DE102012016298A1

DE102012016298A1 - Halbleiterbauelement mit einer Passivierungsschicht aus hydriertem Aluminiumnitrid sowie Verfahren zur Oberflächenpassivierung von Halbleiterbauelementen

Info

Publication number: DE102012016298A1
Application number: DE102012016298.7A
Authority: DE
Inventors: Winfried Wolke; Florian Wagner; Georg Krugel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-08-16
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2014-05-15
Also published as: EP2885819A2; WO2014027075A2; US20150206989A1; WO2014027075A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit Basisemitter und elektrischen Kontakten sowie mind. einer Passivierungsschicht, die aus hydriertem Aluminiumnitrid besteht oder dieses im Wesentlichen enthält. Ebenso betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Oberflächenpassivierung von Halbleiterbauelementen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit Basisemitter und elektrischen Kontakten sowie mind. einer Passivierungsschicht, die aus hydriertem Aluminiumnitrid besteht oder dieses im Wesentlichen enthält. Ebenso betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Oberflächenpassivierung von Halbleiterbauelementen.
Die industrielle Fertigung von Solarzellen unterliegt bereits rein aus Wettbewerbsgründen den Bestrebungen, Solarzellen mit möglichst hohem Wirkungsgrad, d. h. einer möglichst hohen elektrischen Stromausbeute aus dem auf die Solarzelle eintreffenden solaren Energiefluss herzustellen und zugleich den Fertigungsaufwand und damit eng verbunden die Herstellungskosten gering zu halten.
Zum näheren Verständnis der bei einer optimierten Fertigung von Solarzellen zu beachtenden Maßnahmen sollen die nachstehenden Ausführungen dienen:
Solarzellen sind Bauelemente, die Licht in elektrische Energie umwandeln. Üblicherweise bestehen sie aus einem Halbleitermaterial – meist werden Solarzellen aus Silizium gefertigt –, das n- bzw. p-dotierte Halbleiterbereiche aufweist. Die Halbleiterbereiche werden in an sich bekannter Weise als Emitter bzw. Basis bezeichnet. Durch auf die Solarzelle einfallendes Licht werden innerhalb der Solarzelle positive und negative Ladungsträger erzeugt, die an der Grenzfläche zwischen dem n- (Emitter) und p-dotierten (Basis) Halbleiterbereich, am sogenannten pn-Übergang räumlich voneinander getrennt werden. Mittels metallischer Kontakte die mit dem Emitter und mit der Basis verbunden sind, können diese voneinander getrennten Ladungsträger abgeführt werden.
In der einfachsten Form bestehen Solarzellen aus ganzflächigen Basis- und Emitterbereichen, wobei der Emitter auf der dem Licht zugewandten Seite, der Vorderseite der Solarzelle liegt.
Zur elektrischen Kontaktierung der Basis wird für gewöhnlich die Rückseite der Solarzelle mit einer ganzflächigen Metallschicht versehen, auf die geeignete Rückseitenkontaktleiterbahnen, bspw. Aus AgAl aufgebracht sind. Der Emitterbereich wird mit einem Metall-Grid kontaktiert mit dem Ziel, möglichst wenig Licht durch Reflexion am Metallkontakt für die Solarzelle zu verlieren, d. h. das Metall-Grid weist eine Fingerstruktur auf, um möglichst wenig Solarzellenfläche zu verdecken. Zur Optimierung der Leistungsausbeute der Solarzelle wird zudem versucht die optischen Verluste auf Grund von Reflexion möglichst klein zu halten. Erreicht wird dies zum einen durch die Abscheidung sogenannter Antireflexionsschichten (ARC) auf der Vorderseitenoberfläche der Solarzelle. Die Schichtdicke der Antireflexionsschichten ist so gewählt, dass sich im energetisch wichtigsten Spektralbereich gerade destruktive Interferenz des reflektierten Lichtes ergibt. Verwendete Antireflexmaterialien sind z. B. Titandioxid, Siliziumnitrid und Siliziumdioxid. Zur Aufbringung dieser Schichten gibt es verschiedene Ansätze, wie z. B. das thermische Auswachsen, die Beschichtung durch chemische Gasphasen Abscheidung (CVD) oder durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD). Eine weitere Möglichkeit der Reflexionsminderung besteht in der Strukturierung der vorderseitigen Oberfläche des Siliziumwafers.
Ein weiteres Merkmal von hocheffizienter Solarzellen sind schmale (< 40 μm) und hohe Vorderseitenkontakte (< 10 μm) mit niedrigem Kontakt- und Leitungswiderstand.
Die Oberflächen von Solarzellen hoher Wirkungsgrade zeichnen sich neben guten elektrischen Kontaktierungen zusätzlich durch eine niedrige Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit aus, d. h. die Wahrscheinlichkeit, dass Minoritätsladungsträger an die Oberfläche der Solarzelle gelangen und dort rekombinieren und somit nicht zur Energieerzeugung beitragen, wodurch es zu einer erheblichen Wirkungsgradreduktion kommt, ist gering.
Realisiert werden kann dies entweder dadurch, dass entweder wenige Minoritätsladungsträger an die Oberfläche gelangen, oder dass sie an der Oberfläche nur mit geringer Wahrscheinlichkeit rekombinieren.
Die Verhinderung der Migration der Minoritätsladungsträger an die Oberfläche kann dadurch realisiert werden, indem im Bereich der Oberfläche eine hohe Dotierung an Fremdatomen erzeugt wird oder dass auf die Oberfläche eine dielektrische Schicht aufgebracht wird und feste Ladungen in der Grenzebene zwischen Halbleiter und dielektrischer Schicht eingebaut werden. Eine hohe Dotierung ist durch die Emitterdotierung auf der Vorderseite in verschieden starker Ausprägung realisiert. Eine hohe Dotierung ist jedoch stets mit dem Nachteil verbunden, dass zwar die Rekombinationswahrscheinlichkeit an den Oberflächen der Solarzelle reduziert werden kann, dafür erhöht sich jedoch die Rekombinationswahrscheinlichkeit innerhalb der Solarzellenschicht. Ladungen können z. B. auch durch eine Schicht aus Siliziumnitrid, die besonders gut als Antireflexionsschicht dient, eingebaut werden. Die Anzahl der Ladungen wird durch den Wert Q_f charakterisiert.
Die Verringerung der Rekombination an der Oberfläche kann dadurch realisiert werden, dass die Oberflächenrekombinationszustände verringert werden, z. B. dadurch, dass an der Oberfläche aufgebrochene und somit nicht abgesättigte Siliziumbindungen durch eine Schicht aus amorphen Silizium, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid abgesättigt werden die, wie oben beschrieben, an der Vorderseite zum Teil auch als Antireflexschicht verwendet werden können. Die Anzahl der aufgebrochenen Bindungen wird durch die Störstellendichte D_it charakterisiert. Die Passivierung kann sowohl an der Vorder- als auch an der Rückseite angewendet werden und ist eines der wichtigsten Merkmale hocheffizienter Solarzellen.
Die Vor- und Nachteile der verschiedenen, dem aktuellen Stand der Technik entsprechenden Methoden zur Oberflächenpassivierung sollen im Folgenden erläutert werden:

