DE102012107537A1

DE102012107537A1 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines monokristallinen Halbleiterwafers und Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Halbleiterwafer-Solarzelle

Info

Publication number: DE102012107537A1
Application number: DE201210107537
Authority: DE
Inventors: Andreas Eidner; Christian Klenke
Original assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Current assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Priority date: 2012-08-16
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2014-05-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung monokristalliner Halbleiterwafer (30) für die Herstellung von Solarzellen in einer Inline-Anlage, wobei der monokristalline Halbleiterwafer (30) eine Frontseitenoberfläche (32) und eine Rückseitenoberfläche (34) aufweist, mit folgenden Schritten: alkalische Texturierung der Frontseitenoberfläche (32) mit einer alkalischen Texturierlösung, wobei die Rückseitenoberfläche (34) gegenüber der alkalischen Texturierlösung nicht maskiert ist und die alkalische Texturierung derart ausgeführt wird, dass die Rückseitenoberfläche (34) nicht oder weniger stark vergrößert wird als die Frontseitenoberfläche (32); und anschließend nasschemische Ätzung zur Glättung der Rückseitenoberfläche (34). Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Halbleiterwafer-Solarzelle (46) mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines monokristallinen Halbleiterwafers (30), erhalten nach dem vorstehenden Verfahren, Erzeugen einer Frontseiten-Elektrodenstruktur (44) und Erzeugen einer Rückseiten-Elektrodenstruktur (42).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines monokristallinen Halbleiterwafers und ein Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Halbleiterwafer-Solarzelle. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Texturierung und Ätzung eines Halbleiterwafers und ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterwafer-Solarzelle, die mittels weiterer Verfahrensschritte aus dem vorstehenden Verfahren erhaltenen Halbleiterwafer hergestellt wird.
Halbleiterwafer werden normalerweise durch Sägen aus Ingots hergestellt. Sie weisen eine Frontseitenoberfläche und eine Rückseitenoberfläche auf, die sägerau sind und die vor Weiterverarbeitung zu einer Halbleiterwafer-Solarzelle bearbeitet werden müssen, um den Wirkungsgrad dieser Solarzelle zu maximieren. Die Frontseitenoberfläche und die Rückseitenoberfläche des Halbleiterwafers weisen in einer Halbleiterwafer-Solarzelle idealerweise unterschiedliche Topographien auf. Während die Frontseitenoberfläche des Halbleiterwafers eine Oberflächenvergrößerung zur besseren Lichteinkopplung, d.h. eine Textur, aufweist, sollte die Rückseitenoberfläche möglichst glatt sein, wodurch insbesondere bei oberflächenpassivierten Wafersolarzellen die Grenzflächenrekombination reduziert werden kann. Im Vergleich mit einer Halbleiterwafer-Solarzelle, die einen beidseitig texturierten Halbleiterwafer aufweist, weist eine Halbleiterwafer-Solarzelle, die nur einseitig texturiert ist, einen höheren Wirkungsgrad auf.
In der Praxis ist es aufwändig, diese unterschiedlichen Oberflächentopographien zur erzeugen. In der Regel müssen eine Barriereschicht oder eine Maskierung eingesetzt werden, die eine einseitige Bearbeitung des Halbleiterwafers erlauben.
Ein beispielsweise aus der DE 10 2010 035 582 bekanntes Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Halbleiterwafers wird folgendermaßen durchgeführt: Ein sägerauer Halbleiterwafer wird einer alkalischen Ätzung zur Entfernung von Sägeschäden unterzogen, wobei die Frontseitenoberfläche und die Rückseitenoberfläche des Halbleiterwafers geglättet werden. Dann wird eine Barriereschicht beispielsweise durch thermische Oxidation zum Maskieren der geglätteten Rückseitenoberfläche oder durch Abscheiden einer Schicht auf der Rückseitenoberfläche gebildet. Anschließend wird eine einseitige Oxidätze der Frontseitenoberfläche mit anschließender Texturierung durchgeführt. Dieses Verfahren ist aufwändig und kostenintensiv.
