DE102012102745A1 - Process for producing a solar cell and solar cell - Google Patents

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Markus Fiedler
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle und eine solche selbst. Die Solarzelle umfasst ein Siliciumsubstrat mit strahlenzugewandter Vorderseite und einer Rückseite, einer entlang der Rückseite verlaufenden ersten dielektrischen Schicht, einer entlang substratabgewandter Seite der ersten dielektrischen Schicht verlaufenden zweiten dielektrischen Schicht bestehend aus einem Material aus der Gruppe Siliciumnitrid, Siliciumoxid, Siliciumoxinitrid sowie einer sich entlang substratabgewandter Seite der zweiten dielektrischen Schicht erstreckenden Metallschicht. Um die Solarzelle mit besonders hohem Wirkungsgrad reproduzierbar mit weniger Prozeßschritten herstellen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Rückseite des Substrats einen Glanzwert bei 60° Einstrahlungswinkel im Bereich zwischen 20% und 80% aufweist und dass die erste dielektrische Schicht freie negative Ladungsträger enthält.The invention relates to a method for producing a solar cell and to such itself. The solar cell comprises a silicon substrate with a front side facing the radiation and a rear side, a first dielectric layer running along the rear side, a second dielectric layer running along the substrate side facing away from the first dielectric layer of a material from the group consisting of silicon nitride, silicon oxide, silicon oxynitride and a metal layer extending along the substrate side of the second dielectric layer. In order to produce the solar cell reproducibly with particularly high efficiency with fewer process steps, it is proposed that the back side of the substrate has a gloss value at 60 ° irradiation angle in the range between 20% and 80% and that the first dielectric layer contains free negative charge carriers.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle sowie eine SolarzelleThe invention relates to a method for producing a solar cell and a solar cell

In den letzten Jahren wurden eine Reihe Versuchen unternommen und Verfahren entwickelt um den Wirkungsgrad von Solarzellen, insbesondere von Silizium basierten Solarzellen zu verbessern.In recent years, a number of attempts have been made and methods developed to improve the efficiency of solar cells, in particular of silicon-based solar cells.

Aus der EP 1489667 A2 und der EP 1763086 A1 erlangt man Kenntnis über die Möglichkeit die Zeitdauer bis zur Rekombination der freien Ladungsträger und damit die Rekombinationsrate und damit wiederum den Wirkungsgrad zu erhöhen, in dem auf der Licht abgewandten Seite eine dielektrische Schicht zwischen dem Siliziumsubstrat und der Metallisierung aufgebracht wird.From the EP 1489667 A2 and the EP 1763086 A1 One acquires knowledge about the possibility of increasing the time until the recombination of the free charge carriers and thus the recombination rate and thus in turn the efficiency, in which on the side facing away from the light, a dielectric layer between the silicon substrate and the metallization is applied.

Die EP 1763086 A1 beschreibt die Verwendung eines dielektrischen Schichtsystems bestehend aus SiO2 und einer darauf abgeschiedenen SiN Schicht zur elektrischen Passivierung der Solarzellenrückseite.The EP 1763086 A1 describes the use of a dielectric layer system consisting of SiO 2 and a SiN layer deposited thereon for electrical passivation of the solar cell rear side.

Eine Ausführungsform der in der EP 1489667 A2 offenbarten Lehre verwendet zur dielektrischen Passivierung der Solarzellenrückseite eine Verbindung, die Al2O3 und SiO2 umfasst.An embodiment of the in the EP 1489667 A2 In accordance with the disclosed teaching, for the dielectric passivation of the solar cell back side, a compound comprising Al 2 O 3 and SiO 2 is used.

Die DE 3815 512 A1 offenbart eine Solarzelle aus einem einen n + p-Übergang enthaltenden dotierten Halbleiterkörper, der auf der Rückseite ganzflächig mit einer Kontaktschicht bedeckt ist. Auf der Rückseite des Halbleiterkörpers ist zusätzlich ganzflächig eine Oxidschicht aufgebracht.The DE 3815 512 A1 discloses a solar cell made of a n + p junction-containing doped semiconductor body, which is covered over its entire surface with a contact layer on the back. On the back of the semiconductor body, an oxide layer is additionally applied over the entire surface.

Die Literatur zu hocheffizienten Solarzellenstrukturen auf Basis von kristallinem Silicium weist als wesentliches Merkmal für die Erzielung hoher Wirkungsgrade eine dielektrische Passivierung der Oberflächen aus, wobei lediglich an definierten Stellen eine Verbindung zwischen einem Metallkontakt und Silicium hergestellt wird (vgl. M. A. Green, Silicon Solar Cells, 1995 ).The literature on highly efficient solar cell structures based on crystalline silicon has, as an essential feature for achieving high efficiencies, a dielectric passivation of the surfaces, wherein only at defined locations a connection between a metal contact and silicon is produced (cf. MA Green, Silicon Solar Cells, 1995 ).

Während auf der Vorderseite notwendigerweise die Metallisierung immer strukturiert ausgebildet ist, werden bei industriellen Solarzellen häufig die Rückseiten mit einer ganzflächigen Verbindung von Silicium und Metall unter Ausbildung eines Rückseitenfelds (back surface field, BSF) zur Reduzierung der Rekombination hergestellt. Wesentliche Hindernisse bei der industriellen Umsetzung von Prozessen zur Wirkungsgradsteigerung durch dielektrische Passivierung der Zellrückseite sind die hohen Kosten der dafür erforderlichen zusätzlichen Herstellschritte, sowie die Schwierigkeit, in industriellen Prozessen eine ausreichende elektronische Güte der entstehenden Schichten und Kontakte zu erzielen.While metallization is necessarily always patterned on the front, in industrial solar cells the backs are often fabricated with a full area interconnection of silicon and metal to form a back surface field (BSF) to reduce recombination. Major obstacles in the industrial implementation of processes to increase the efficiency by dielectric passivation of the cell backside are the high cost of the additional manufacturing steps required for this, as well as the difficulty in industrial processes to achieve a sufficient electronic quality of the resulting layers and contacts.