1. Aufwachsen von Siliziumdioxid auf der Si-Oberfläche. Der sehr guten Passivierungswirkung (A. G. Aberle, Crystalline silicon solar cells – Advanced surface passivation and analysis, University of New South Wales (1999)) von thermischem Siliziumoxid auf p- und n-Typ Oberflächen stehen mehrere Nachteile gegenüber. Zum einen ist die Schicht durch einen Brechungsindex von n = 1.48 bei 600 nm nicht als Einzellagen-Anti-Reflex-Schicht auf der Vorderseite anwendbar. Zum anderen ist der Prozess des thermischen Schichtwachstums mit Raten im Bereich 1–5 nm/min im Vergleich zur PECVD und PVD Abscheidung von Si(O)N mit Raten um 1 nm/s deutlich langsamer und dadurch kostenaufwändiger. Durch das große thermische Budget können außerdem unerwünschte Veränderungen des Emitterprofils stattfinden. Nicht zuletzt muss bei der Oxidation immer beachtet werden, dass es sich prinzipiell nicht um einen gerichteten Prozess handelt. Ein Schichtwachstum auf nicht zu beschichteten Oberflächen kann also nur durch eine Diffusionsbarriere verhindert werden.
2. Beschichtung der Oberfläche mit hydriertem Siliziumnitrid (SiN:H) und/oder mit Siliziumoxynitrid (SiNO:H). Mittels CVD oder PVD Verfahren abgeschiedene Schichten aus SiN:H oder SiNO:H weisen hohe Abscheideraten und dadurch niedrige Herstellungskosten auf. Für diese Schichten liegt der Nachteil eher im Bereich der erreichbaren Passivierungsqualität in Abhängigkeit von Hochtemperaturprozessen, die der Beschichtung nachfolgen (S. W. Glunz, A. Grohe, M. Hermle, M. Hofmann, S. Janz, T. Roth, O. Schultz, M. Vetter, I. Martin, R. Ferré, S. Bermejo, W. Wolke, W. Warta, R. Preu, and G. Willeke. Comparison of different dielectric passivation layers for application in industrially feasible high-efficiency crystalline silicon solar cells. In Proceedings oft he 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2005, Barcelona, Spain: p. 572–7.). Bei optimierten Stapelsystemen aus Siliziumoxynitrid plus Siliziumnitrid zeigen sich Ergebnisse die die Verwendung auf n-Typ Oberflächen erbauen. (C. Schwab, M. Hofmann, J. Rentsch, R. Preu. Front surface passivation for industrialtype solar cells by silicon nitride stacks. In Proceedings oft he 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2010, Valencia, Spain). Die Verwendung von SiN:H zur Passivierung von p-Typ Oberflächen, wie z. B. der Rückseite von hocheffizienten Siliziumsolarzellen (mit p-Typ Basis) ist mit Schwierigkeiten verbunden. Der Grund liegt in der Ausbildung von festen positiven Ladungen in der SiN:H Schicht, die bei der Abscheidung auf p-Typ Oberflächen zu einer Umkehrung der Ladungsträgerverhältnisse (Inversion) an der Siliziumoberfläche führt. Dies hat ein Absinken des Wirkungsgrades der Solarzelle zur Folge, wenn diese Oberfläche wie bei Hocheffizienzsolarzellen üblich, lokal kontaktiert wird ohne dass eine Barriere für die Majoritäten der Inversionsschicht (Minoritäten in der Basis) zum Kontakt hin erzeugt wird. Es kommt dann zu einem Leckstrom (inversion layer shunting).
3. Beschichtung der Oberfläche mit Aluminiumoxid (AlO). Im Gegensatz zu SiN:H weist AlO eine hohe Anzahl an negativen Ladungen in der Schicht auf. Zusätzlich zu der hohen negativen Ladungsdichte Q_f werden bei der Abscheidung von AlO mittels PVD, CVD oder ALD niedrige Defektdichten D_it (um 1·10¹¹ eV^–1cm^–2) erreicht. Dies führt zu einer sehr guten Passivierungswirkung von AlO (On the c-Si surface passivation machanism by the negative charge dielectric Al203; B. Hoex, J. Giehlus, M. Sanden, W. Kessels, Journal of Applied Physics, 2008). Durch die negativen Ladungen ist die Verwendung auf p-Typ Oberflächen vorteilhaft, da sich eine Akkumulationszone ausbildet, die sogar leicht den Majoritätsfluss in die Kontakte unterstützt. Technische Nachteile des Aluminiumoxids hergestellt im CVD oder ALD Verfahren sind beispielsweise die notwendige Verwendung teurer organischer Precursor (üblicherweise TMAl, Tetramethylaluminium) für die Bereitstellung des Aluminiums. Darüber hinaus weist Aluminiumoxid einen für einige Anwendungen optisch ungünstigen Brechungsindex von 1,7 auf.