Alternativ ist es auch möglich nach einer beidseitigen Texturierung unter Schutz der Frontseitenoberfläche mittels einer Barriereschicht die Rückseitenoberfläche einseitig zu glätten. Dazu muss aber ein angesichts der immer dünner werdenden Halbleiterwafer nicht unerheblicher Anteil der Rückseitenoberfläche abgetragen werden. Zudem ist das Verfahren aufwändig und kostenintensiv.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfacheres und kostengünstigeres Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Halbleiterwafers und zur Herstellung einer Halbleiterwafer-Solarzelle bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 12 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Verfahren sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung monokristalliner Halbleiterwafer für die Herstellung von Solarzellen in einer Inline-Anlage bereitgestellt. Unter dem Ausdruck „monokristallin“ wird eine makroskopisch kristalline Struktur verstanden, deren Strukturelemente ein einheitliches homogenes Kristallgitter bilden. Der monokristalline Halbleiterwafer weist daher ein einheitliches homogenes Kristallgitter auf. Der Halbleiterwafer kann ein durchgehendes homogenes Kristallgitter aufweisen und ein rein monokristalliner Halbleiterwafer sein. Alternativ kann der Halbleiterwafer auch ein quasimonokristalliner Halbleiterwafer sein. Ein quasimonokristalliner Halbleiterwafer weist neben monokristallinen Strukturen auch polykristalline Strukturen auf, d.h. der Halbleiterwafer ist ein Zwitter aus monokristallinen und polykristallinen Strukturen. Durch seine Herstellung bedingt, weist ein quasimonokristalliner Halbleiterwafer meist 10 % rein monokristalline Strukturen auf, und die polykristallinen Strukturen des Halbleiterwafers weisen eine monokristalline Ausprägung auf. Der quasimonokristalline Halbleiterwafer weist daher genau wie der rein monokristalline Halbleiterwafer eine gleichmäßige Struktur auf. In dem vorliegenden Verfahren werden sowohl rein monokristalline als auch quasimonokristalline Halbleiterwafer eingesetzt, d.h. der Ausdruck „monokristalliner Halbleiterwafer“ umfasst auch quasimonokristalline Halbleiterwafer. Der Halbleiterwafer weist als Halbleiterwaferoberflächen eine Frontseitenoberfläche und eine Rückseitenoberfläche und dazwischenliegende Kantenoberflächen auf.
Als in dem Verfahren zur Oberflächenbehandlung des monokristallinen Halbleiterwafers eingesetzte Inline-Anlage kommt insbesondere eine industrielle Nassbank-Anlage zum Einsatz. In einer solchen Inline-Anlage werden Wafer üblicherweise auf Rollen transportiert und dem jeweiligen nasschemischen Verfahrensschritt unterzogen.
In einem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Halbleiterwafer einer alkalischen Texturierung unterzogen. Dabei wird seine Frontseitenoberfläche mit einer alkalischen Texturierlösung kontaktiert. Die Kontaktierung erfolgt beispielsweise mittels Besprühen oder Bestreichen der Frontseitenoberfläche des Halbleiterwafers. Die Rückseitenoberfläche des Halbleiterwafers ist gegenüber der alkalischen Texturierlösung nicht maskiert. Der Halbleiterwafer wird in der Inline-Anlage üblicherweise liegend auf Rollen transportiert und mit der alkalischer Texturierlösung auf seiner nach oben orientierten Frontseite behandelt. Die Menge an alkalischer Texturierlösung, die die Rückseitenoberfläche kontaktiert, beträgt im Idealfall null oder ist zumindest weitaus geringer, als die Menge an Texturierlösung, die die Frontseitenoberfläche kontaktiert. Daher wird die Rückseitenoberfläche des Halbleiterwafers nicht oder weniger stark vergrößert als seine Frontseitenoberfläche.
Insbesondere beim Besprühen der nasschemischen Reagenzien in einer Inline-Nassbank lässt es sich in der Regel nicht vermeiden, dass die Reagenzien teilweise auch die Transportrollen der Nassbank benetzen. Auf diesem Wege treten geringere Mengen der Reagenzien mit der Rückseite des Halbleiterwafers in Kontakt. Dadurch läuft die alkalische Texturierung des Halbleiterwafers derart ab, dass die Rückseitenoberfläche des Halbleiterwafers weniger stark vergrößert wird als seine Frontseitenoberfläche.
Die üblicherweise nur im geringen Maß auftretende Texturierung der Rückseite wird, wie nachfolgend dargestellt, durch eine nasschemische Ätzung zur Glättung der Rückseite beseitigt. Daher ist eine Maskierung der Rückseitenoberfläche während der alkalischen Texturierung nicht notwendig.
Nach der alkalischen Texturierung wird der Halbleiterwafer einer nasschemischen Ätzung zur Glättung der Rückseitenoberfläche unterzogen. Die Rückseitenoberfläche wird geglättet. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Rückseitenoberfläche nach diesem Verfahrensschritt perfekt mikroskopisch glatt ist. Dieser Verfahrensschritt ist verwirklicht, wenn die mikroskopische Oberfläche der Rückseite des Halbleiterwafers durch die Ätzung zur Glättung reduziert wird.