Die Unterdrückung von Oberflächenrekombination in Solarzellen aus Silicium erfolgt durch zwei Mechanismen. Durch chemische Absättigung von elektronischen Bindungen des Siliciums werden diese passiviert, d. h. sie verursachen keine elektronische Rekombination. Hierfür kommen Schichten in Frage, die eine elektronische Bandlücke aufweisen, also Halbleiter oder Dielektrika.Suppression of surface recombination in silicon solar cells occurs through two mechanisms. By chemical saturation of electronic bonds of the silicon they are passivated, d. H. they do not cause electronic recombination. For this purpose, layers that have an electronic band gap, ie semiconductors or dielectrics, are suitable.

Durch Aufbringen elektrisch geladener Schichten kann zudem aufgrund ihrer Feldwirkung die Konzentration einer Ladungsträgerart an der Oberfläche stark reduziert werden, was ebenfalls die Rekombination unterdrückt (Feldeffektpassivierung). Wie aus der Literatur bekannt, bilden verschiedene Dielektrika in Kontakt mit Silicium eine Oberflächenladung aus, insbesondere Siliciumoxid (schwach positiv), Siliciumnitrid (positiv) und Aluminiumoxid (negativ). Abhängig vom gewählten Abscheideverfahren wird diese Ladung unter Umständen erst nach einem Temperschritt ausgebildet.By applying electrically charged layers, the concentration of a charge carrier type on the surface can also be greatly reduced due to their field effect, which also suppresses the recombination (field effect passivation). As known in the literature, various dielectrics in contact with silicon form a surface charge, particularly silicon oxide (weak positive), silicon nitride (positive), and aluminum oxide (negative). Depending on the chosen deposition process, this charge may be formed after an annealing step.

Um die Oberfläche passivieren zu können, ist es zunächst erforderlich, den aus dem Herstellprozess der Wafer herrührenden Oberflächenschaden zu entfernen. Dies geschieht, indem man die Waferoberfläche in einer sauren oder alkalischen Lösung ätzt.In order to be able to passivate the surface, it is first necessary to remove the surface damage resulting from the production process of the wafer. This is done by etching the wafer surface in an acidic or alkaline solution.

Dabei kann die Ätzlösung je nach Verfahren jeweils polierend oder aufrauend eingestellt werden. Eine besonders glatt geätzte Oberfläche bietet den Vorteil einer geringeren Rekombination, raue Oberflächen erweisen sich dagegen für die Solarzellenvorderseite als vorteilhaft, da die Reflexion reduziert wird.Depending on the method, the etching solution can be adjusted to be polishing or roughening. A particularly smoothly etched surface offers the advantage of a lower recombination, rough surfaces, however, prove to be advantageous for the solar cell front side, since the reflection is reduced.

Für monokristallines Silicium bietet es sich an, die Oberfläche von <100>-orientierten Wafern alkalisch in der Weise zu ätzen, dass <111>-orientierte Facetten ausgebildet werden, was zu einer Struktur der Oberfläche in Form von Pyramiden führt. Für multikristallines Silicium ist dies auch möglich, jedoch werden die Körner dann aufgrund ihrer unterschiedlichen Kristallorientierung ungleichmäßig texturiert. Deswegen wird im Allgemeinen eine saure sogenannte Isotextur verwendet, die zu einer gleichmäßigeren Aufrauung führt.For monocrystalline silicon, it is a good idea to etch the surface of <100> oriented wafers alkaline in such a way that <111> -oriented facets are formed, which leads to a structure of the surface in the form of pyramids. For multicrystalline silicon, this is also possible, but the grains are then textured unevenly due to their different crystal orientation. Therefore, an acidic so-called isotexture is generally used, which leads to a more uniform roughening.

Die Texturierung der Vorderseite in Kombination mit der Glattätzung der Rückseite stellt hinsichtlich des Solarzellenwirkungsgrades das Optimum dar. Diese Kombination erfordert jedoch, dass mindestens einer der beiden Prozesse einseitig angewandt wird, was einen erheblichen anlagentechnischen Aufwand darstellt. Im Allgemeinen wird man nur einen der beiden Prozesse einseitig anwenden; dies geschieht auch deshalb, weil eine lediglich einseitige Entfernung der durch den Oberflächenschaden induzierten Spannungen zu einer starken Verbiegung des Wafers führt.The texturing of the front side in combination with the smooth etching of the back side represents the optimum with regard to the solar cell efficiency. However, this combination requires that at least one of the two processes is applied on one side, which represents a considerable investment outlay. In general, only one of the two processes will be applied one-sidedly; This is also because a merely one-sided removal of the by the Surface damage induced stresses leads to a strong bending of the wafer.

Zur Herstellung einer rückseitig passivierten Solarzelle ist es erforderlich, dass ein Emitter lediglich auf einer der beiden Seiten, im Allgemeinen der Vorderseite, ausgebildet wird. Bei der Aufbringung von Dotierstoffen aus der Gasphase geschieht dies jedoch zunächst beidseitig. Werden feste oder flüssige Dotierquellen verwendet, so erfolgt dies einseitig, allerdings ist auch dabei mit einem gewissen Umgriff der Dotierung auf die Waferrückseite zu rechnen.In order to produce a back-passivated solar cell, it is necessary that an emitter be formed only on one of the two sides, generally the front side. In the application of dopants from the gas phase, however, this happens initially on both sides. If solid or liquid doping sources are used, this is unilaterally, but it is also to be expected that the doping on the wafer backside will be somewhat bypassed.