Ausgehend hiervon – war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Passivierung der Oberfläche von Solarzellen bereit zu stellen, die sich einfach in den Herstellungsprozess integrieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch die Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren zur Oberflächenpassivierung von Solarzellen mit dem Merkmal des Anspruchs 9 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildung auf.
Erfindungsgemäß wird eine Solarzelle mit Basis, Emitter und jeweils der Basis und dem Emitter elektrisch verbundenen metallischen Kontakten sowie mindestens einer Passivierungsschicht für die der Lichtquelle zugewandte, vorderseitige und/oder die der Lichtquelle abgewandte, rückseitige Oberfläche, bereitgestellt. Sinn und wesentlich ist hier, dass die mindestens eine Passivierungsschicht aus hydriertem Aluminiumnitrid besteht oder dieses im Wesentlichen enthält.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass eine derartig beschaffene Passivierungsschicht eine extrem niedrige Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit, gemessen mittels quasistationärer Fotoleitfähigkeit (engl. Quasisteady-state photo conductance QSSPC) und somit eine extrem hohe Lebensdauer der separierten Ladungsträger aufweist. Diese niedrige Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit kann nochmals reduziert werden, wenn eine thermische Behandlung der Passivierungsschicht(en) durchgeführt wird. Vorzugsweise weist die mindestens eine Passivierungsschicht einen Brechungsindex, gemessen mittels Ellipsometrie bei 600 nm, im Bereich von 1,9 bis 2,2 auf. Die erwähnten Messverfahren sind weiter unten stehend eingehender beschrieben.
Das bedeutet, dass sich hydriertes AlN sehr gut als Anti-Reflexions-Schicht verwenden lässt. Womit sich ein Vorteil gegenüber dem eingangs beschriebenen Verfahren 1 und 3 ergibt.
Auf der dem Emitter abgewandten Seite der Passivierungsschicht kann vorzugsweise mindestens eine weitere Schicht, insbesondere eine Schicht, die hydriertes Siliziumnitrid enthält oder aus diesem besteht, und/oder eine Siliziumoxidschicht und/oder eine Siliziumoxynitridschicht abgeschieden sein. Die Passivierungsschicht stellt somit eine erste Schicht in einem Stapelsystem aus mehreren Schichten dar. Ebenso ist eine iterative Anordung aus mehreren Passivierungsschichten und mehreren weiteren Schichten in einem Stapelsystem denkbar, z. B. eine abwechselnde Anordung aus 2–10 Passivierungsschichten und einer entsprechenden Anzahl weiterer Schichten. Aufgrund der Tatsache, dass die erwähnten weiteren Schichten, insbesondere die Silizium enthaltenden Schichten einen größeren Brechungsindex als die Passivierungsschicht(en) aufweisen, kann dadurch gleichzeitig eine Antireflexierung eines derartigen Schichtverbundes und somit eine Entspiegelung der Solarzelle erzielt werden.
Vorzugsweise weist das Halbleiterbauelement zwischen dem Halbleiterbauelement und der Passivierungsschicht eine native Oxidschicht oder eine Oxidschicht mit einer Dicke von kleiner oder gleich 3 nm auf.
Mindestens eine, bevorzugt jede Passivierungsschicht und/oder mindestens eine, bevorzugt jede weitere Schicht besitzt vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 1 bis 200 nm, insbesondere im Bereich von 30 bis 80 nm.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Oberflächenpassivierung von Solarzellen bereitgestellt, bei dem auf der der Lichtquelle zugewandten, vorderseitigen Oberfläche und/oder auf der der Lichtquelle abgewandten, rückseitigen Oberfläche des Halbleiterbauelementes mindestens eine Passivierungsschicht aus hydriertem Aluminiumnitrid mittels Gasphasenabscheidung aus einer Aluminium, Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre abgeschieden wird. Die prinzipiellen Bestandteile der Solarzellen entsprechen dabei den eingangs erwähnten.
Vorzugsweise erfolgt die Gasphasenabscheidung mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD), chemischer Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PE-CVD), chemischer Gasphasenabscheidung unter Atmosphärendruck (AP-CVD) oder Atomlagenabscheidung (ALD). Dies hat den Vorteil, dass PVD und CVD deutlich höhere Abscheideraten im Vergleich zum thermischen Wachsen aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat somit gegenüber dem eingangs beschriebenen Verfahren 1 einen deutlichen Herstellungskosten- und Durchsatzvorteil.
Bei der Gasphasenabscheidung wird dabei vorzugsweise Stickstoff und Wasserstoff in atomarer und/oder molekularer Form, insbesondere N₂, H₂ und/oder NH₃ eingesetzt. Dies hat gegenüber dem eingangs beschriebenen Verfahren 3 den Vorteil, dass beim Sauerstoff als Prozessgas benutzt wird. Sauerstoff ist, bei vergleichbarer Reinheit, zum einen um eine Größenordnung teurer als Stickstoff, zum anderen ist es wesentlich kritischer in Bezug auf Sicherheitsaspekte, wie z. B. der Explosionsgefahr bei gleichzeitiger Verwendung von Sauerstoff und Wasserstoff (bei der Abscheidung von wasserstoffhaltigen AlO:H Schichten). Das erfindungsgemäße Verfahren weist somit deutliche Kostenvorteile und eine einfachere prozesstechnische Handhabung gegenüber Verfahren 3 auf. Zudem ist, wie oben beschrieben, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Gegensatz zu Verfahren 3 die Verwendung als Anti-Reflex-Schicht möglich.
Als nicht-reaktives Gas, das insbesondere bei den physikalischen Gasabscheideverfahren eingesetzt wird, wird bevorzugt ein Edelgas, insbesondere Argon verwendet.
Vorzugsweise erfolgt die Einbringung des Wasserstoffs in die Passivierungsschicht mit mindestens einer der folgenden Techniken:

