DE102011088541A1 - Verfahren und Anordnung zur Herstellung einer Solarzelle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, wobei in einem vorbestimmten oberflächennahen Bereich eines Halbleitersubstrats (7), insbesondere eines Si-Wafers, eine Dotierung durch lokales Aufbringen eines Dotierstoffs mittels einer Sprühdüse (3; 13a; 13b; 13c) in einem Plasmasprühverfahren und einen nachgelagerten Eintreib- oder Epitaxieschritt erzeugt wird. Sie betrifft des Weiteren eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, wobei in einem vorbestimmten oberflächennahen Bereich eines Halbleitersubstrats, insbesondere eines Si-Wafers, eine Dotierung durch Aufbringen eines Dotierstoffs und einen nachgelagerten Eintreib- oder Epitaxieschritt erzeugt wird. Sie betrifft des Weiteren eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
- Stand der Technik
- Elektronische Bauelemente auf der Basis von Halbleitermaterialien enthalten grundsätzlich Dotanden, mit denen der Leitfähigkeitstyp des Halbleitersubstrats eingestellt wird, und in den weitaus meisten Konfigurationen auch lokale Dotierungen, mit denen in bestimmten Bereichen des Substrats ein abweichender Leitfähigkeitstyp eingestellt wird, um bestimmte Bauelementfunktionen zu realisieren. Auch halbleiter-basierte Solarzellen, auch bezeichnet als kristalline Solarzellen, haben einen solchen Aufbau mit einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps und hierin ausgebildeten Bereichen eines zweiten Leitfähigkeitstyps. Damit werden pn-Übergänge geschaffen, an denen eine photovoltaische Energiewandlung stattfindet.
- Seit Jahrzehnten haben sich in der Halbleitertechnologie bestimmte Verfahren zur Erzeugung der erwähnten Dotierungen bzw. Dotierungsbereiche etabliert. Sofern nicht eine ganzflächige Dotierung eines gesamten Halbleitersubstrats, speziell eines Halbleiterwafers, gewünscht ist, wird dabei üblicherweise mit Masken verschiedenster Art gearbeitet, die solche Bereiche der Substratoberfläche abdecken, in die ein im jeweiligen Prozessschritt verwendeter Dotierstoff nicht eindringen soll. Die Erzeugung der entsprechenden Masken, das Aufbringen des Dotierstoffs, das gezielte Eintreiben des jeweiligen Dotanden in vorbestimmte Bereiche im Substrat und die Entfernung der Maske vor weiteren Prozessen ist ein komplexer Ablauf, der hohen apparativen und Steuerungs-Aufwand erfordert und daher relativ kostspielig ist und bei dem im Übrigen in erheblichem Umfang Schadstoffe anfallen.
- Speziell bei der Herstellung von kristallinen Solarzellen beinhaltet der Siliziumwafer bereits einen Dotiertyp (typischerweise durch Bor p-dotiert), die komplementäre Dotierung (in diesem Fall durch Phosphor n-dotiert) wird während dem Solarzellenherstellungsprozess oberflächennah eingebracht. Diese Dotierschicht wird üblicherweise durch thermische Diffusion aus einer auf der Oberfläche befindlichen Dotierquelle erzeugt, welche vor dem eigentlichen Diffusionsschritt auf die Oberfläche aufgebracht wird. Dieses Aufbringen erfolgt meistens durch eine Belegung der Oberfläche mit Phosphorsilicatglas in einem der Diffusion vorausgehenden Prozessschritt bei ebenfalls erhöhten Temperaturen, kann jedoch auch durch Aufsprühen, Drucken, Aufschleudern oder Tauchverfahren erfolgen. Nach dem thermisch bedingten Eintreibschritt muss die aufgebrachte Dotierschicht wieder entfernt werden.
- Bei vielen Verfahren nach dem Stand der Technik besteht der Nachteil, dass eine lokale Deposition der Dotierstoffe nur schwer möglich ist und somit typischerweise die komplette Oberfläche dotiert wird. Da viele der künftigen Zellkonzepte auf lokal unterschiedlich hohe bzw. unterschiedlich geartete Dotierbereiche angewiesen sind, werden diese Bereiche über in zusätzlichen Prozessschritten aufgebrachte maskierende Schichten erzeugt, was mit den weiter oben erwähnten grundsätzlichen Nachteilen behaftet ist.