Um dies zu vermeiden, kann die Waferrückseite vor der Dotierung mit einer Schutzschicht versehen werden. Meistens wird in industriellen Prozessen jedoch nach der Dotierung eine Schicht von der Waferrückseite entfernt, deren Dicke etwas größer als die Eindringtiefe des Dotanden ist, also typischerweise zwischen 0,5 und einigen μm.To avoid this, the wafer backside can be provided with a protective layer before doping. In industrial processes, however, after doping, a layer is removed from the back of the wafer whose thickness is slightly greater than the penetration depth of the dopant, ie typically between 0.5 and a few μm.

Zur elektronischen Passivierung der Solarzellenrückseite ist eine Schicht zu finden, die eine günstige Kombination zwischen Feldeffektpassivierung und Bindungsabsättigung bietet. Wie aus der Literatur bekannt, lässt sich mit Siliciumoxid eine sehr gute Passivierung herstellen, dieses kann durch thermische Oxidation des Siliciums erzeugt oder per CVD-Verfahren abgeschieden werden.For electronically passivating the back of the solar cell, a layer is found that offers a favorable combination between field effect passivation and bond saturation. As known from the literature, very good passivation can be produced with silicon oxide, which can be produced by thermal oxidation of the silicon or deposited by CVD processes.

Jedoch bietet SiOx nur eine geringe Widerstandsfähigkeit gegen das Durchsintern der rückseitigen Metallschicht in dem für die Kontaktausbildung erforderlichen Temperschritt. Siliciumnitrid ist in Verbindung mit Metallen wesentlich stabiler, jedoch erzeugt es aufgrund seiner hohen positiven Ladungsdichte eine influenzierte n-leitende sogenannte Inversionsschicht. In dieser Schicht werden Minoritätsladungsträger der Basis gesammelt und zu den Metallkontakten geleitet, wo sie durch Rekombination verloren gehen (Lit.: Dauwe). Da es negative Ladungen enthält, ist AlOx eine gute Alternative, jedoch lässt es sich nicht ökonomisch in Schichtdicken abscheiden, die eine ausreichende Temperstabilität gewährleisten würden. Aufgrund der beschriebenen Schwierigkeiten erscheinen Kombinationen aus diesen Materialien als sehr vorteilhaft, wobei häufig SiOx oder AlOx als erste und SiOx oder SiN als zweite Schicht verwendet werden.However, SiO x offers little resistance to sintering of the back metal layer in the annealing step required for contact formation. Silicon nitride is much more stable in connection with metals, but due to its high positive charge density it produces an n-type influential n-type inversion layer. In this layer, minority carriers of the base are collected and directed to the metal contacts, where they are lost by recombination (Lit .: Dauwe). Since it contains negative charges, AlO x is a good alternative, but it can not be economically deposited in layer thicknesses that would ensure a sufficient temperature stability. Because of the difficulties described, combinations of these materials appear to be very advantageous, frequently using SiO x or AlO x as the first layer and SiO x or SiN as the second layer.

Die WO 2006/097303 A1 beschreibt, dass eine ausreichende Qualität der Oberflächenpassivierung nur bei Verwendung sehr dicker Schichten erzielt wird; weiter wird die Ausformung von Kontakten durch lokales Einbringen von Löchern in die Schichten und Aufbringen eines leitfähigen Materials auf die Rückseitenfläche beschrieben. Es wird nur die Vorderseite des Wafers texturiert.The WO 2006/097303 A1 describes that sufficient surface passivation quality is achieved only when using very thick layers; Further, the formation of contacts by locally introducing holes into the layers and applying a conductive material to the back surface will be described. Only the front side of the wafer is textured.

Die DE 100 46 170 A beschreibt ein Verfahren zur Kontaktausbildung zwischen rückseitiger Metallschicht und Silicium, nach der Aufbringung der Metallschicht und ggf. Sinterung bei Metallpaste, wobei der designierte Kontaktbereich lokal z. B. durch Laserstrahlung erhitzt wird, so dass das Metall die dielektrische Schicht durchdringt und sich mit dem Silicium verbindet.The DE 100 46 170 A describes a method for contact formation between the back metal layer and silicon, after the application of the metal layer and optionally sintering with metal paste, wherein the designated contact area locally z. B. is heated by laser radiation, so that the metal penetrates the dielectric layer and connects to the silicon.

Es bilden sich in der industriellen Praxis häufig unbeabsichtigte ”parasitäre” Kontakte zwischen Si und rückseitiger Metallschicht, die die Ladungsträgerverluste auf der Zellrückseite erhöhen und somit den Wirkungsgrad verringern. Dies geschieht im Wesentlichen durch folgende Mechanismen:

  • 1. Löcher (”Pinholes”) in den abgeschiedenen Schichten durch während der Beschichtung anhaftende oder aufliegende Partikel,
  • 2. Schwankungen in der Schichtdicke bis hin zu Löchern durch die unebene Struktur der Oberfläche selbst in Verbindung mit dem gewählten Abscheideverfahren, insbesondere Stellen mit sehr geringer Dicke bei gerichteter Abscheidung,
  • 3. Punktweise oder flächige Ablösung der Schichten während der Abscheidung bzw. bei der nachfolgenden Prozessierung, insbesondere in thermischen Prozessen wie der Kontaktsinterung (”Blistering”).
Unintentional "parasitic" contacts between Si and the backside metal layer often form in industrial practice, which increase the carrier losses on the back of the cell and thus reduce the efficiency. This happens mainly through the following mechanisms:
  • 1. Holes ("pinholes") in the deposited layers by particles adhering or resting during the coating,
  • 2. variations in the layer thickness up to holes due to the uneven structure of the surface itself in connection with the chosen deposition method, in particular points with very small thickness in directional deposition,
  • 3. Point-wise or planar detachment of the layers during the deposition or in the subsequent processing, in particular in thermal processes such as contact sintering ("blistering").

