DE102012216416A1 - Verfahren zur Herstellung optimierter Solarzellen - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Solarzellenwafers mit einem p-n-Übergang und einer Emitterschicht, vorgestellt, bei dem die Emitterschicht nach dem abschließenden Ätz- und Reinigungsschritt und vor dem Aufbringen weiterer Schichten in sauerstoffhaltiger Atmosphäre mit einer monochromen UV-Strahlung von 172 nm (+–14 nm) bestrahlt wird. Es wird eine geeignete Lichtquelle zur Erzeugung der monochromatischen UV-Strahlung genannt. Die erfindungsgemäße Behandlung des Substrats bewirkt ein verbessertes Aufwachsen von Folgeschichten auf der bestrahlten Fläche der Solarzelle.
Description
- Die Erfindung betrifft einen zusätzlichen Verfahrensschritt, der vor dem Aufbringen von Schichten, bspw. von Antireflexions- und/oder Passivierungsschichten, auf die Funktionsschichten der Oberfläche des Solarzellensiliziums einwirkt und der zu einer verbesserten Wirkungsgrad und/oder Alterungsbeständigkeit der Solarzellen im Solarzellenmodul führt.
- Solarzellen können im weiteren Sinne als großflächige Dioden angesehen werden, mit deren Hilfe die im Silizium erzeugten Ladungsträger-Paare getrennt werden.
- Die Herstellung von siliziumbasierten Solarzellen hat den großtechnischen Rahmen erreicht. Die Forschung und Entwicklung konzentriert sich hier wesentlich auf die weitere Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades, die Reduzierung der Herstellungskosten durch Prozessoptimierung und Materialeinsparung sowie auf die Erhöhung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit ohne Einschränkung des Wirkungsgrades.
- Übliche Vorgehensweisen sehen unter anderem vor, den durch Licht induzierten Ladungsträgerstrom zu maximieren, der die aktive Schicht der Solarzelle erreicht. Dazu werden die Solarzellen mit einer Antireflexionsschicht versehen, die den an der Solarzellenoberfläche reflektierten Lichtanteil reduziert. Darüber hinaus kommen häufig eine oder mehrere Passivierungsschichten zum Einsatz, die verhindern sollen, dass die Ladungsträger an der Oberfläche oder im Volumen der Solarzelle rekombinieren. Häufig sind Antireflexionsschicht und Passivierungsschicht identisch.
- Darüber hinaus werden die Kontakte, die auf der Oberfläche der Solarzelle die Ladungsträger abgreifen, möglichst schmal ausgebildet, da diese immer einen Teil der Solarzellenoberfläche abdecken, der dann nicht mehr als Lichteinkoppelfläche zur Verfügung steht. Die Kontakte sollen die freien Ladungsträger der Emitterschicht einsammeln. Der effektive Ladungsträgerstrom wird gemindert durch Rekombination an Defekten im Volumen oder an Grenzflächen. Dieser Effekt kann durch die Passivierung der Solarzelle u.a. mittels einer Passivierungsschicht deutlich reduziert werden. Gleichzeitig müssen für eine maximale elektrische Leistung der Solarzelle kleine Serienwiderstände und ein ausreichend hoher Shuntwiderstand zur Vermeidung von Leckströmen ausgebildet werden.
- Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle vorzuschlagen, dass auf kostengünstige und einfache Weise eine Verbesserung der Qualität der Grenzflächen und des Schichtaufbaus von Funktionsschichten der Solarzelle erzielt und somit zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades und/oder der Zuverlässigkeit der Solarzelle führt.
- In den Verfahren nach dem Stand der Technik wird das Solarwafer, nach dem Abschluss der vorhergehenden Behandlungsprozesse, die bspw. die Herausbildung der p-bzw. n-leitenden Schichten durch Dotierung im Solarzellenwafer sowie eine chemische Ätzung der Oxide einschließen, abschließend gereinigt und danach mit einer oder mehreren Antireflexions- und/oder Passivierungsschichten versehen. Diese Schichten bestehen bevorzugt aus SiNx:Hy, SiOx, SiOxNy:Hz, SiC, a-Si:H, Al2Ox oder Mischformen. Die Dicke von Antireflexionsschicht bzw. Schichten hängt von der Brechzahl und der Wellenlänge ab, bei der das Minimum der Reflexion liegen soll. Sie beträgt für typische SiN-Antireflexions/Passivierungsbeschichtungen auf kristallinem Silizium 75–95 nm bei einer Brechzahl von 2,08–2,15.