– Inkorporation oder Implantierung während der Gasphasenabscheidung,
– Einbringung mittels Diffusion aus der Gasphase oder aus einer Wasserstoff enthaltenden Schicht, die auf der Passivierungsschicht abgeschieden wird.

Es ist weiter bevorzugt, dass bei der Gasphasenabscheidung Aluminium in atomarer oder molekularer Form, insbesondere Trimethylaluminium (TMA), eingesetzt oder generiert wird.
Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass nach der Gasphasenabscheidung die Passivierungsschicht einer Temperaturbehandlung bei Temperaturen von 350 bis 900°C unterzogen wird.
Eine derartige Temperaturbehandlung kann beispielsweise als Rapid Thermal Processing (RTP) ausgestaltet sein; hierbei wird eine kurze thermische Behandlung bei hohen Temperaturen durchgeführt, z. B. eine Behandlung bei Temperaturen zwischen 700°C und 900°C, bevorzugt zwischen 800°C und 900°C über einen Zeitraum von 0,1 bis 10 s, bevorzugt 0,1 bis 5 s.
Ebenso ist jedoch auch eine Temperaturbehandlung über einen längeren Zeitraum und bei niedrigeren Temperaturen möglich und zielführend, hierbei wird vom sogenannten „annealing” gesprochen. Eine derartige Behandlung wird bevorzugt im Temperaturbereich von 350°C und 600°C, bevorzugt 350°C und 450°C über einen Zeitraum von 0.5 min bis 1 h, bevorzugt 1 min bis 15 min durchgeführt.
Die Temperaturbehandlung führt zu einer deutlich verringerten Störstellendichte in der Passivierungsschicht, die bevorzugt 1 × 10¹³ eV^–1cm^–2, weiter bevorzugt < 10 × 10¹⁰ eV^–1cm^–2, bevorzugt < 5 × 10¹⁰ eV^–1cm^–2 beträgt.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
1 zeigt den schematischen Aufbau einer hocheffizienten Solarzelle nach dem Stand der Technik.
2 zeigt ein Diagramm der Abhängigkeit des Extinktionseffizienten von der Wellenlänge für gespatterte Schichten von hydriertem Aluminium der Abhängigkeit des Extinktionskoeffizienten von der Wellenlänge für gespatterte Schichten von hydriertem Aluminiumnitrid und hydriertem Siliziumnitrid.
3 zeigt ein Diagramm der Abhängigkeit des Berechnungsindex von der Wellenlänge für Schichten von gespattertem hydriertem Aluminiumnitrid und hydriertem Siliziumnitrid.
4 zeigt anhand eines Diagramms im Vergleich die Ladungsträgerlebensdauer von mit hydriertem Aluminiumnitrid passivierten Solarzellen vor und nach einem Hochtemperaturschritt.
In der 1 ist eine Solarzelle dargestellt, die in der Beschreibungseinleitung als Stand der Technik beschrieben worden ist. Hierin ist eine hocheffiziente Solarzelle 1 abgebildet, die neben der Basis 2 und dem Emitter 3 Passivierungsschichten 4 und 5 jeweils an der Vorderseite 1' und Rückseite 1'' der Solarzelle aufweisen. Die Vorderseite weist dabei eine Texturierung 6 in Form von invertierten oder auch zufälligen Pyramiden auf. Weiterhin ist auf der Vorderseite ein Metallisierungsgitter 7 aufgebracht, der mit dem selektiven Emitter 8 verbunden ist. Auf der Rückseite ist neben der Passivierungsschicht 4 ein sogenanntes lokales Back Surface Field 9 angeordnet. Abschließend finden Sie auf der Rückseite eine Metallsierung 10.
Im Gegensatz zu Verfahren 1 soll die AlN:H Schicht nicht thermisch aufgewachsen werden sondern mittels CVD Verfahren oder PVD Verfahren (z. B. durch Argon-Sputtern eines Aluminiumtargets unter Zusatz von Stickstoff/Ammoniak und Wasserstoff) abgeschieden werden. Bei der Hochtemperaturprozessierung von mit AlN:H passivierten Siliziumoberflächen erfolgt eine deutliche Verbesserung der Oberflächenpassivierung. Die mit dem Verfahren 2 erreichbare Absättigung der Störstellen nach einem Hochtemperaturschritt liegt in einem Bereich von 1–5·10¹² eV^–1cm^–2. Bei der erfindungsgemäße Siliziumwafern mit AlN:H, konnte eine sehr niedrige Störstellendichte von unter 5·10¹⁰ eV^–1cm^–2 nach einem Hochtemperaturschritt beobachtet werden. Dies erklärt die gute Qualität der Passivierung. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass in Hinsicht auf die thermische Stabilität das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber dem Verfahren 2 von deutlichem Vorteil ist.
Für das erfindungsgemäße Verfahren wird Stickstoff und Wasserstoff und/oder Ammoniak als Quellgas benötigt.
In dem Diagramm gemäß 2 sind die wellenlängen abhängigen Brechungsindices von gesputtertem AlN:H und gesputtertem SiN:H dargestellt.
3 zeigt die Wellenlängen abhängige Extinktionskoeffizienten von gesputtertem AlN:H und gesputtertem SiN:H.
Bezüglich der Messverfahren zur Bestimmung der Brechungsindices sowe Extinktionskoeffizienten wird auf die weiter unten stehenden Ausführungen verwiesen.
In 4 zeigt das dort abgebildete Diagramm die Ergebnisse einer quasi stationären Fotoleitfähigkeitsmessung (QSSPC) von einem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement, dass eine Passivierung aus hydriertem Aluminiumnitrid aufweist. Hierbei erfolgte ein Vergleich der Ladungsträgerlebensdauer vor und nach dem Temperaturbehandlungsschritt bei 800°C über 1 s. Es zeigt sich hierbei deutlich, dass die Ladungsträgerlebensdauer durch den Hochtemperaturbehandlungsschritt von 200 Mikrosekunden auf 600 Mikrosekunden erhöht werden konnten. Zusätzlich kann vor oder nach der Temperaturbehandlung eine Druckbehandlung durchgeführt werden. Die Messmethodik (QSSPC) wird nachfolgend eingehender beschrieben.
Spektral aufgelöste Ellipsometrie
Die spektral aufgelöste Ellipsometrie ist ein Verfahren zur Untersuchung der optischen Eigenschaften von dünnen Schichten. Es erlaubt die Bestimmung der Schichtdicke und des komplexen Brechungsindexes. N ~(λ) = n(λ) + ik(λ) mit

n: Realteil des Brechungsindex,
k: Extinktionskoeffizient: Imaginärteil des Brechungsindex.