An den entsprechenden Stellen bilden sich bei der Sinterung einer auf die Passivierschicht aufgetragenen Metallschicht auf der Zellrückseite die parasitären Kontakte aus. Die Vermeidung dieser Verlustmechanismen erfolgt nach der klassischen Lehre durch folgende Maßnahmen:

  • – Polieren oder Glattätzen der Waferrückseite, indem nach einem Texturschritt der Wafer einer einseitigen Ätze unterzogen wird, oder indem nach einer beidseitigen Glattätzung die Rückseite maskiert und nur die Vorderseite texturiert wird,
  • – Aufbringen sehr dicker Schichten von mehr als z. B. 100 nm oder Stapeln von mehreren Schichten
At the corresponding points, the parasitic contacts are formed during the sintering of a metal layer applied to the passivation layer on the back of the cell. The avoidance of these loss mechanisms takes place according to the classical teaching by the following measures:
  • Polishing or smooth etching of the wafer back side, by subjecting the wafer to a one-sided etching after a texture step, or by masking the back side after a two-sided smooth etching and texturing only the front side,
  • - Apply very thick layers of more than z. B. 100 nm or stacking of multiple layers

Das Öffnen der Schicht zur Ausbildung lokaler Kontakte kann durch die folgenden Techniken erfolgen:

  • – Ablation per Laser,
  • – Maskieren der Oberfläche und lokales Ätzen,
  • – Lokales Aufbringen eines Ätzmediums und anschließende thermische Aktivierung.
The opening of the layer for forming local contacts can be done by the following techniques:
  • Ablation by laser,
  • Masking the surface and local etching,
  • - Local application of an etching medium and subsequent thermal activation.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren weisen eine Vielzahl notwendiger Prozessschritte auf. Daraus folgen hohe Prozesskosten und Schwankungsbreiten (Fehlerfortpflanzung) des Wirkungsgrades der hergestellten Solarzellen.The methods known from the prior art have a large number of necessary process steps. This results in high process costs and fluctuation margins (error propagation) of the efficiency of the solar cells produced.

Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle sowie eine Solarzelle derart weiterzubilden, dass die Solarzellen mit durchgängig besonders hohem Wirkungsgrad reproduzierbar mit weniger Prozeßschritten hergestellt werden können.On this basis, the present invention is based on the object, a method for producing a solar cell and a solar cell in such a way to further develop that the solar cells can be produced consistently with very high efficiency reproducible with fewer process steps.

Zur Lösung der Aufgabe wird im Wesentlichen, jedoch nicht einschränkend vorgeschlagen:
Passivierung der Solarzellen-Rückseite mithilfe einer mindestens doppellagigen dielektrischen Schicht derart, dass Verluste durch parasitäre Kontaktierung im Wesentlichen vermieden werden.
To solve the problem, it is proposed, but not by way of limitation, in substance:
Passivation of the solar cell back using an at least double-layered dielectric layer such that losses due to parasitic contact are substantially avoided.

Dies wird erzielt durch die Kombination von beidseitiger (im Wesentlichen) symmetrischer Textur (Charakteristikum: Rauheit auf der Rückseite bleibt erhalten) mit Abscheidung folgender Schichtfolge: {therm. SiO2 (optional)}, Al2O3, SiNx oder SiOx.This is achieved by the combination of bilateral (substantially) symmetrical texture (characteristic: roughness on the back remains) with deposition of the following layer sequence: {therm. SiO 2 (optional)}, Al 2 O 3 , SiN x or SiO x .

Beispiele:Examples:

  • A. Verlust bei ungenügender Ätze in Kombination mit SiO/SiN-Schichten,A. loss of insufficient etch in combination with SiO / SiN layers,
  • B. AlO vermeidet parasitäre Kontaktierung nicht (ungeöffnete Zellen),B. AlO does not avoid parasitic contact (unopened cells),
  • C. AlO verbessert Wirkungsgrad bei rauer Oberfläche im Vergleich zu SiOx. AlOx ist so auszubilden, dass in Kombination mit der nachfolgenden Prozessierung kein ”Blistering” auftritt.C. AlO improves rough surface efficiency compared to SiO x . AlO x is to be designed in such a way that no blistering occurs in combination with the subsequent processing.

Die Prozessführung erfolgt so, dass trotz der vergrößerten Oberfläche im Wesentlichen keine erhöhte Rekombination auftritt. Rauheitsverminderndes Ätzen der gesamten Rückseitenfläche erfolgt ausschließlich nach der Diffusion, unabhängig davon, ob die Diffusion ein- oder beidseitig durchgeführt wird. Der Abtrag ist dabei so hoch wie nötig, um die eindiffundierte Schicht zu entfernen, also typisch größer als 0,5 μm, aber geringer als z. B. 5 μm. Aufgrund der enthaltenen negativen Ladungen werden die Verluste durch parasitäre Kontakte minimiert. Der Schichtaufbau trägt außerdem dazu bei, dass auch auf einer rauen Oberfläche möglichst keine parasitären Kontakte ausgebildet werden.The process is carried out in such a way that substantially no increased recombination occurs despite the increased surface area. Roughness-reducing etching of the entire back surface takes place exclusively after diffusion, regardless of whether the diffusion is performed on one or both sides. The removal is as high as necessary to remove the diffused layer, so typically greater than 0.5 microns, but less than z. B. 5 microns. Due to the contained negative charges, the losses are minimized by parasitic contacts. The layer structure also helps ensure that even on a rough surface as possible no parasitic contacts are formed.

Bevorzugte Verfahrensfolgen sind nachstehende, wobei gegebenenfalls Verfahrensschritte weggelassen, ausgetauscht oder in der Reihenfolge verändert werden können.Preferred process sequences are the following, where appropriate, process steps can be omitted, replaced or changed in order.