- Speziell sind auch Verfahren Stand der Technik, bei denen ein Dotierstoff unter Einsatz eines Plasmasprühverfahrens auf die Oberfläche einer Mehrschichtstruktur aufgebracht wird; vgl. hierzu
EP 1 428 899 A1 . AusUS 4,003,770 ist es auch bereits sehr früh bekanntgeworden, Plasmasprühverfahren zur ganzflächigen Dotierung der Oberfläche von Halbleitersubstraten einzusetzen, aus denen Solarzellen hergestellt werden. Schließlich lehrt auch dieUS 2008/0220558 A1 - Offenbarung der Erfindung
- Mit der Erfindung wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Des Weiteren wird eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 10 vorgeschlagen. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Mit der Erfindung wird die Möglichkeit geschaffen, auf direktem Weg abgegrenzte Dotierungsbereiche in einem Solarzellensubstrat zu erzeugen. Dabei ist gegenüber den bereits bekannten Prozessen keine spezielle Nachbearbeitung notwendig, d. h. typischerweise auftretende Trocknungs- oder Ausheizschritte wie bspw. bei gedruckten Schichten entfallen komplett. Weiterhin ist es möglich, nicht nur in der Fläche selektiv, sondern bspw. auch in Löcher gezielt Dotierstoffe abzuscheiden. Dies könnte bei der Herstellung von beidseitig sammelnden, aber rückseitig kontaktierten Zellkonzepten wie der Metal/Emitter Wrap Through Zelle (MWT/EWT) vorteilhaft sein.
- Eine weitere Möglichkeit ist es, hochdotierte Siliziumpartikel im Plasma lokal aufzuschmelzen und auf der Oberfläche abzuscheiden. Ein mögliches epitaktisches Wachstum der Schicht auf der Oberfläche führt dann dazu, dass der Emitter direkt aus der Beschichtung aufgebaut werden kann und kein nachträglicher Eintreibschritt bei hohen Temperaturen notwendig ist.
- In weiteren Ausführungen der Erfindung wird als Dotierstoff ein Dotand in Element- oder Oxidform benutzt. Dies kann den Vorteil haben, dass die aufgebrachte Schicht nach der Dotierung nicht mehr entfernt werden muss. In besonders weit verbreiteten Solarzellen-Ausführungen enthält der Dotierstoff zur Erzeugung von n-dotierten Bereichen Phosphor als Dotand.
- Des Weiteren können als Dotierstoff dotierte Partikel eines glasartigen Materials benutzt werden. Hierbei ist eine weitgehende weitere Anwendung von bekannten Dotierschritten – speziell des Eintreibens des Dotierstoffs und der Substrat-Nachbehandlung – möglich, wie sie aus der Verwendung von Phosphorsilicatglasschichten zur (weitgehend) ganzflächigen Dotierung von Solarzellensubstraten bekannt sind. Hierdurch vereinfacht sich das Design der entsprechenden Prozesse und zugehörigen Anordnungen.
- Ungeachtet der technologischen Vorteile einer maskenlosen lokalen Aufbringung von Dotierstoff auf die Substratoberfläche kann das vorgeschlagene Verfahren auch mit dem Einsatz einer Maske kombiniert werden, etwa wenn eine als Maske nutzbare Oberflächenstruktur ohnehin auf der Substratoberfläche vorhanden ist oder im Hinblick auf andere Prozessschritte benötigt wird. Typischerweise lassen sich mit etablierten Maskierungstechniken feinere Strukturen als in einem maskenlosen Verfahren herstellen. Dieser Umstand kann beim hier vorgeschlagenen Verfahren genutzt und dennoch in vorteilhafter Weise auf eine ganzflächige Substratmaskierung verzichtet werden.
- Im Rahmen einer ersten (maskenlosen) Verfahrensführung kann nach Obigem eine Mehrzahl von dotierten Bereichen mit Insel- oder Bahnform mit lateralen Abmessungen gebildet werden, die durch den zeitabhängigen Offen-Zustand, die Öffnungsweite und Gestalt der Sprühdüse, deren Abstand zum Halbleitersubstrat und Bewegungen zwischen Sprühdüse und Halbleitersubstrat bestimmt sind. In der Kombination mit – die Substratoberfläche insbesondere nur partiell bedeckenden – Maskenstrukturen können feiner strukturierte dotierte Bereiche gebildet werden, deren laterale Abmessungen primär durch die Abmessungen der Maskenöffnungen bestimmt sind, deren Grob-Konfiguration jedoch durch die Positionierung des Sprühstrahls relativ zur Substratoberfläche festgelegt ist.
- Vorrichtungsaspekte der Erfindung ergeben sich für den Fachmann unmittelbar aus den oben erläuterten Verfahrensaspekten, so dass von einer Wiederholung hier Abstand genommen wird. Besonders hingewiesen wird jedoch auf eine Ausführung der Anordnung, bei der die Plasmasprühvorrichtung eine Mehrzahl von Sprühdüsen umfasst, die mit einer einzelnen Dotierstoffquelle oder mit jeweils einer separaten Dotierstoffquelle verbunden sind. Hiermit wird eine Verfahrensdurchführung möglich, bei der das gleichzeitige Aufbringen verschiedener Dotierstoffe die Grundlage für die Ausbildung unterschiedlicher Dotierungsbereiche im Solarzellensubstrat bildet.