k ist ein Maß für die Absorption α in dem Material α(λ) = 4πk(λ) / λ
Das Messprinzip ist 5 abgebildet. Bei der Ellipsometrie wird Licht mit bekannter Polarisation, d. h. bekanntem Betrag der vektoriellen Komponenten „s-plane” und „p-plane”, unter definiertem Winkel („plane of incidence”) zu einer Probe geführt (I). Beim Durchgang durch die zu untersuchende Schicht wird die Polarisation des Lichtes verändert (II), d. h. es findet eine Änderung des Betrags der vektoriellen Komponenten „s-plane” und „p-plane” statt. Danach wird der Zustand der Polarisation gemessen (III).
Wenn Licht auf eine Probe mit einer dünnen Schicht (siehe 6, die das Prinzip der Lichtreflektion an einer dünnen Schicht der Dicke d auf einem Substrat darstellt; hierbei hat die dünne Schicht die Brechzahl N₂, das Substrat die Brechzahl N₃ und das umgebende Medium die Brechzahl N₁) trifft, treten typischerweise mehrfache Reflexionen an der Oberfläche der Schicht auf. Dabei findet eine Interferenz des einfallenden Lichtes durch Reflexion an den jeweiligen Grenzflächen der dünnen Schicht, beispielsweise an der Grenzfläche zu Luft oder Vakuum (Brechzahl N₁) oder zum Medium, auf dem die dünne Schicht aufgewachsen ist (Brechzahl N₃) statt. Jede weitere Transmission zurück in das Medium 1 wird in Bezug auf die Intensität kleiner sein als die vorangegangene. Die unendliche Serie an Partialwellen bildet zusammen die die resultierende reflektierte Welle.
Polarisiertes Licht kann durch zwei Vektoren E →_s und E →_p die senkrecht aufeinander stehen beschrieben werden. E →_p ist parallel zur Einfallsebene (p = parallel), E →_s ist senkrecht zur Einfallsebene (s = senkrecht).
Fresnel zeigte, dass reflektiertes polarisiertes Licht wie folgt beschrieben werden kann
mit

ψ: Amplitudenverhältnis,
Δ: Phasendifferenz,
R_p: Reflektionskoeffizient des p-polarisierten Lichtes,
R_s: Reflektionskoeffizient des s-polarisierten Lichtes.

Der Reflektionskoeffizient kann aus folgenden Formeln gewonnen werden
mit

δ_i: Phasenwinkel des einfallenden Lichtes,
δ_r: Phasenwinkel des reflektierten Lichtes.