Verfahren I:Method I:

  • A. Bereitstellung von Silicium-Wafern mit p-Dotierung, multi- oder monokristallin.A. Provision of silicon wafers with p-doping, multi- or monocrystalline.
  • B. Ätzen beider Oberflächen zur Sägeschadenentfernung und/oder Textur ohne gesonderte Ätzung der Rückseite, d. h., das Glanzätzen entfällt.B. etching of both surfaces for Sägeschadenentfernung and / or texture without separate etching of the back, d. h., the refining is omitted.
  • C. Diffusion eines n-dotierenden Stoffs mindestens in die vordere Oberfläche.C. Diffusion of an n-type dopant at least into the anterior surface.
  • D. vorzugsweise Entfernung des Phosphorglases vor oder nach Schritt E.D. preferably removal of the phosphorus glass before or after step E.
  • E. Entfernung der Diffusionsschicht auf der Waferrückseite, dabei Abtrag zwischen vorzugsweise 0,5 μm und 5 μm. Dabei erfolgt das Ätzen derart, dass ein Glanzwert bei 60° Einfallswinkel im Bereich zwischen 20% und 80% liegt. Glanzwert ist das Verhältnis zwischen direkter und diffuser Diffusion.E. Removal of the diffusion layer on the back of the wafer, thereby removing between preferably 0.5 microns and 5 microns. The etching is carried out such that a gloss value at 60 ° incidence angle is in the range between 20% and 80%. Gloss value is the relationship between direct and diffuse diffusion.
  • F. Abscheidung einer negative Ladungen enthaltenden dielektrischen Schicht in einer Schichtdicke vorzugsweise zwischen 5 nm und 100 nmF. deposition of a negative charge containing dielectric layer in a layer thickness preferably between 5 nm and 100 nm
  • G. Abscheidung von vorzugsweise Siliciumnitrid in einer Schichtdicke von vorzugsweise 40 bis 400 nmG. deposition of preferably silicon nitride in a layer thickness of preferably 40 to 400 nm
  • H. Lokale Öffnung der SchichtenH. Local opening of the layers
  • I. Aufbringen einer Aluminiumschicht auf die Rückseite durch Aufdampfen oder SiebdruckI. Applying an aluminum layer to the back by vapor deposition or screen printing
  • J. Herstellung des Metall-Halbleiter-Kontakts durch Temperung bei Temperaturen von vorzugsweise mehr als 550°CJ. Preparation of the metal-semiconductor contact by annealing at temperatures of preferably more than 550 ° C.

Verfahren II:Method II:

Verfahrensschritte A.–F. gemäß Verfahren I:Process steps A.-F. according to method I:

  • G. Abscheidung von Siliciumnitrid oder Siliciumoxid in einer Schichtdicke von vorzugsweise 40 bis 400 nmG. deposition of silicon nitride or silicon oxide in a layer thickness of preferably 40 to 400 nm
  • H. Aufbringen einer Aluminiumschicht auf die Rückseite durch Aufdampfen oder SiebdruckH. Applying an aluminum layer on the reverse side by vapor deposition or screen printing
  • I. Herstellung lokaler Metall-Halbleiter-Kontakte durch lokales Erhitzen des Rückseitenmetalls mittels Laserstrahlung derart, dass das Metall die dielektrischen Schichten durchdringt und sich mit dem Silicium verbindetI. Making local metal-semiconductor contacts by locally heating the backside metal by means of laser radiation such that the metal penetrates the dielectric layers and bonds to the silicon

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Solarzelle, umfassend ein Siliciumsubstrat mit strahlenzugewandter Vorderseite, die texturiert ist und einen n-dotierten Bereich aufweist, einer Rückseite, die einen p-dotierten Bereich aufweist, einer entlang der Rückseite verlaufenden ersten dielektrischen Schicht, einer entlang substratabgewandter Seite der ersten dielektrischen Schicht verlaufenden zweiten dielektrischen Schicht bestehend aus einem oder enthaltend ein Material aus der Gruppe Siliciumnitrid, Siliciumoxid, Siliciumoxinitrid sowie einer sich entlang substratabgewandter Seite der zweiten dielektrischen Schicht erstreckende Metallschicht.In particular, the invention relates to a solar cell comprising a silicon substrate having a facing front surface which is textured and has an n-doped region, a backside having a p-doped region, a first dielectric layer extending along the backside, a substrate facing away from the substrate Side of the first dielectric layer extending second dielectric layer consisting of or containing a material selected from the group consisting of silicon nitride, silicon oxide, silicon oxynitride and a side facing away from the substrate side of the second dielectric layer extending metal layer.

Eine diesbezügliche Solarzelle zeichnet sich dadurch aus, dass die Rückseite des Substrats einen Glanzwert bei 60° Einstrahlungswinkel im Bereich zwischen 20% und 80% aufweist und dass die erste dielektrische Schicht freie negative Ladungsträger enthält.A relevant solar cell is characterized in that the back side of the substrate has a gloss value at 60 ° irradiation angle in the range between 20% and 80% and that the first dielectric layer contains free negative charge carriers.

In Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste dielektrische Schicht aus einem Material besteht oder ein solches enthält aus der Gruppe Aluminiumoxid, dotiertes Siliciumoxid.In a further development, it is provided that the first dielectric layer consists of a material or contains one of the group of aluminum oxide, doped silicon oxide.

Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass die erste dielektrische Schicht eine Schichtdicke D1 mit 5 nm < D1 < 100 nm aufweist. Preferably, the invention provides that the first dielectric layer has a layer thickness D1 with 5 nm <D1 <100 nm.

Ferner sollte bevorzugterweise die zweite dielektrische Schicht eine Schichtdicke D2 mit 40 nm < D2 < 400 nm aufweisen.Furthermore, the second dielectric layer should preferably have a layer thickness D2 with 40 nm <D2 <400 nm.

In Weiterbildung schlägt die Erfindung vor, dass sich zwischen der ersten dielektrischen Schicht und dem Substrat eine aus Siliciumoxid bestehende oder Siliciumoxid enthaltende Schicht mit einer Dicke D3 mit vorzugsweise 1 nm ≤ D3 ≤ 10 nm erstreckt.In a further development, the invention proposes that a silicon oxide-containing or silicon oxide-containing layer having a thickness D3 and preferably 1 nm ≦ D3 ≦ 10 nm extends between the first dielectric layer and the substrate.