Die nasschemische Ätzung wird in der Inline-Anlage derart durchgeführt, dass die zur Ätzung der Rückseitenoberfläche verwendete Ätzlösung vorzugsweise die Rückseitenoberfläche aber nicht oder nur geringfügig die Frontseitenoberfläche des Halbleiterwafers kontaktiert. Auch hier wird der Halbleiterwafer in der Regel über Rollen durch die Anlage zur nasschemischen Ätzung transportiert. Dabei wird die Rückseitenoberfläche des Halbleiterwafers mit der Ätzlösung beispielsweise durch Besprühen oder Bestreichen in Kontakt gebracht. Über die Rollen, die verfahrens- und/oder anlagenbedingt in Kontakt mit der Ätzlösung kommen, kann Ätzlösung die Frontseite kontaktieren. Die Menge an Ätzlösung, die die Frontseite kontaktiert, beträgt Null oder ist geringer als die Menge an Ätzlösung, die die Rückseitenoberfläche kontaktiert. Daher wird die Textur der Frontseitenoberfläche nicht oder nur geringfügig reduziert. Eine Textur auf der Rückseitenoberfläche, die möglicherweise in der vorangehenden alkalischen Texturierung erzeugt worden ist, ist deutlich geringer ausgeprägt als auf der Frontseitenoberfläche. Neben der intensiveren Behandlung der Rückseitenoberfläche mit der Ätzlösung, kann die mögliche Textur auf der Rückseitenoberfläche daher auch aus diesem Grund schneller geglättet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher anlagentechnisch darauf ausgerichtet, dass ein ihm unterzogener Halbleiterwafer, eine texturierte Frontseitenoberfläche und eine glatte Rückseitenoberfläche und somit eine asymmetrische Oberflächentopographie aufweist. Durch das Einsparen eines Maskierungsschritts zur Herstellung dieser Asymmetrie ist das erfindungsgemäße Verfahren deutlich kostengünstiger gegenüber üblichen anderen Verfahren.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Rückseitenoberfläche des Halbleiterwafers nicht aktiv mit der alkalischen Texturierlösung in Kontakt gebracht. Die Rückseitenoberfläche wird höchstens anlagenbedingt indirekt mit der alkalischen Texturierlösung in Kontakt gebracht. Der Kontakt zwischen Rückseitenoberfläche und der alkalischen Texturierlösung wird so gering wie möglich gehalten.
Genauso wird der nasschemische Ätzschritt zur Glättung der Rückseite derart durchgeführt, dass die nasschemische Ätzlösung aktiv mit der Rückseitenoberfläche aber nicht aktiv mit der die Frontseitenoberfläche kontaktiert wird. Vielmehr gelangt höchstens anlagenbedingt Ätzlösung auf die Frontseitenoberfläche, wobei diese Menge an Ätzlösung so gering wie möglich gehalten wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird zwischen der alkalischen Texturierung und der nasschemischen Ätzung als zusätzlicher Verfahrensschritt die Bildung eines p-n-Übergangs im Halbleiterwafer durchgeführt. Die Bildung des p-n-Übergangs wird beispielsweise bei einem p-Typ-Substrat vorzugsweise mittels Diffusion beispielsweise mit POCl₃ in einem Diffusionsofen erzeugt. Hierbei wird ein p-n-Übergang insbesondere an der Frontseitenoberfläche des Halbleiterwafers gebildet. Phosphor diffundiert von allen Seiten in den Halbleiterwafer ein und bildet eine dotierte Grenzflächenschicht. Üblicherweise erfolgt die Diffusion auch an der Rückseitenoberfläche und an den zwischen Rückseitenoberfläche und Frontseitenoberfläche liegenden Kantenoberflächen des Halbleiterwafers. Das heißt, der während der Diffusion erzeugte p-n-Übergang erstreckt sich entlang aller Halbleiterwaferoberflächen d.h. an den Frontseitenoberfläche, der Rückseitenoberfläche und den Kantenoberflächen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die nasschemische Ätzung zur Glättung der Rückseitenoberfläche derart durchgeführt, dass eine chemische Kantenisolation des Halbleiterwafers erfolgt. Der nasschemische Ätzschritt sorgt dann nicht nur für die chemische Kantenisolation, sondern wird auch derart durchgeführt, dass der p-n-Übergang im Bereich der Rückseitenoberfläche beseitigt wird.
Vorzugsweise wird bei der alkalischen Texturierung der Frontseitenoberfläche eine alkalische Texturierlösung eingesetzt, die 1,5 bis 3,0 Massen-% Kaliumhydroxid und 1,5 bis 3,0 Massen-% Additiv aufweist. Die alkalische Texturierung wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 80–90°C durchgeführt. Als Additiv wird insbesondere Enligth XV090075 WAFER TEXT ADDITIVE (The Dow Chemical Company, Midland, US) oder ein Additiv mit vergleichbaren Eigenschaften eingesetzt.