Eine ellipsometrische Messung liefert experimentelle Datensätze von Ψ_exp und Δ_exp. Um die gewünschten Werte wie. Z. B. Schichtdicke und Brechungsindex zu bestimmen, wird eine Fitprozedur unter Ausnutzung eines Models des realen physikalischen Systems durchgeführt. Für das Model werden Sätze von Ψ_exp und Δ_exp berechnet und mit den Messdaten verglichen. Daraufhin wird eine kleine Veränderung am Model vorgenommen und erneut mit den Messdaten verglichen. Diese Prozedur wird mehrfach durchgeführt bis ein Minimum im Unterschied zwischen dem angewendeten Model und den Realdaten erreicht wird. Der Unterschied zwischen den Real- und Modeldaten wird mathematisch durch Anwendung des mittleren quadratischen Fehlers (MSE) behandelt:
Als Beispiel: Das einfache Cauchy Model für den Realteil des Brechungsindex ist eine begrenzte Reihenentwicklung
Dieses Model kann oft erfolgreich für nicht absorbierende Schichten angewendet werden.
Quasistatische Lebensdauermessung (QSSPC) nach der Methode von Sinton
Die WCT-100, auch unter dem Namen Sinton-Apparatur bekannt, wurde von Ronald A. Sinton entwickelt. Sie ermöglicht das Bestimmen der injektionsabhängigen effektiven Ladungsträgerlebensdauer τeff(Δn).
Die Apparatur basiert auf der Leistungsabsorption von Halbleitern (in unserem Fall Silizium-Wafer), die dem magnetischen Wechselfeld eines Parallel-Schwingkreises ausgesetzt sind. Durch die induktive Kopplung des Si-Wafers an das oszillierende Magnetfeld werden in ihm Wirbelströme erzeugt. Die begrenzte Leitfähigkeit des Si-Wafers bedingt, dass ein Teil der induzierten Energie als Wärme abgestrahlt wird. Die Leitfähigkeit des Wafers ist in dem für die Auswertung relevanten Bereich direkt proportional zu der Anzahl der freien Ladungsträger im Wafer. Durch kurzzeitige Bestrahlung mit Licht einer Blitzlampe werden im Wafer zusätzliche freie Ladungsträger generiert und die Leitfähigkeit des Wafers erhöht. Also wird so der Energieverlust des Schwingkreises erhöht. Diesen zusätzlichen Verlust kann man als neuen Widerstand r(t) im Schwingkreis interpretieren. Ein Ersatzschaltbild einer derartigen Apparatur ist in 7 dargestellt: Gezeigt ist ein Schwingkreis einer Anordnung, die der Sinton-Apparatur prinzipiell ähnlich ist, mit L, C, den ohmschen Widerständen jedes Zweiges R_L, R_C und dem Widerstand des Wafers R_W, unterteilt in den unbeleuchteten Teil R₀ und den durch lichtinduzierte Ladungen erzeugten r(t).: R_W = R₀ + r(t), wobei R₀ für den Widerstand des Wafers im unbeleuchteten Zustand steht.
Mit der Güte des Schwingkreises mit unbeleuchtetem Wafer
gilt im beleuchteten Zustand:
Durch Vernachlässigung der Terme höherer Ordnung der eckigen Klammer entsteht: Q(t) = Q₀'[1 - kε(t)] mit ε als der zusätzlichen lichtinduzierten Leitfähigkeit des Wafers und der Konstante k, die sehr viel kleiner als 1 ist.
8a zweigt ein schematisches Schaltbild einer Anordnung, die der Sinton-Apparatur prinzipiell ähnlich ist (RFC = Radio Frequency Choke (engl. für Radiofrequenz-Drossel), JFET = Junction Field Effect Transistor (engl. für Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor)). Da die WCT-100 ein kommerzielles Produkt ist, ist der genaue Schaltplan nicht bekannt.