Die Erfindung ist insbesondere gekennzeichnet durch ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, enthaltend die Verfahrensschritte

  • • Ätzen beider Oberflächen des Substrats
  • • Diffusion eines n-dotierten Materials zumindest in strahlenzugewandter Vorderseite des Siliciumsubstrats
  • • Ätzen der Rückseite des Substrats unter Vermeidung eines Glanzätzens
  • • Substratrückseitiges Abscheiden einer ersten dielektrischen Schicht aus einem Material, das nach dem Abscheiden freie negative Ladungsträger enthält
  • • Abscheiden einer zweiten dielektrischen Schicht aus einem Material oder ein Material enthaltend aus der Gruppe Siliciumnitrid, Siliciumoxid, Siliciumoxinitrid entlang der ersten dielektrischen Schicht
  • • Abscheiden einer Metallschicht entlang der zweiten dielektrischen Schicht.
The invention is in particular characterized by a method for producing a solar cell, comprising the method steps
  • • etching both surfaces of the substrate
  • Diffusion of an n-doped material, at least in the radiation-facing front of the silicon substrate
  • • Etch the back of the substrate while avoiding a bright etch
  • Substrate-back-depositing a first dielectric layer of a material containing free negative charge carriers after deposition
  • Depositing a second dielectric layer of a material or a material comprising the group of silicon nitride, silicon oxide, silicon oxynitride along the first dielectric layer
  • Depositing a metal layer along the second dielectric layer.

Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Metallschicht bereichsweise mit dem Substrat kontaktiert wird.In this case, provision is made in particular for the metal layer to be contacted in regions with the substrate.

Vorteilhafte Ausführungsformen:Advantageous embodiments:

  • – Die negativ geladene Schicht ist AlOx - The negatively charged layer is AlO x
  • – Abscheidung von AlOx mit ALD (Atomic Laser Deposition) oder PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)Deposition of AlO x with ALD (Atomic Laser Deposition) or PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)
  • – Thermische Oxidation der Waferoberfläche vor Abscheidung der Schichten d. h. zwischen Schritt E und FThermal oxidation of the wafer surface before deposition of the layers d. H. between step E and F.
  • – Ausführung der Kontakte als Linien- Execution of contacts as lines
  • – Substrat-Temperatur bei SiN-Abscheidung vorzugsweise > 320°C- Substrate temperature at SiN deposition preferably> 320 ° C.
  • – Bordotierung der Kontaktbereiche vor der Schichtabscheidung (Schritt G)- Boron doping of the contact areas before the layer deposition (step G)
  • – Ausführung mit selektivem Emitter- Version with selective emitter

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder im Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.Further details, advantages and features of the invention will become apparent not only from the claims, the features to be taken from them - alone and / or in combination - but also from the following description of a preferred embodiment.

Der einzigen Figur ist eine Ausführungsform einer Solarzelle zu entnehmen, wobei eine Solarzellen-Rückseite RS mithilfe einer mindestens doppellagigen dielektrischen Schicht 23, 24 derart passiviert ist, dass Verluste durch parasitäre Kontaktierung im Wesentlichen vermieden werden. Dies wird erzielt durch die Kombination von beidseitiger (im Wesentlichen) symmetrischer Textur T, wobei die Rauheit auf der Rückseite RS erhalten bleibt und mit Abscheidung folgender Schichtfolge: {therm. SiO2 (optional)}, Al2O3, SiNx oder SiOx, betrachtet von der Rückseite RS aus.The single FIGURE shows an embodiment of a solar cell, wherein a solar cell backside RS by means of an at least double-layered dielectric layer 23 . 24 is passivated in such a way that losses due to parasitic contact are substantially avoided. This is achieved by the combination of bilateral (substantially) symmetrical texture T, wherein the roughness is retained on the back RS and with deposition of the following layer sequence: {therm. SiO 2 (optional)}, Al 2 O 3 , SiN x or SiO x , viewed from the back RS.

Mit anderen Worten wird auf der Rückseite RS zunächst nach gegebenenfalls der Abscheidung einer Siliciumoxidschicht einer Dicke von vorzugsweise zwischen 1 nm und 10 nm eine erste dielektrische Schicht 23 aufgebracht, die nach dem Abscheiden freie negative Ladungen enthält. Auf diese vorzugsweise aus Aluminiumoxid bestehende Schicht 23 oder einer anderen nach dem Auftragen freie negative Ladungsträger enthaltenden Schicht wie z. B. eine mit Fluor dotierte Siliciumoxidschicht wird eine zweite dielektrische Schicht 25 aufgebracht, die aus Siliciumnitrid, Siliciumoxid oder Siliciumoxinitrid bestehen kann. Auf die zweite dielektrische Schicht 24 wird sodann eine rückseitige Metallschicht 25, insbesondere eine Aluminiumschicht aufgetragen und mit dem Siliciumsubstrat 21 kontaktiert.In other words, a first dielectric layer is initially formed on the rear side RS after optionally depositing a silicon oxide layer having a thickness of preferably between 1 nm and 10 nm 23 applied, which contains free negative charges after deposition. On this preferably consisting of alumina layer 23 or another layer containing free negative charge carriers after application, such as e.g. For example, a fluorine doped silicon oxide layer becomes a second dielectric layer 25 applied, which may consist of silicon nitride, silicon oxide or silicon oxynitride. On the second dielectric layer 24 then becomes a backside metal layer 25 , in particular an aluminum layer and with the silicon substrate 21 contacted.

Aus der Prinzipdarstellung erkennt man des Weiteren, dass die Rückseite RS nicht glatt geätzt ist, vielmehr als texturiert bezeichnet werden kann, da beim Ätzen der Oberseite OS die Rückseite RS mitgeätzt wird.Furthermore, it can be seen from the schematic representation that the rear side RS is not smoothly etched, but rather can be termed textured, since the rear side RS is also etched during the etching of the upper side OS.