Bevorzugt wird die nasschemische Ätzung der Rückseitenoberfläche mit einer Ätzlösung durchgeführt, die 15 bis 40 Massen-% Salpetersäure und 5 bis 12 Massen-% Flusssäure aufweist. Restlicher Inhaltsstoff der Ätzlösung ist bevorzugt Wasser. Die nasschemische Ätzung wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 5 bis 25°C durchgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird nach der nasschemischen Ätzung der Rückseitenoberfläche zumindest auf der Rückseitenoberfläche eine die photovoltaischen Eigenschaften einer Wafersolarzelle optimierende Passivierungsschicht abgeschieden. Vorzugsweise wird auch auf der Frontseitenoberfläche des Halbleiterwafers eine solche Passivierungsschicht abgeschieden.
Bevorzugt werden bei der alkalischen Texturierung der Frontseitenoberfläche auf der Frontseitenoberfläche Pyramiden mit einer durchschnittlichen Strukturgröße < 5µm, bevorzugt < 2µm, bevorzugter < 1µm, erzeugt. Die durchschnittliche Strukturgröße wird durch Aufnahmen von Bildern anhand von Rasterelektronenmikroskopie und Auswerten der Bilder mittels ImageJ (National Institutes of Health, Bethesda, USA) ermittelt. Die auf der Frontseitenoberfläche erzeugte Strukturgröße ist ausreichend, damit im Falle einer Kontaktierung mit Ätzlösung bei der nasschemischen Ätzung zur Glättung der Rückseitenoberfläche die Frontseitenoberfläche nicht geglättet wird sondern für den Zweck der Solarzelle hinreichend texturiert bleibt. Die durchschnittliche Strukturgröße der möglicherweise auf der Rückseitenoberfläche erzeugten Textur ist verfahrensbedingt kleiner als die der Textur der Frontseitenoberfläche. Zudem ist die Pyramidendichte auf der Rückseitenoberfläche verfahrensbedingt in der Regel geringer als auf der Frontseitenoberfläche. Die Textur der Frontseitenoberfläche bleibt bei einer derartigen Strukturgröße auch bei Kontaktierung mit der Ätzlösung bei der nasschemischen Ätzung zur Glättung erhalten. Zur Erzeugung der Textur mit den Strukturgrößen, wird die Menge und/oder die Konzentration an eingesetzter Texturierlösung und/oder die Texturierzeit derart gewählt, dass die möglicherweise während der Texturierung der Frontseitenoberfläche entstehende Textur der Rückseitenoberfläche, die eine kleinere durchschnittliche Strukturgröße als die Textur der Frontseite aufweist, in dem anschließendem nasschemischen Ätzschritt geglättet werden kann, aber die Frontseitenoberfläche nach dem Ätzschritt zur Glättung immer noch die gewünschte durchschnittliche Strukturgröße aufweist.
Bei der Ätzung zur Glättung der Rückseitenoberfläche wird bevorzugt ein Ätzabtrag > 1µm, bevorzugt > 2µm, bevorzugter > 3µm, eingestellt. Der Ätzabtrag kann über die Menge und/oder Konzentration der Säuren in der Ätzlösung, Ätzzeit und Ätztemperatur eingestellt werden. Zur Ermittlung des Ätzabtrags wird der Wafer vor und nach der Ätzung der Glättung der Rückseitenoberfläche gewogen und aus der ermittelten Massendifferenz wird der Ätzabtrag ausgerechnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die alkalische Texturierung der Frontseitenoberfläche derart durchgeführt, dass ein Oberflächenvergrößerungsfaktor der Rückseitenoberfläche von maximal 1,5 bis 1,9, bevorzugt 1,65 bis 1,75, erzeugt wird. Der Oberflächenvergrößerungsfaktor wird mittels eines Reflexionsmessgeräts ermittelt. Mit dem Reflexionsmessgerät, das nur die direkte Reflexion misst, wird das Maximum der Reflexion in Abhängigkeit des Einstrahlwinkels bestimmt. Dieser Winkel ist proportional zum Pyramidenwinkel der Textur, und aus diesem wird die Oberflächenvergrößerung berechnet. Eine Rückseitenoberfläche mit einem derartigen Oberflächenvergrößerungsfaktor kann im anschließenden Ätzschritt zur Glättung geglättet werden, wobei der dazu notwendige Materialabtrag und somit der Materialverlust vergleichsweise gering ist.
Bevorzugt wird die nasschemische Ätzung zur Glättung der Rückseitenoberfläche derart durchgeführt, dass ein Oberflächenvergrößerungsfaktor der Rückseitenoberfläche von < 1,3, bevorzugt < 1,1, bevorzugter 1,0, erzeugt wird. Eine Rückseitenoberfläche mit einem derartigen Oberflächenvergrößerungsfaktor weist eine ausrechend glatte Oberfläche auf, um eine gute Passivierqualität zu haben und somit den Wirkungsgrad der Halbleiterwafer-Solarzelle im Promillebereich zu steigern.