- Zeichnungen
- Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
-
1 eine skizzenartige Darstellung zur Erläuterung der Erfindung und -
2 eine weitere skizzenartige Darstellung zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung. - Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt grob schematisch eine Plasmasprühanordnung1 , verschieblich gehaltert in einem seinerseits verschiebbaren Portal5 , über einem Halbleitersubstrat7 . Aus einer Dotierstoffquelle9 wird der Sprühdüse3 ein Dotierstoff zugeführt, der im Sprühstrahl3S lokal gemäß einer vorgegebenen Auftragsspur7a auf das Halbleitersubstrat7 aufgetragen wird. In (nicht dargestellten) nachgeordneten Abschnitten einer Solarzellen-Herstellungsanlage wird der Dotierstoff auf thermischem Weg in den durch die Auftragsspur festgelegten Bereichen in das Halbleitersubstrat eingetrieben. -
2 zeigt, in Anlehnung an1 und unter weitgehender Verwendung der gleichen oder ähnlicher Bezugsziffern wie dort, eine komplexere Anordnung11 , mit der in der Oberfläche eines Solarzellensubstrats17 in einer Mehrzahl parallel ausgeführter Dotierstoff-Auftragsschritte eine Anordnung aus inselförmigen Dotierstoff-Auftragsbereichen17a ,17b ,17c gebildet wird. Hierzu sind an einem Portal15 drei Sprühdüsen13a ,13b ,13c angebracht, die je einen Sprühstrahl3aS ,3bS ,3cS erzeugen. Die mit dieser Anordnung realisierbare unterschiedliche Größe und Positionierung der Dotierstoff-Auftragsbereiche ist in der Figur lediglich symbolisch dargestellt; diese Darstellung hat keinen Bezug zu realen Dotierungsstrukturen kristalliner Solarzellen. - Zu Ihrer Realisierung ist den Sprühdüsen eine Steuereinheit
18 zur Bewegungsbahn- und Öffnungs-Steuerung18 zugeordnet, die für jede der Sprühdüsen einen eigenen Steuerkanal aufweist. Den Sprühdüsen13a ,13b ist eine gemeinsame Dotierstoffquelle19a zugeordnet, während der dritten Sprühdüse13c eine eigene Dotierstoffquelle19c zugeordnet ist. Hierdurch lässt sich der weiter oben erwähnte gleichzeitige Auftrag unterschiedlicher Dotierstoffe in geometrisch unterschiedlich vorbestimmten Konfigurationen realisieren. - Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- EP 1428899 A1 [0006]
- US 4003770 [0006]
- US 2008/0220558 A1 [0006]
Claims (11)
- Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, wobei in einem vorbestimmten oberflächennahen Bereich eines Halbleitersubstrats (
7 ), insbesondere eines Si-Wafers, eine Dotierung durch lokales Aufbringen eines Dotierstoffs mittels einer Sprühdüse (3 ;13a ;13b ;13c ) in einem Plasmasprühverfahren und einen nachgelagerten Eintreib- oder Epitaxieschritt erzeugt wird. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Dotierstoff dotierte Partikel des Halbleitermaterials, insbesondere dotierte Si-Partikel, benutzt werden.
- Verfahren nach Anspruch 2, wobei die dotierten Partikel des Halbleitermaterials im Sprühstrahl (
35 ) aufgeschmolzen werden und eine epitaktisch auf das Halbleitersubstrat aufwachsende lokal abgegrenzte dotierte Schicht (7a ;17a ;17b ;17c ) bilden. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Dotierstoff ein Dotand in Element- oder Oxidform benutzt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Dotierstoff dotierte Partikel eines glasartigen Materials benutzt werden.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Dotierstoff zur Erzeugung von n-dotierten Bereichen Phosphor enthält.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das lokale Aufbringen des Dotierstoffs maskenlos erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine Mehrzahl von dotierten Bereichen (
17a ;17b ;17c ) mit Insel- oder Bahnform mit lateralen Abmessungen gebildet wird, die durch den zeitabhängigen Offen-Zustand, die Öffnungsweite und Gestalt der Sprühdüse, deren Abstand zum Halbleitersubstrat und Bewegungen zwischen Sprühdüse und Halbleitersubstrat bestimmt sind. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Wandungen von Öffnungen im Halbleitersubstrat, insbesondere von Durchgangsöffnungen, als dotierte Bereiche ausgeführt werden.
- Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Plasmasprühvorrichtung (
1 ;11 ), die eine Sprühdüse (3 ;13a ;13b ;13c ) umfasst, und einer mit der Sprühdüse verbundenen Dotierstoffquelle (9 ;19a ;19c ). - Anordnung nach Anspruch 10, wobei die Plasmasprühvorrichtung (
11 ) eine Mehrzahl von Sprühdüsen (13a ;13b ;13c ) umfasst, die gemeinsam mit einer einzelnen Dotierstoffquelle oder mit jeweils einer separaten Dotierstoffquelle verbunden sind.
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