Mit anderen Worten wird das nach dem Stand der Technik erfolgende Glattätzen nicht durchgeführt. Somit ergibt sich im Vergleich zu bekannten Solarzellen eine vergrößerte Rückseitenoberfläche.In other words, the prior art smooth etching is not performed. This results in an enlarged rear side surface in comparison to known solar cells.

Die AlOx-Schicht 23 ist so ausgebildet, dass in Kombination mit der nachfolgenden Prozessierung kein ”Blistering” auftritt.The AlO x layer 23 is designed so that no "blistering" occurs in combination with the subsequent processing.

Die Prozessführung wird so ausgeführt, dass trotz der vergrößerten Oberfläche der Rückseite RS im Wesentlichen keine erhöhte Rekombination auftritt. Rauheitsverminderndes Ätzen der gesamten Rückseitenfläche erfolgt ausschließlich nach der Diffusion, unabhängig davon, ob die Diffusion ein- oder beidseitig durchgeführt wird. Der Abtrag ist dabei so hoch wie nötig, um die eindiffundierte Schicht zu entfernen, also typisch größer als 0,5 μm, aber geringer als z. B. 5 μm. Aufgrund der enthaltenen negativen Ladungen in der ersten dielektrischen Schicht 23 werden die Verluste durch parasitäre Kontakte minimiert. Der Schichtaufbau trägt außerdem dazu bei, dass auch auf einer rauen Oberfläche möglichst keine parasitären Kontakte ausgebildet werden.The process control is carried out in such a way that substantially no increased recombination occurs despite the increased surface area of the rear side RS. Roughness-reducing etching of the entire back surface takes place exclusively after diffusion, regardless of whether the diffusion is performed on one or both sides. The removal is as high as necessary to remove the diffused layer, so typically greater than 0.5 microns, but less than z. B. 5 microns. Due to the contained negative charges in the first dielectric layer 23 the losses are due to parasitic contacts minimized. The layer structure also helps ensure that even on a rough surface as possible no parasitic contacts are formed.

Detaillierter soll nachstehend die Herstellung einer Solarzelle beschrieben werden:
Die einzige Figur zeigt eine nach dem zuvor als Verfahren II. bezeichnetes Verfahren hergestellte Solarzelle, die eine nicht glanzgeätzte Rückseite RS aufweist. Die Solarzelle umfasst einen Silicium-Wafer 21 mit p-Dotierung, bei dem eine multi- oder monokristalline Ausbildung kann vorliegen. Zunächst werden die Oberflächen, also die Vorderseite OS und Rückseite RS geätzt, um Sägeschäden zu entfernen bzw. eine Textur T zu bilden. Ein ansonsten nach dem Stand der Technik durchgeführtes gesondertes Glanzätzen der Rückseite RS entfällt. Sodann wird mindestens in die Oberfläche der Vorderseite 18 ein n-dotierter Stoff wie Phosphor eindiffundiert. Sodann wird entstandenes Phosphorglas entfernt. Schließlich wird die Rückseite geätzt, um eindiffundierten Dotierstoff zu entfernen. Der Abtrag beläuft sich zwischen vorzugsweise 0,5 μm und 5 μm. Nach dem Ausführungsbeispiel wird sodann auf die Rückseite RS dielektrische Schicht 23 einer Schichtdicke vorzugsweise zwischen 5 nm und 100 nm abgeschieden, die nach dem Abscheiden negative Ladungen enthält. Gegebenenfalls kann zuvor eine Siliciumoxidschicht unmittelbar auf die Rückseite RS aufgebracht werden, wobei eine Dicke zwischen 1 nm und 10 nm zu bevorzugen ist. Auf die erste dielektrische Schicht 23 wird sodann eine zweite dielektrische Schicht 24 aus einem Material wie Siliciumnitrid, Siliciumoxid oder Siliciumoxinitrid abgeschieden, wobei die Dicke vorzugsweise zwischen 40 nm und 400 nm liegt. Schließlich wird auf die freie Außenseite der zweiten dielektrischen Schicht 24 eine Metallschicht, insbesondere eine Aluminiumschicht 25 aufgebracht. Dies kann mittels Aufdampfen oder Siebdruck erfolgen. Sodann wird eine Kontaktierung zwischen der Metallschicht 25 und dem Substrat 21 hergestellt. Dabei können mittels Laserstrahlung lokale Metall-Halbleiter-Kontakte 26 durch lokales Erhitzen des Rückseitenmetalls derart hergestellt werden, dass das Metall die dielektrischen Schichten 23, 24 durchdringt und sich mit dem Silicium verbindet.
In more detail, the production of a solar cell will be described below:
The sole FIGURE shows a solar cell produced according to the method previously described as method II., Having a non-brightly etched reverse side RS. The solar cell comprises a silicon wafer 21 with p-doping, in which a multi- or monocrystalline formation can be present. First, the surfaces, ie the front side OS and back RS are etched in order to remove sawing damage or to form a texture T. An otherwise performed according to the prior art separate Glanzätzen the back RS omitted. Then at least in the surface of the front 18 an n-doped substance such as phosphorus diffused. Then formed phosphorus glass is removed. Finally, the back is etched to remove diffused dopant. The removal amounts to between preferably 0.5 .mu.m and 5 .mu.m. According to the embodiment is then on the back RS dielectric layer 23 a layer thickness is preferably deposited between 5 nm and 100 nm, which contains negative charges after deposition. Optionally, a silicon oxide layer may be previously applied directly to the back RS, with a thickness between 1 nm and 10 nm being preferred. On the first dielectric layer 23 then becomes a second dielectric layer 24 deposited from a material such as silicon nitride, silicon oxide or silicon oxynitride, wherein the thickness is preferably between 40 nm and 400 nm. Finally, on the free outside of the second dielectric layer 24 a metal layer, in particular an aluminum layer 25 applied. This can be done by vapor deposition or screen printing. Then, a contact between the metal layer 25 and the substrate 21 produced. In this case, by means of laser radiation local metal-semiconductor contacts 26 by locally heating the backside metal such that the metal forms the dielectric layers 23 . 24 penetrates and connects to the silicon.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Herstellung einer verbesserten Si-Solarzelle mit möglichst wenigen Herstellschritten, insbesondere zusätzlich zum Standardprozess (1 Diffusionsschritt, Siebdruckkontakte).The inventive method allows the production of an improved Si solar cell with as few manufacturing steps, in particular in addition to the standard process (1 diffusion step, screen printing contacts).