8b zweigt ein schematisches Schaltbild einer Anordnung, die der Sinton-Apparatur prinzipiell ähnlich ist. Durch Veränderung des variablen Widerstandes und der variablen Kapazität wird ein Abgleich der Leitfähigkeit des Wafers aufgrund thermischer Anregung durchgeführt, sodass die rein durch die Lichtanregung erzeugten Ladungsträger gemessen werden können.
Die Spannungsamplitude des Schwingkreises (= Amplitude der Gatespannung des JFET, siehe ) Vg ist proportional zu Q(t). Der Spannungsamplitudenunterschied zwischen beleuchtetem und unbeleuchtetem Wafer ist somit proportional zum photoinduzierten Anstieg in der Leitfähigkeit des Wafers.
Um die Spannung V_g möglichst ohne Beeinflussung des Schwingkreises messen zu können, bilden der Transistor und die Kapazität C₀ einen infiniten Impedanzdetektor mit der (abgreifbaren) Ausgangsspannung V₀.
Die Amplitude von V₀ wurde zu
bestimmt. Dies gilt mit dem verketteten magnetischen Fluss Ψ, dem Winkel des leitenden Zustandes des Transistors ϕ und der Transistor-Schwellspannung VT.
Durch die vorangegangenen Gleichungen ist nun ein Zusammenhang zwischen der lichtinduzierten Leitfähigkeitserhöhung des Wafers ε und der Ausgangsspannungsamplitude V₀ hergestellt.
Die mathematische Verbindung zwischen ε und der Injektionsdichte Δn ist durch ε = q·Δn·(μ_n + u_p)·W mit der Elementarladung q, den Elektronen- bzw. Löcher-Mobilitäten μn und μp und der Waferdicke W gegeben.
Somit ist ein Zusammenhang zwischen Δn und V₀ dargestellt und der zeitliche Verlauf von Δn indirekt messbar.
Es existieren verschiedene Auswerteverfahren für die effektive Lebensdauer. Beider quasistatischen Messung wird die Beleuchtungszeit sehr groß gegenüber der Trägerlebensdauer gewählt. Diese Messmethode ist am besten für eher kleine Lebensdauern geeignet. Dabei gilt τ_{eff .steady}(Δn) = Δn / G
Genau umgekehrt wird bei der quasitransienten Messung verfahren. Dort wird der Wafer einer nur sehr kurzzeitigen Beleuchtung im Vergleich zur Ladungsträgerlebensdauer ausgesetzt. Daraus ergibt sich die effektive Ladungsträgerlebensdauer zu: τ_{eff .trans}(Δn) = – Δn / d(Δn)/dt
Beide Messmethoden haben den Nachteil, dass sie jeweils nur für einen bestimmten Lebensdauerbereich gute, d. h. fehlerarme, Ergebnisse liefern. Von H. Nagel et al. wurde deshalb die generalisierte Messung vorgeschlagen, die unabhängig von der Beleuchtungszeit und der Lebensdauer richtige Ergebnisse liefert. Die Lebensdauer bestimmt sich hier über
Diese Gleichung ergibt sich aus
Die Messungen in dieser Arbeit wurden mit der generalisierten Methode durchgeführt.
Durch die zeitliche Intensitätsverteilung des Lichtblitzes, der eine Generation von zusätzlichen freien Ladungsträgern erzeugt, können mit einem Messvorgang mehrere Lebensdauerpunkte bei unterschiedlichen Injektionsdichten gemessen werden. So ist die Bestimmung der Abhängigkeit der Lebensdauer von der Injektion in einem weiten Injektionsbereich möglich. In Abbildung B4 ist ein Beispiel eines zeitlichen Verlaufes der Beleuchtungsintensität und der Photoleitfähigkeit, der mit der Sinton-Appartur aufgenommen wurde, dargestellt.
In der Praxis wird anhand von Kalibrierproben die lichtinduzierte Leitfähigkeit der Proben mit der am Ausgang der Messapparatur beobachteten Spannung korreliert.
9 zeigt ein Beispiel eines Beleuchtungs- und Photoleitfähigkeitsverlaufes; aufgenommen mit der Sinton-Apparatur.
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 Nicht-Patentliteratur