- Untersuchungen haben überraschend ergeben, dass der Wirkungsgrad von Solarzellen um ca. 0,1 bis 0,15 % absolut gesteigert werden kann, indem vor dem Aufbringen weiterer Schichten, wie der Antireflexions- und/oder Passiveirungsschicht, eine Behandlung der Vorderseite der Solarzelle mit einer VUV-Bestrahlung (VUV – Vakuumultraviolett-Strahlung, Wellenlänge zwischen 100 nm und 200 nm) in einer oxydierenden Atmosphäre stattfindet. Als besonders geeignet hat sich dabei die VUV-Bestrahlung mit einer Wellenlänge von 172 nm und/oder 185 nm erwiesen.
- Wenn von Licht mit einer Wellenlänge von 172 nm bzw. 185 nm die Rede ist, schließt diese Angabe einen Bereich von +–10 nm ein. Es handelt sich somit um Licht einer Wellenlänge von 172 nm +–10 nm und/oder einer Wellenlänge von 185 nm +–10 nm.
- Es wurde festgestellt, dass die in späteren Verfahrensschritten aufgebrachten Schichten eine bessere Qualität erreichen. Im Ergebnis dieser Bestrahlung wurde weiterhin festgestellt, dass die elektrische Kontaktierung der zwischen der Metallisierung und dem Silizium in späteren Verfahrensschritten durch reduzierten Serienwiderstand deutlich besser erfolgt.
- Erfindungsgemäß wird daher die obengenannte Aufgabe gelöst, indem die Grenzfläche der Solarzelle bevorzugt auf der dem Licht zugewandten Seite nach dem abschließenden Ätz- und Reinigungsschritt und vor dem Aufbringen weiterer Schichten, insbesondere vor dem Aufbringen der Antireflexions- und/oder Passivierungsschichten, in sauerstoffhaltiger Atmosphäre mit einer VUV-Strahlung von 172 nm und/oder 185 nm bestrahlt wird, wobei die eingebrachte Bestrahlungsstärke im Bereich von 5 mW/cm2 bis 50 mW/cm2 und die Bestrahlungsdauer im Bereich von 5 bis 50 sec liegen.
- Der Solarwafer (das Substrat) ist ein monokristalliner, oder multikristalliner Wafer für Photovoltaikanwendungen nach dem Stand der Technik. Der Wafer wird bevorzugt gemeinsam mit einer Mehrzahl weiterer Wafer in einem Wafercarrier gehalten und transportiert. Bevorzugt wird der Wafercarrier durch eine Abfolge von Behandlungskammern gefahren, wobei die notwendigen Bearbeitungsschritte vorgenommen werden. In benachbarten Behandlungskammern können unterschiedliche Umweltbedingungen herrschen, d. h. es können unterschiedliche Gaszusammensetzungen bei unterschiedlichen Drücken und unterschiedlichen Temperaturen vorliegen. Benachbarte Behandlungskammern, mit unterschiedlichen Umweltbedingungen, sind daher bevorzugt mittels Schleusen gegeneinander abgegrenzt. Der Transport der Wafercarrier erfolgt entweder kontinuierlich, wobei dieser in stetiger Bewegung verbleibt, diskontinuierlich, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit variiert wird oder auch schrittweise, wobei die Bewegung phasenweise unterbrochen wird, um abschnittsweise Behandlungen der Solarwafer zu ermöglichen.
- In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Solarwafer einzeln prozessiert. Er wird nach einem Ätz- und Reinigungsschritt in eine Behandlungskammer eingebracht, in der die erfindungsgemäße Behandlung vorgenommen wird. Bevorzugt wird der Wafer zwischen dem Ätz- und Reinigungsschritt und der erfindungsgemäßen Behandlung nicht länger als vier Stunden, besonders bevorzugt nicht länger als zwei Stunden und weiterhin bevorzugt nicht länger als eine Stunde der Umgebungsluft ausgesetzt. Vorzugsweise wird der Wafer unmittelbar nach dem Ätz- und Reinigungsschritt der erfindungsgemäßen Behandlung unterzogen.
- Besonders vorteilhaft wird das Licht mit 172 nm Wellenlänge mittels einer Excimer-Lampe erzeugt. Bei der Excimer-Lampe handelt es sich bevorzugt um ein Modell nach dem Stand der Technik, auf Xr2-Basis. Derartige Lampen strahlen ein nahezu monochromatisches VUV-Licht mit einer Wellenlänge von 172 nm aus.