Vorzugsweise wird der Halbleiterwafer vor dem Verfahrensschritt des alkalischen Texturierens in sägerauem Zustand bereitgestellt. Die alkalische Texturierung ist bevorzugt ausreichend, um neben der entstehenden Texturierung Sägeschäden und Verunreinigungen an den Oberflächen des Halbleiterwafers ausreichend wegzuätzen. Ein Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Halbleiterwafer-Solarzelle weist folgende Schritte auf:
Bereitstellen eines monokristallinen Halbleiterwafers, erhalten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Erzeugen einer Frontseiten-Elektrodenstruktur und
Erzeugen einer Rückseiten-Elektrodenstruktur.
Insbesondere wird die Halbleiterwafer-Solarzelle durch die Schritte alkalische Texturierung der Frontseite des monokristallinen Halbleiterwafers, nasschemische Ätzung der Rückseitenoberfläche des Halbleiterwafers, die vorstehend beschrieben sind, und Erzeugen einer Frontseiten-Elektrodenstruktur und Erzeugen einer Rückseiten-Elektrodenstruktur hergestellt. Die Reihenfolge der Schritte Erzeugen einer Frontseiten-Elektrodenstruktur und Erzeugen einer Rückseiten-Elektrodenstruktur ist frei wählbar, und diese Schritte werden durch zumindest teilweise Metallisierung der Frontseite bzw. Rückseite realisiert. Beispielsweise weist die Rückseiten-Elektrodenstruktur eine Metallschicht auf, die den Halbleiterwafer elektrisch kontaktiert. Die Frontseiten-Elektrodenstruktur weist beispielsweise Kontaktfinger und Busbars auf, die die Kontaktfinger miteinander verbinden.
Optional wird bei dem Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterwafer-Solarzelle zwischen den Schritten der alkalischen Texturierung und der nasschemischen Ätzung der Schritt einer Bildung eines p-n-Übergangs im Halbleiterwafer durchgeführt. Weiterhin optional wird im Anschluss an die nasschemische Ätzung der Schritt der Passivierung der Rückseitenoberfläche des Halbleiterwafers durchgeführt. Zusätzlich kann der vorstehende Schritt weiterhin eine Passivierung der Frontseitenoberfläche des Halbleiterwafers umfassen. Weiterhin kann vor dem Schritt der Erzeugung der Frontseiten-Elektrodenstruktur mindestens ein weiterer Schritt zur Bildung mindestens einer Schicht auf der Frontseitenoberfläche des Halbleiterwafers oder der darauf angeordneten Passivierungsschicht durchgeführt werden. Beispielsweise kann auf der Frontseitenoberfläche des Halbleiterwafers oder der darauf angeordneten Passivierungsschicht eine Antireflexionsschicht abgeschieden werden, bevor die Frontseiten-Elektrodenstruktur erzeugt wird.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Verfahren und der durch die Verfahren hergestellten Halbleiterwafer und Halbleiterwafer-Solarzellen werden anhand der nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen erläutert.
Es zeigt:
1 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Oberflächenbehandlung eines Halbleiterwafers;
2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiterwafer-Solarzelle; und
3a bis 3g jeweils schematisch eine Teil-Querschnittsansicht eines Halbleiterwafers (wobei ggf. weitere Bauelemente einer Halbleiterwafer-Solarzelle gezeigt sind), der einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterwafer-Solarzelle unterzogen wird.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Oberflächenbehandlung eines Halbleiterwafers. Das Verfahren weist die Schritte 10 und 12 auf, die in einer Inline-Anlage durchgeführt werden. Die Inline-Anlage ist beispielsweise eine Nassbank, in der der dem Verfahren zu unterziehende Halbleiterwafer auf Rollen transportiert wird.
In Schritt 10 wird eine alkalische Texturierung einer Frontseitenoberfläche eines Halbleiterwafers mit einer alkalischen Texturierlösung durchgeführt, wobei die alkalische Texturierung der Frontseitenoberfläche beispielsweise mit einer Texturierlösung aufweisend 1,5 bis 3,0 Massen-% Kaliumhydroxid und 1,5 bis 3,0 Massen-% Additiv bei einer Temperatur von 80–90°C durchgeführt wird. In Schritt 10 ist eine Rückseitenoberfläche des Halbleiterwafers gegenüber der alkalischen Texturierlösung nicht maskiert. Die alkalische Texturierung wird in Schritt 10 derart ausgeführt, dass die Rückseitenoberfläche nicht oder weniger stark vergrößert wird als die Frontseitenoberfläche. Ob die Rückseitenoberfläche vergrößert wird oder nicht hängt davon ab, ob beispielsweise die Rollen, die den Halbleiterwafer in der Inline-Anlage transportieren, derart ausgelegt sind, dass sie die Texturierlösung auf die Rückseitenoberfläche bringen oder nicht. In Schritt 10 werden auf der Frontseitenoberfläche Pyramiden mit einer durchschnittlichen Strukturgröße < 5µm, bevorzugt < 2µm, bevorzugter < 1µm, erzeugt.