Dabei werden bekannte Technologien, wie Modifizierte Emitterprofile, Selektive Emitter sowie Passivierte Rückseite erfindungsgemäß kombiniert. Rauheiten der Oberfläche auf der Rückseite führen zu parasitärer Kontaktierung und in Kombination mit konventionellen Beschichtungstechniken und Kontaktierungsverfahren zu elektrischen Verlusten. Diese Verluste werden gemäß der Erfindung vermieden, ohne insbesondere die Rückseite glatt ätzen zu müssen.In this case, known technologies, such as modified emitter profiles, selective emitters and passivated backside are combined according to the invention. Surface roughness on the back surface leads to parasitic bonding and, in combination with conventional coating techniques and bonding techniques, electrical losses. These losses are avoided according to the invention, without having to etch the back especially smooth.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (8)

Solarzelle, umfassend ein Siliciumsubstrat mit strahlenzugewandter Vorderseite, die texturiert ist und einen n-dotierten Bereich aufweist, einer Rückseite, die einen p-dotierten Bereich aufweist, einer entlang der Rückseite verlaufenden ersten dielektrischen Schicht, einer entlang substratabgewandter Seite der ersten dielektrischen Schicht verlaufenden zweiten dielektrischen Schicht bestehend aus einem oder enthaltend ein Material aus der Gruppe Siliciumnitrid, Siliciumoxid, Siliciumoxinitrid sowie einer sich entlang substratabgewandter Seite der zweiten dielektrischen Schicht erstreckende Metallschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite des Substrats einen Glanzwert bei 60° Einstrahlungswinkel im Bereich zwischen 20% und 80% aufweist und dass die erste dielektrische Schicht freie negative Ladungsträger enthält.A solar cell comprising a silicon substrate having a facing surface facing the front, which is textured and has an n-doped region, a backside having a p-doped region, a first dielectric layer running along the backside, a second one extending along a substrate side of the first dielectric layer dielectric layer consisting of or comprising a material from the group consisting of silicon nitride, silicon oxide, silicon oxynitride and a metal layer extending along the substrate side of the second dielectric layer, characterized in that the back side of the substrate has a gloss value at 60 ° irradiation angle in the range between 20% and 80% and that the first dielectric layer contains free negative charge carriers. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste dielektrische Schicht aus einem Material besteht oder ein solches enthält aus der Gruppe Aluminiumoxid, dotiertes Siliciumoxid.Solar cell according to claim 1, characterized in that the first dielectric layer consists of a material or contains one of the group of alumina, doped silica. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste dielektrische Schicht eine Schichtdicke D1 mit 5 nm < D1 < 100 nm aufweist.Solar cell according to claim 1 or 2, characterized in that the first dielectric layer has a layer thickness D1 with 5 nm <D1 <100 nm. Solarzelle nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite dielektrische Schicht eine Schichtdicke D2 mit 40 nm < D2 < 400 nm aufweist.Solar cell according to at least one of the preceding claims, characterized in that the second dielectric layer has a layer thickness D2 with 40 nm <D2 <400 nm. Solarzelle nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der ersten dielektrischen Schicht und dem Substrat eine aus Siliciumoxid bestehende oder Siliciumoxid enthaltende Schicht mit einer Dicke D3 mit vorzugsweise 1 nm ≤ D3 ≤ 10 nm erstreckt.Solar cell according to at least one of the preceding claims, characterized in that extends between the first dielectric layer and the substrate consisting of a silicon oxide or silicon oxide-containing layer having a thickness D3 with preferably 1 nm ≤ D3 ≤ 10 nm. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, insbesondere nach Anspruch 1, enthaltend die Verfahrensschritte: • Ätzen beider Oberflächen des Substrats • Diffusion eines n-dotierten Materials zumindest in strahlenzugewandter Vorderseite des Siliciumsubstrats • Ätzen der Rückseite des Substrats unter Vermeidung eines Glanzätzens • Substratrückseitiges Abscheiden einer ersten dielektrischen Schicht aus einem Material, das nach dem Abscheiden freie negative Ladungsträger enthält • Abscheiden einer zweiten dielektrischen Schicht aus einem Material oder ein Material enthaltend aus der Gruppe Siliciumnitrid, Siliciumoxid, Siliciumoxinitrid entlang der ersten dielektrischen Schicht • Abscheiden einer Metallschicht entlang der zweiten dielektrischen Schicht.Process for producing a solar cell, in particular according to claim 1, comprising the process steps: • etching both surfaces of the substrate Diffusion of an n-doped material, at least in the radiation-facing front of the silicon substrate • Etch the back of the substrate while avoiding a bright etch Substrate-back-depositing a first dielectric layer of a material containing free negative charge carriers after deposition Depositing a second dielectric layer of a material or a material comprising the group of silicon nitride, silicon oxide, silicon oxynitride along the first dielectric layer Depositing a metal layer along the second dielectric layer. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat und der ersten dielektrischen Schicht eine Siliciumoxidschicht oder eine Siliciumoxid enthaltende Schicht abgeschieden wird.A method according to claim 6, characterized in that between the substrate and the first dielectric layer, a silicon oxide layer or a silicon oxide-containing layer is deposited. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht bereichsweise mit dem Substrat kontaktiert wird.A method according to claim 6 or 7, characterized in that the metal layer is partially contacted with the substrate.
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