- In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird intensives UV-Licht mit einer Wellenlänge von 185 nm mit einer Amalgamlampe erzeugt.
- Da die UV-Strahlung der Excimer-Lampe bzw. der Amalgamlampe in der freien Atmosphäre sehr schnell absorbiert wird, wird die Lampe bevorzugt unter Schutzgas hinter einer Quarzglasscheibe betrieben. Das Quarzglas ist auch im UV-Bereich bei den eingesetzten 172 nm bzw. 185 nm wenig lichtabsorbierend. Der Abstand von der Quarzglasscheibe zur Oberfläche des Substrates ist möglichst gering zu halten. Er beträgt bevorzugt 1 mm bis 10 mm, besonders bevorzugt 2 mm bis 5 mm.
- Als Schutzgas wird bevorzugt molekularer Stickstoff verwendet. Es sind jedoch auch andere Gase möglich, die das VUV-Licht nicht bzw. nur geringfügig absorbieren. Bevorzugt werden nicht nur eine sondern mehrere Lampen gemeinsam betrieben. Diese bilden dabei vorzugsweise eine Reihe von Lampen, die im Wesentlichen in rechtem Winkel zur Transportrichtung des Wafercarriers verläuft. Die Wafercarrier werden wie oben beschrieben kontinuierlich oder diskontinuierlich an der Quarzglasscheibe vorbeigeführt, so dass jeder Wafer die notwendige Bestrahlungsdosis (Produkt aus Bestrahlungsstärke und Bestrahlungszeit) erhält. Bei einer Einzel-Prozessierung kommt bevorzugt ein Array aus einer Mehrzahl von Lampen zum Einsatz, dass die zu bearbeitenden Wafer weitgehend gleichmäßig ausleuchtet. Die Abweichung der Ausleuchtung über die gesamte Emitterseite des Wafers beträgt bevorzugt weniger als 30 %, besonders bevorzugt weniger als 15 %.
- In einer bevorzugten Ausführungsform kommen sowohl Lampen zum Einsatz die Strahlung mit 172 nm emittieren, als auch Lampen, die 185 nm-Strahlung abgeben.
- Die Bestrahlungsstärke beträgt bevorzugt zwischen 10 mW/cm2 und 50 mW/cm2 und besonders bevorzugt zwischen 20 mW/cm2 und 30 mW/cm2.
- Die Atmosphäre in der Behandlungskammer hat bevorzugt einen Druck von 1000 mbar und entspricht in ihrer Zusammensetzung trockener Luft (20 % Sauerstoff in Stickstoff). In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Luft mit Wasserdampf versetzt.
- Vorzugsweise wird das Substrat während der erfindungsgemäßen Behandlung nicht zusätzlich erhitzt. Sollten abweichende Rezepturen eine Erhitzung verlangen, ist dies jedoch ohne negative Folgen für die Wirksamkeit des Verfahrens bis zu einer Temperatur von ca. 400°C möglich. Die Temperatur in der Behandlungskammer liegt daher vorzugsweise unterhalb 100°C und besonders bevorzugt unterhalb 80°C. Die Untergrenze der Temperatur ergibt sich aus den Anlagenbedingungen. Eine gesonderte Kühlung ist nicht vorgesehen, so dass die Temperatur die umgebende Raumtemperatur nicht unterschreiten wird.
- Die erfindungsgemäße Behandlung des Substrats bewirkt ein definierteres Aufwachsen von Folgeschichten auf der bestrahlten Fläche der Solarzelle. Offenbar wird durch die erfindungsgemäße Behandlung eine Aktivierung der Oberfläche des Solarwafers erreicht, so dass das Aufwachsen der folgenden Schichten sehr gleichmäßig und in hoher Qualität erfolgt. Bei diesen Folgeschichten handelt es sich bevorzugt um Antireflexions- und/oder Passivierungsschichten. Diese bestehen vorzugsweise aus SiNx:Hy, SiOx, SiOxNy:Hz, SiC, a-Si:H, Al2Ox oder Mischformen. Sie werden mit Verfahren nach dem Stand der Technik aufgebracht. Beispielhaft wird hier lediglich das PECVD-Verfahren genannt. Vorzugsweise wird der erfindungsgemäß behandelte Solarwafer unmittelbar nach der erfindungsgemäßen Behandlung den weiteren Beschichtungsvorgängen zugeführt. Der zeitliche Abstand zwischen erfindungsgemäßer Behandlung und weiteren Beschichtungsvorgängen beträgt bevorzugt nicht länger als vier Stunden, besonders bevorzugt nicht länger als zwei Stunden und weiterhin bevorzugt nicht länger als eine Stunde, in der der erfindungsgemäß behandelte Solarwafer der Umgebungsluft ausgesetzt ist.