A. G. Aberle, Crystalline silicon solar cells – Advanced surface passivation and analysis, University of New South Wales (1999) [0011]
S. W. Glunz, A. Grohe, M. Hermle, M. Hofmann, S. Janz, T. Roth, O. Schultz, M. Vetter, I. Martin, R. Ferré, S. Bermejo, W. Wolke, W. Warta, R. Preu, and G. Willeke. Comparison of different dielectric passivation layers for application in industrially feasible high-efficiency crystalline silicon solar cells. In Proceedings oft he 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2005, Barcelona, Spain: p. 572–7 [0011]
C. Schwab, M. Hofmann, J. Rentsch, R. Preu. Front surface passivation for industrialtype solar cells by silicon nitride stacks. In Proceedings oft he 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2010, Valencia, Spain [0011]
On the c-Si surface passivation machanism by the negative charge dielectric Al203; B. Hoex, J. Giehlus, M. Sanden, W. Kessels, Journal of Applied Physics, 2008 [0011]
H. Nagel et al. [0066]

Claims

Solarzelle mit Basis, Emitter und jeweils mit der Basis und dem Emitter elektrisch verbundenen metallischen Kontakten sowie mindestens einer Passivierungsschicht für die der Lichtquelle zugewandte, vorderseitige und/oder die der Lichtquelle abgewandte, rückseitige Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Passiverungsschicht aus hydriertem Aluminiumnitrid besteht oder dieses im Wesentlichen enthält.
Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Passivierungsschicht einen Brechungsindex, gemessen mittels Ellipsometrie bei 600 nm, im Bereich von 1,9 bis 2,2 aufweist.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Passivierungsschicht mindestens eine weitere Schicht, insbesondere eine hydriertes Siliciumnitrid enthaltende oder aus diesem bestehende Schicht, eine Siliciumoxidschicht oder eine Siliciumnitridoxidschicht, abgeschieden ist.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Halbleiterbauelement und der Passivierungsschicht das Halbleiterbauelement eine native Oxidschicht oder eine Oxidschicht mit einer Dicke von weniger als 3 nm aufweist.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Passivierungsschicht eine Schichtdicke von 1 bis 200 nm, insbesondere von 30–80 nm aufweist.
Verfahren zur Oberflächenpassivierung von Solarzellen, bei dem auf der der Lichtquelle zugewandten, vorderseitigen Oberfläche und/oder auf der der Lichtquelle abgewandten, rückseitigen Oberfläche des Halbleiterbauelementes mindestens eine Passivierungsschicht aus hydriertem Aluminiumnitrid mittels Gasphasenabscheidung aus einer Aluminium, Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre abgeschieden wird.
Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasphasenabscheidung mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD), chemischer Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PE-CVD), chemischer Gasabscheidung bei Atmosphärendruck (AP-CVD) oder Atomlagenabscheidung (ALD) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Gasphasenabscheidung Stickstoff und Wasserstoff in atomarer und/oder molekularer Form, insbesondere N₂, H₂ und/oder NH₃, eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung des Wasserstoffs in die Passivierungsschicht mit mindestens einer der folgenden Techniken erfolgt: – Inkorporation oder Implantierung während der Gasphasenabscheidung, – Einbringung mittels Diffusion aus der Gasphase oder aus einer Wasserstoff enthaltenden Schicht, die auf der Passivierungsschicht abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Gasphasenabscheidung Aluminium in atomarer oder molekularer Form, insbesondere Trimethylaluminium (TMA), eingesetzt oder generiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Gasphasenabscheidung die Passivierungsschicht einer Temperaturbehandlung bei Temperaturen von 350 bis 900°C unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11 zur Herstellung einer Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Verwendung von hydriertem Aluminiumnitrid als Passivierungsschicht für Solarzellen.