In Schritt 12 wird die nasschemische Ätzung zur Glättung der Rückseitenoberfläche durchgeführt. Dazu werden die zuvor auf ihrer Frontseite texturierten Halbleiterwafer gewendet, so dass die Rückseite nach oben weist, während die Halbleiterwafer durch den Teil der Inline-Anlagen laufen, in dem die Ätzung zur Glättung der Rückseite durchgeführt wird. Hierbei wird die möglicherweise in Schritt 10 auf der Rückseitenoberfläche entstandene Textur geglättet. Dazu wird eine Ätzlösung aufweisend 15 bis 40 Massen-% Salpetersäure und 5 bis 12 Massen-% Flusssäure bei einer Temperatur von 5 bis 25°C auf die Rückseitenoberfläche des Halbleiterwafers beispielsweise durch Besprühen oder Bestreichen der Rückseitenoberfläche aufgebracht.
Bevorzugt wird zwischen dem Schritt 10 und dem Schritt 12 ebenfalls in einem Inline-Aufbau mittels eines Diffusionsofens ein p-n-Übergang im Halbleiterwafer erzeugt. Der anschließend durchgeführte Schritt 12 glättet dann nicht nur die Rückseitenoberfläche sondern entfernt auch gleichzeitig den zuvor im Bereich der Waferkanten und der Rückseitenoberfläche entstandenen p-n-Übergang.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Solarzelle.
Das Verfahren weist die Schritt 10, 12, 14 und 16 auf. Die Schritte 10 und 12 sind identisch mit dem in 1 gezeigten Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Halbleiterwafern. Zur Beschreibung dieser Schritte wird daher auf die Ausführungen zu 1 verwiesen. In Schritt 14 wird auf der Rückseitenoberfläche des Halbleiterwafers eine die photovoltaischen Eigenschaften der Wafersolarzelle optimierende Passivierungsschicht abgeschieden, wobei optional auch auf der Frontseitenoberfläche eine Passivierungsschicht abgeschieden werden kann. In Schritt 16 werden eine Frontseiten-Elektrodenstruktur und eine Rückseiten-Elektrodenstruktur erzeugt. Zur Erzeugung der Rückseitenstruktur wird die rückseitige Passivierungsschicht mit Metall wie beispielsweise Aluminium beschichtet und teilweise von Metall derart durchdrungen, dass der Halbleiterwafer mit der Metallschicht in elektrischem Kontakt steht. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass Öffnungen in der Passivierungsschicht mittels Laserablation erzeugt werden, die bei der Beschichtung der Passivierungsschicht mit Metall mit Metall gefüllt werden. Die Frontseitenelektrodenstruktur wird beispielsweise durch Erzeugung von Kontaktfingern und Busbars, die die Kontaktfinger verbinden, realisiert. Verfahren zur Erzeugung der Frontseiten-Elektrodenstruktur und der Rückseiten-Elektrodenstruktur sind dem Fachmann bekannt.
3a bis 3g zeigen jeweils schematisch eine Teil-Querschnittsansicht eines Halbleiterwafers (wobei ggf. weitere Bauelemente einer Halbleiterwafer-Solarzelle gezeigt sind), der einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterwafer-Solarzelle unterzogen wird.
In 3a ist eine Teil-Querschnittsansicht eines Halbleiterwafers 30 gezeigt. Der Halbleiterwafer 30 weist eine Frontseitenoberfläche 32 und eine Rückseitenoberfläche 34 auf. Sowohl die Frontseitenoberfläche 32 als auch die Rückseitenoberfläche 34 sind sägerau.
Der in 3a gezeigte Halbleiterwafer 30 wird einer alkalischen Texturierung mit einer Texturierlösung aufweisend 1,5 bis 3,0 Massen-% Kaliumhydroxid und 1,5 bis 3,0 Massen-% Additiv bei einer Temperatur von 80–90°C unterzogen.
