweise werden Solarzellensubstrate, einzeln oder zu mehreren, an einer UV-Quelle vorbeigeführt (oder umgekehrt), was auf andere Verfahrenschritte zeitlich abgestimmt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
1 zeigt eine perspektivische Schemadarstellung einer erfindungsgemäßen Erzeugung einer Siliziumdioxidschicht auf Solarzellensubstraten.
2 schematisch und schrittweise eine Übersicht über den erfindungsgemäßen Prozess.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt schematisch ein Transportband 2, auf dem einzelne Solarzellensubstrate 1 transportiert werden, wie durch den Pfeil mit den Symbol v für die Bandgeschwindigkeit angedeutet. Dieses Transportband 2 steht stellvertretend für einen Inlineprozess, in dem die Erzeugung der Siliziumdioxidschicht nur einen Prozessschritt unter vielen bedeutet.
Über dem Transportband 2 befindet sich eine Leuchte 3 mit einer darin montierten Xe-Excimer-UV-Lampe in Röhrenform. Zu der genaueren Ausführung dieser Leuchte wird ergänzend verwiesen auf die WO 2010/066298 A1 , in deren 1 die röhrenförmige UV-Lampe mit 1 bezeichnet ist und zusammen mit speziellen Reflektoren 2 in einem dem vorliegenden Gehäuse der Leuchte 3 ähnelnden Gehäuse mit dem Bezugszeichen 4–8 montiert ist. Bei der UV-Lampe handelt es sich um einen kommerziellen Typ mit der Handelsbezeichnung Xeradex, der im Wesentlichen UV-Licht der Wellenlänge von 172 nm erzeugt. Das zitierte Dokument geht hierauf und auf den Leuchtenaufbau näher ein.
Das Gehäuse der Leuchte 3 ist aus Sicherheitsgründen hermetisch abgeschlossen; in 1 erkennt man an seiner nach vorne rechts weisenden Seite entsprechende Verschlüsse. Unter seiner flachen Unterseite befindet sich ein schmaler Zwischenraum 4, der mit Luft oder, zur Verringerung der UV-Absorption, mit einer sauerstoffreduzierten Atmosphäre (z.B. Kunstluft mit 1 % O₂ und 99 % N₂) gefüllt ist. Dadurch muss der Abstand zwischen den Substraten 1 und der Leuchte 3 nicht so exakt eingehalten werden. Auf den Siliziumsubstraten 1 wird die Siliziumoberfläche durch die harte UV-Bestrahlung sehr effizient oxidiert.
2 zeigt in einer Abfolge von Einzeldarstellungen a bis h eine Übersicht: Zunächst erkennt man in 2a ein lediglich gereinigtes Siliziumsubstrat, dass kristallin oder polykristallin sein kann. Dieses wird in an sich bekannter Weise strukturiert, vergleiche 2b und P-dotiert, vergleiche 2c. Im Schritt gemäß 2d wird auf der im Schritt 2c erzeugten P-dotierten Lage 5 die erfindungsgemäße dünne Siliziumdioxidschicht 6 erzeugt, und zwar gemäß 1. Darauf wird gemäß 2e per PECVD eine Siliziumnitridschicht 7 abgeschieden, die per Laserbeschuss gemäß 2f stellenweise geöffnet wird. Hierbei wird auch die Siliziumdioxidschicht 6 und ein Teil der P-dotierten Schicht entfernt. Gemäß 2g wird in diese Öffnungen eine chemische Nickelschicht oder Chromschicht 8 abgeschieden, die gemäß 2h mit galvanischem Kupfer 9 verstärkt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/066298 A1 [0024]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines photovoltaischen Elements mit den Schritten: – Erzeugen einer Siliziumnitridschicht (7) auf einem Siliziumsubstrat (1), – Erzeugen von Öffnungen in der Siliziumnitridschicht (7), – Erzeugen einer leitfähigen Kontaktierung (8, 9), die zumindest teilweise in der Öffnung der Siliziumnitridschicht (7) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Erzeugung der Kontaktierung (8, 9) eine Siliziumdioxidschicht (6) auf dem Siliziumsubstrat(1) erzeugt wird und die Siliziumdioxidschicht (6) durch Oxidation von Silizium (1) bei Bestrahlung (3) mit UV-Licht einer Wellenlänge unter 200 nm unter Anwesenheit von zumindest einem aus der Gruppe von O-Spezies und O-H-Spezies erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Siliziumdioxidschicht (6) zeitlich vor der Siliziumnitridschicht (7) und räumlich zwischen dieser und dem Siliziumsubstrat (1) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Siliziumdioxidschicht (6) zumindest dort, wo die Siliziumnitridschicht (7) bei der Erzeugung der Kontaktierung (8, 9) noch besteht, ganzflächig erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Siliziumdioxidschicht (6) unter Verwendung einer O₂-Atmosphäre und ohne Zugabe weiterer Gase erzeugt wird, wobei durch das UV-Licht aus dem O₂ weitere O-Spezies entstehen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das UV-Licht mit einer Excimer-UV-Quelle (3) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Excimer-UV-Quelle (3) eine Xe₂*-Lampe ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Siliziumnitridschicht (7) mit einem PECVD-Verfahren abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Kontaktierung (8, 9) eine silberfreie Metallisierung ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Metallisierung (8, 9) galvanisch abgeschiedenes Kupfer (9) aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Öffnungen in der Siliziumnitridschicht (7) durch Laserbeschuss erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erzeugte Siliziumdioxidschicht (6) eine Dicke zwischen 0,5 nm und 10 nm aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das als Inline-Verfahren ausgestaltet ist.
Verwendung einer UV-Quelle (3) mit einer Wellenlänge unter 200 nm bei der Herstellung eines photovoltaischen Elements zur Herstellung einer Siliziumdioxidschicht (6) zwischen einem Siliziumsubstrat (1) und einer Siliziumnitridschicht (7) darauf.