- Es hat sich gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Behandlung auch die Kontaktierung in besserer Qualität möglich ist. Die behandelte Oberfläche geht offenbar eine besser leitfähige Verbindung mit dem Kontaktmaterial ein, wobei die Zahl der unerwünschten Rekombinationsvorgänge zurückgeht.
- Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass die erfindungsgemäße Behandlung der Vorderseite der Solarzelle das häufig beobachtete Phänomen, dass die Ausbeute der in Solarmodulen eingebauten Solarzellen im Betrieb abnimmt, wirksam verhindert oder zumindest stark reduziert.
- Ausführungsbeispiel 1
- Kristalline p-Wafer (
1 ) für Solarzellen mit einem frontseitigen n-dotierten Emitter und einem rückseitigen p-dotierten Bereich, die auf der Frontseite und auf der Rückseite Kontakte aufweisen, durchliefen die Prozessschritte Texturierung, Emitterdiffusion in einem Inline-Diffusionsofen und einer nasschemischen Entfernung des Phosphorsilikat-Glases nach der Diffusion. Vor der üblicherweise folgenden Abscheidung einer Passivierungs- und Antireflexionsschicht wurden die Wafer innerhalb eines auf ca. 1 h begrenzten Zeitfensters mit einer VUV-Lampe (2 ), die Strahlung mit einer Wellenlänge von 172 nm emittiert, ca. 15 Sekunden in getrockneter Luft (5 ) bestrahlt. Die Strahlungsleistung betrug ca. 30 mW/cm2. Danach erfolgten die weiteren Prozessschritte bis zur Bestimmung der Parameter der Solarzelle gemäß dem Stand der Technik. Die Auswertung der Parameter der Zelle ergab, dass gegenüber einer Referenzgruppe ohne VUV-Bestrahlung die Zelleffizienz um ca. 0,1 % absolut bei verringerter Streubreite der Parameter höher war. Der Effizienzgewinn resultiert aus einer Verbesserung des Serienwiderstandes, der bei den bestrahlten Zellen um 12 % geringer war. - Ausführungsbeispiel 2
- Die erfindungsgemäße Behandlung der Solarzelle hat überraschenderweise gezeigt, dass die Alterung von Solarzellen, die in Solarzellen-Modulen eingebaut sind, unter dem Einfluss hoher elektrischer Spannungen, die sogenannte Potential induzierte Degradation, verhindern oder zumindest deutlich reduziert werden kann. Dieser Effekt wurde an multikristallinen Standard p-Typ Solarzellen mit frontseitiger SiN-Beschichtung, montiert in Solarzellen-Modulen, nachgewiesen und ist auch auf andere bekannte Solarzellenkonzepte (PERC, MWT, EWT, IBC oder PANDA) mit frontseitiger Antireflex- und Passivierungsschicht oder Schichtstapeln übertragbar.
- Für einen PID-Test wurden in einem Modul zwei Strings von Solarzellen mit je 20 Zellen in Reihe gemeinsam verkapselt. Der erste String wurde nach dem Stand der Technik prozessiert, wobei für die Abscheidung der SiN-Schicht ein vergleichsweiser niedriger Brechungsindex von 2,03 und eine Schichtdicke von 85 nm eingestellt wurde. Üblicherweise liegt der Brechungsindes bei 2,1. Aus der Literatur ist jedoch bekannt, dass bei niedrigem Brechungsindex kleiner 2,1 die Gefahr der Potential induzierten Degradation zunimmt. Bei dem zweiten String des Solarmoduls wurden die Zellen vor der SiN-Abscheidung mit der erfindungsgemäßen Behandlung prozessiert.
- Das aufgebaute Testmodul wurde in einem Hochspannungsversuch über einen Zeitraum von 210 h auf Alterung getestet. Hierfür wurde das Modul auf der Glasoberseite mit einer feuchten Oberfläche versehen. Die Solarzelle wurde mit einem Hochspannungsgerät auf – 1000 V negatives Potential gegenüber der feuchten Glasoberfläche verschaltet. Vor, während und nach diesem Alterungstest wurden die elektrischen Kennlinie und Elektrolumineszenzbilder der einzelnen Strings bestimmt. Die Auswertung ergab, dass beim nicht erfindungsgemäß behandelte Solarzellenstring die Zellenleistung von 76,3 W auf 0,004 W gesunken war, was einem Totalausfall gleichkommt, sank beim erfindungsgemäß behandelten String die Zellenleistung nur von 77,5 W auf 76,7 W.