In 3b ist der Halbleiterwafer 30 gezeigt, dessen Frontseitenoberfläche 32 der alkalischen Texturierung in einer Inline-Anlage wie einer Nassbank unterzogen wurde. In der Nassbank wurde der Halbleiterwafer 30 auf Rollen transportiert und auf ihrer Ober- und Frontseitenoberfläche 32 beispielsweise durch Sprühen mit alkalischer Texturierlösung in Kontakt gebracht. Während dieses Vorgangs ist es praktisch nicht vermeidbar, dass die Rollen auch mit Texturierlösung benetzt werden und dadurch die Rückseitenoberfläche 34 indirekt mit etwas Texturierlösung benetzen, sodass die Rückseitenoberfläche 34 ebenfalls eine Textur aufweist. Diese weist jedoch eine kleinere durchschnittlichere Strukturgröße auf als die Textur der Frontseitenoberfläche 32, weil die Menge der mit der Rückseitenoberfläche in Kontakt tretenden alkalischen Texturierlösung im Vergleich zur Frontseitenoberfläche deutlich geringer ist.
Anschließend wird im in 3b gezeigte Halbleiterwafer 30 ein p-n-Übergang erzeugt. Dazu wird der in 3b gezeigte Halbleiterwafer 30 aus p-Typ-Material beispielsweise in einen Diffusionsofen transportiert, in dem er POCl₃ ausgesetzt wird. In 3c ist der einer Diffusion unterzogene Halbleiterwafer 30 gezeigt. Durch die Behandlung in dem Diffusionsofen hat sich phosphorhaltiges Oxid (nicht gezeigt) an Halbleiterwaferoberflächen gebildet, die die Frontseitenoberfläche 32, die Rückseitenoberfläche 34 und Kantenoberflächen (nicht gezeigt) umfassen, die die Frontseitenoberfläche 32, die Rückseitenoberfläche 34 verbinden. In dem Diffusionsofen ist Phosphor in den Halbleiterwafer diffundiert und hat eine n-dotierte Emitterschicht 36 an den Halbleiterwaferoberflächen gebildet.
Der in 3c gezeigte Halbleiterwafer 30 wird anschließend einer nasschemischen Ätzung zur Glättung der Rückseitenoberfläche 34 unterzogen. Die nasschemische Ätzung der Rückseitenoberfläche 34 wird mit einer Ätzlösung aufweisend 15 bis 40 Massen-% Salpetersäure und 5 bis 12 Massen-% Flusssäure bei einer Temperatur von 5 bis 25°C durchgeführt. Bei der nasschemischen Ätzung wird der Halbleiterwafer 30 mit der nach oben weisenden Rückseitenoberfläche auf Rollen zu der Ätzlösung transportiert und mit dieser besprüht oder bestrichen. Dabei werden die Rollen mit der Ätzlösung benetzt und bringen dadurch zwangsläufig auch die nach unten weisende Frontseitenoberfläche 32 in Kontakt mit der Ätzlösung. Die Frontseitenoberfläche 32 kommt mit der Ätzlösung aber in weitaus geringerem Maße in Kontakt als die Rückseitenoberfläche 34. Ebenso wie die Frontseitenoberfläche 32 kommen die Kantenoberflächen des Halbleiterwafers 30 in Kontakt mit der Ätzlösung. Die Ätzlösung glättet die Rückseitenoberfläche 34 unter Einebnung der rückseitigen Textur, wobei bevorzugt auch die rückseitige Emitterschicht 36 und das rückseitige Oxid entfernt werden. Auf den Kantenoberflächen bewirkt die Ätzlösung ebenfalls eine Entfernung des phosphorhaltigen Oxids und der Emitterschicht. Auf der Frontseitenoberfläche 32 bewirkt die Ätzlösung die Entfernung des phosphorhaltigen Oxids.
In 3d ist der Halbleiterwafer 30 nach Unterziehung der nasschemischen Ätzung gezeigt. Er weist eine texturierte Frontseitenoberfläche 32 mit einer Emitterschicht 36 und eine geglättete Rückseitenoberfläche 34 auf.
Auf dem in 3d gezeigten Halbleiterwafer 30 wird auf der Rückseitenoberfläche 34 eine die photovoltaischen Eigenschaften der Wafersolarzelle optimierende Passivierungsschicht 38 abgeschieden. Der Halbleiterwafer 30, der auf der Rückseitenoberfläche 34 die Passivierungsschicht 38 aufweist, ist in 3e gezeigt.
Auf dem in 3e gezeigten Halbleiterwafer 30 wird auf der Frontseitenoberfläche 32 eine Antireflexionsschicht 40 abgeschieden. Der Halbleiterwafer 30, der auf der Frontseitenoberfläche 32 die Passivierungsschicht 40 aufweist, ist in 3f gezeigt.
Der in 3f gezeigte Halbleiterwafer 30 wird anschließend der Erzeugung der Frontseiten-Elektrodenstruktur und der Rückseiten-Elektrodenstruktur unterzogen. Wie die Elektrodenstrukturen erzeugt werden, ist bereits in der Beschreibung zur 2 ausgeführt. Daher wird an dieser Stelle darauf verwiesen.