- Ausführungsbeispiel 3
- Die sogenannte Potential induzierte Degradation lässt sich vergleichbar zum 2. Ausführungsbeispiel verhindern oder zumindest deutlich reduzieren, wenn vor der üblicherweise folgenden Abscheidung einer Passivierungs- und Antireflexionsschicht innerhalb eines auf ca. 1 h begrenzten Zeitfensters die Wafer mit einer VUV-Lampe, die Strahlung mit einer Wellenlänge von 185 nm emittiert bei einer auf die Wellenlänge bezogene Strahlenleistung von etwa 30 mW/cm2 ca. 15 Sekunden in Luft (
5 ) bestrahlt wurde. Dieser Effekt wurde an multikristallinen Standard p-Typ Solarzellen mit frontseitiger SiN-Beschichtung nachgewiesen. - Figur
-
1 zeigt eine Anlagenkonfiguration zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Wafer (1 ) werden in einer Anlagenkonfiguration nach dem Durchlaufprinzip in den Bestrahlungsbereich der VUV-Lampe (2 ) gebracht. Dazu werden die Solarzellen-Wafer einzeln oder gruppenweise in Wafercarriern auf den Transportrollen (3 ) unter das Fenster (22 ) bewegt, dass für die UV-Strahlung (23 ) mit172 nm der Excimer-Lampe durchlässig ist. Die VUV-Strahlung, die von der VUV-Lampe (2 ) auf der dem Fenster (22 ) abgewandten Seite abgegeben wird, wird durch die Hohlspiegel (21 ) in Richtung des Fensters (22 ) reflektiert. Der Durchlauf unter der VUV-Lampe (2 ) erfolgt mit einer Geschwindigkeit, die sicherstellt, dass jeder Wafer die erforderliche Strahlungsleistung, hier 30 mW/cm2, über einen Zeitraum von ca. 15 s erhält. Die seitlich in die Anlage einströmende Luft (4 ) wird mittels einer Absaugung (41 ) von dem Bestrahlungsbereich unterhalb des Fensters (22 ) ferngehalten. Die Atmosphäre in diesem Bereich wird durch die Prozessgaszufuhr (5 ) bestimmt, die mit Stickstoff angereicherte trockene Luft und/oder Wasserdampf zuführt. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Wafer
- 2
- Excimer-Lampe
- 21
- Hohlspiegel
- 22
- Fenster für VUV-Strahlung der Excimer-Lampe
- 23
- VUV-Strahlung (172 nm)
- 3
- Transportrollen
- 4
- Luftzufluss
- 41
- Absaugung der Abluft
- 5
- Prozessgaszufuhr (trockene Luft und/oder Wasserdampf + N2)
Claims (8)
- Verfahren zur Herstellung eines Solarzellenwafers mit einem p-n-Übergang und einer Emitterschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterschicht nach dem abschließenden Ätz- und Reinigungsschritt und vor dem Aufbringen weiterer Schichten in sauerstoffhaltiger Atmosphäre mit einer VUV-Strahlung von 172 nm +–10 nm und/oder 185 nm +–10 nm bestrahlt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebrachte Bestrahlungsstärke im Bereich von 10 mW/cm2 und 50 mW/cm2 liegt.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur während der Bestrahlung unterhalb 100°C liegt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den weiteren Schichten um eine oder mehrere Antireflexions- und/oder Passivierungsschichten handelt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarzellenwafer sofort nach dem abschließenden Ätz- und Reinigungsschritt der Bestrahlung zugeführt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarzellenwafer sofort nach der Bestrahlung den folgenden Beschichtungsschritten zugeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung durchgeführt wird, indem der Solarzellenwafer kontinuierlich an der VUV-Strahlungsquelle vorbeigeführt wird, wobei die Geschwindigkeit und der Abstand so gewählt sind, dass die Bestrahlungsstärke im angegebenen Bereich liegt.
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung durchgeführt wird, indem der Solarzellenwafer diskontinuierlich an der VUV-Strahlungsquelle vorbeigeführt wird, wobei der Solarzellenwafer schrittweise verschoben werden, so dass alle Bereiche der Vorderseite nacheinander oder parallel die angegebene Bestrahlungsstärke erhalten.
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