In 3g ist eine Halbleiterwafer-Solarzelle 46 gezeigt, die den Halbleiterwafer 30 mit der Frontseitenoberfläche 32 und der Rückseitenoberfläche 34, der rückseitig angeordneten Passivierungsschicht 38, der frontseitig angeordneten Emitterschicht 36 und der frontseitig angeordneten Antireflexionsschicht 40 aufweist. Rückseitig weist die Solarzelle 46 eine Rückseiten-Elektrodenstruktur 42 auf, die den Halbleiterwafer 30 durch die Passivierungsschicht 38 hindurch elektrisch kontaktiert. Frontseitig weist die Halbleiterwafer-Solarzelle 46 eine Frontseiten-Elektrodenstruktur auf, die Kontaktfinger (nicht gezeigt) und Busbars 44 umfasst, die die Kontaktfinger miteinander verbinden.
Bezugszeichenliste

10: alkalische Texturierung
12: nasschemische Ätzung
14: Passivierung
16: Erzeugen einer Frontseiten-Elektrodenstruktur und einer Rückseiten-Elektrodenstruktur
30: Halbleiterwafer
32: Frontseitenoberfläche
34: Rückseitenoberfläche
36: Emitterschicht
38: Passivierungsschicht
40: Antireflexionsschicht
42: Rückseiten-Elektrodenstruktur
44: Frontseiten-Elektrodenstruktur
46: Halbleiterwafer-Solarzelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010035582 [0004]

Claims

Verfahren zur Oberflächenbehandlung monokristalliner Halbleiterwafer (30) für die Herstellung von Solarzellen in einer Inline-Anlage, wobei der monokristalline Halbleiterwafer (30) eine Frontseitenoberfläche (32) und eine Rückseitenoberfläche (34) aufweist, mit folgenden Schritten: – alkalische Texturierung der Frontseitenoberfläche (32) mit einer alkalischen Texturierlösung, wobei die Rückseitenoberfläche (34) gegenüber der alkalischen Texturierlösung nicht maskiert ist und die alkalische Texturierung derart ausgeführt wird, dass die Rückseitenoberfläche (34) nicht oder weniger stark vergrößert wird als die Frontseitenoberfläche (32); und anschließend – nasschemische Ätzung zur Glättung der Rückseitenoberfläche (34).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der alkalischen Texturierung und der nasschemischen Ätzung als zusätzlicher Verfahrensschritt die Bildung eines p-n-Übergangs im Halbleiterwafer (30) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nasschemische Ätzung zur Glättung der Rückseitenoberfläche (34) derart durchgeführt wird, dass eine chemische Kantenisolation des Halbleiterwafers (30) mit dem p-n-Übergang erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die alkalische Texturierung der Frontseitenoberfläche (32) mit einer Texturierlösung aufweisend 1,5 bis 3,0 Massen-% Kaliumhydroxid und 1,5 bis 3,0 Massen-% Additiv bei einer Temperatur von 80–90°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nasschemische Ätzung der Rückseitenoberfläche (34) mit einer Ätzlösung aufweisend 15 bis 40 Massen-% Salpetersäure und 5 bis 12 Massen-% Flusssäure bei einer Temperatur von 5 bis 25°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der nasschemischen Ätzung der Rückseitenoberfläche (34) zumindest auf der Rückseitenoberfläche (34) eine die photovoltaischen Eigenschaften einer Wafersolarzelle optimierende Passivierungsschicht (38) abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der alkalischen Texturierung der Frontseitenoberfläche (32) auf der Frontseitenoberfläche (32) Pyramiden mit einer durchschnittlichen Strukturgröße < 5 µm, bevorzugt < 2 µm, bevorzugter < 1 µm, erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ätzung zur Glättung der Rückseitenoberfläche (34) ein Ätzabtrag > 1 µm, bevorzugt > 2 µm, bevorzugter > 3 µm, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die alkalische Texturierung der Frontseitenoberfläche (32) derart durchgeführt wird, dass ein Oberflächenvergrößerungsfaktor der Rückseitenoberfläche (34) maximal von 1,5 bis 1,9, bevorzugt 1,65 bis 1,75, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nasschemische Ätzung zur Glättung der Rückseitenoberfläche (34) derart durchgeführt wird, dass ein Oberflächenvergrößerungsfaktor der Rückseitenoberfläche (34) von < 1,3, bevorzugt < 1,1, bevorzugter 1,0 erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterwafer (30) vor dem Verfahrensschritt des alkalischen Texturierens in sägerauem Zustand bereitgestellt wird.
Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Halbleiterwafer-Solarzelle (46) mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines monokristallinen Halbleiterwafers (30), erhalten nach einem der Ansprüche 1 bis 11, Erzeugen einer Frontseiten-Elektrodenstruktur (44) und Erzeugen einer Rückseiten-Elektrodenstruktur (42).