DE102013002436A1

DE102013002436A1 - Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle mit einem selektiven Emitter

Info

Publication number: DE102013002436A1
Application number: DE201310002436
Authority: DE
Inventors: Thorsten Dullweber; Sabrina Wyczanowski
Original assignee: Institut fuer Solarenergieforschung GmbH
Current assignee: Institut fuer Solarenergieforschung GmbH
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2013-02-11
Publication date: 2013-08-14

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle mit einem selektiven Emitter beschrieben. Sowohl an einer Frontoberfläche (3) als auch an einer Rückoberfläche (5) eines Halbleitersubstrats (1) werden Emitterbereiche (11), (13) gebildet. Anschließend wird auf Starkdotierungsteilbereiche (17) des Emitterbereichs (11) an der Frontoberfläche (3) eine Ätzmaske (15) aufgebracht, welche dazwischenliegende Schwachdotierungsteilbereiche (19) nicht bedeckt. Nachfolgend wird das Halbleitersubstrat (1) mit einer flüssigen Ätzlösung (21) derart geätzt, dass die Rückseitenoberfläche (5) des Halbleitersubstrats (1) von der Ätzlösung (21) benetzt wird, die Frontoberfläche (3) von der Ätzlösung (21) jedoch im Wesentlichen nicht benetzt wird. Dabei wird ausgenutzt, dass sich über der Ätzlösung (21) eine ätzende Gasphase (27) ausbilden kann, die an der Frontoberfläche (3) die nicht von der Ätzmaske (15) geschützten Schwachdotierungsteilbereiche (19) teilweise zurückätzt. Auf diese Weise kann während des ohnehin vorgesehenen Ätzschrittes zum Entfernen des rückseitigen Emitters (13) und Glätten der Rückoberfläche (5) in einfacher Weise ein selektiver Emitter an der Frontoberfläche (3) erzeugt werden. Die Ätzmaske (15) soll dabei aus einem Material bestehen, welches sich bei direktem Kontakt mit der Ätzlösung (21) in kurzer Zeit auflöst, um z. B. zu vermeiden, dass in die Ätzlösung geratene Reste einer Ätzmaske beispielsweise Abläufe einer Ätzvorrichtung verstopfen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle mit einem selektiven Emitter.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Solarzellen dienen zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie. An einem Halbleitersubstrat, das eine Grunddotierung aufweist und damit eine Basis der Solarzelle bildet, wird ein flächiger Emitterbereich ausgebildet, der im Bezug zu der Basis einen entgegengesetzten Halbleitertyp aufweist. Zwischen der Basis und dem Emitterbereich bildet sich ein pn-Übergang, an dem durch absorbiertes Licht erzeugte Ladungsträgerpaare getrennt werden können.
Bei herkömmlichen Solarzellen ist die Dotierungskonzentration gewöhnlich über den gesamten Emitterbereich hin konstant, das heißt, der Emitter ist homogen. Die hierbei im Emitterbereich realisierte Dotierungskonzentration muss jedoch gegensätzlichen Ansprüchen genügen. Einerseits sollte die Dotierungskonzentration hoch sein, um Kontaktwiderstände zwischen dem Emitterbereich und darauf aufgebrachten Metallkontakten gering zu halten. Andererseits sollte die Dotierungskonzentration im Emitterbereich gering sein, um z. B. Rekombinationsverluste klein zu halten und damit eine Quanteneffizienz und letztendlich einen Wirkungsgrad der Solarzelle zu steigern.
Um diesen gegensätzlichen Anforderungen gerecht zu werden, wurden sogenannte selektive Emitter entwickelt. Bei diesen herrscht in stark dotierten Teilbereichen des Emitters eine hohe Dotierungskonzentration, so dass Metallkontakte, die auf diese Teilbereiche aufgebracht werden, einen geringen Kontaktwiderstand zu dem Halbleitersubstrat haben können. Zwischen den stark dotierten Teilbereichen finden sich schwach dotierte Teilbereiche, in denen das Substrat nicht elektrisch kontaktiert wird und in denen aufgrund der schwachen Dotierungskonzentration eine hohe Quanteneffizient erreichet werden kann.
DE 20 2008 017 782 U1 beschreibt eine Siliziumsolarzelle mit einem rückgeätzten hochdotierten Oberflächenschichtbereich sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle mit einem selektiven Emitter.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es kann ein Bedürfnis an einem alternativen Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle mit einem selektiven Emitter bestehen. Insbesondere kann ein Bedürfnis an einem Herstellungsverfahren für eine Solarzelle mit einem selektiven Emitter bestehen, dass sich einfach und kostengünstig für eine industrielle Herstellung von Solarzellen einsetzen lässt.
Ein solches Bedürfnis kann mit dem Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch der vorliegenden Anmeldung erfüllt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle mit einem selektiven Emitter beschrieben, das zumindest die folgenden Verfahrensschritte, vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge, aufweist: (a) Bereitstellen eines Halbleitersubstrats mit einer Frontoberfläche und einer Rückoberfläche; (b) Bilden jeweils eines Emitterbereichs sowohl an der Frontoberfläche als auch an der Rückoberfläche des Halbleitersubstrats; (c) Aufbringen einer Ätzmaske auf Starkdotierungsteilbereiche des Emitterbereichs an der Frontoberfläche, wobei die Ätzmaske Schwachdotierungsteilbereiche des Emitterbereichs an der Frontoberfläche nicht bedeckt; (d) Ätzen des Halbleitersubstrats mit einer das Material des Halbleitersubstrates ätzenden flüssigen Ätzlösung derart, dass die Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats von der Ätzlösung benetzt wird und die Frontoberfläche des Halbleitersubstrats von der Ätzlösung im Wesentlichen nicht benetzt wird. Dabei sollen während des Ätzens des Halbleitersubstrates Parameter derart eingestellt werden, dass sich angrenzend an eine Oberfläche der Ätzlösung eine ätzende Gasphase bildet. Die Ätzmaske soll derart mit einem Material und einer Schichtdicke ausgebildet sein, dass sie einerseits darunterliegende Bereiche während der gesamten Dauer des Ätzvorgangs ausreichend gegen die ätzende Gasphase schützt und sich die Ätzmaske andererseits bei direktem Kontakt mit der Ätzlösung innerhalb von weniger als 10 min, vorzugsweise weniger als 1 min und stärker bevorzugt weniger als 10 s auflöst.
Dieser Aspekt der Erfindung kann unter anderem als auf der folgenden Idee basierend angesehen werden: aus prozesstechnischen Gründen kann es bei der Herstellung einer Solarzelle vorteilhaft sein, Dotanden für die Bildung eines Emitterbereichs nicht nur gezielt an derjenigen Oberfläche des Halbleitersubstrates einzubringen, an der bei der fertigen Solarzelle der Emitter angeordnet sein soll, sondern stattdessen beispielsweise an der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrates Dotanden zur Bildung eines Emitterbereichs einzubringen. In einem nachfolgenden Ätzschritt kann dann der derart erzeugte Emitter an denjenigen Oberflächen, an denen bei der fertigen Solarzelle kein Emitter existieren soll, durch Abätzen entfernt werden. Hierzu kann das Halbleitersubstrat an den entsprechenden Bereichen mit einer flüssigen Ätzlösung benetzt werden. Da bei vielen Solarzellentypen der Emitter an einer Frontoberfläche des Halbleitersubstrates angeordnet sein soll und die Rückoberfläche des Halbleitersubstrates frei von einem Emitter bleiben soll, kann beispielsweise das gesamte Halbleitersubstrat derart mit einer Ätzlösung in Kontakt gebracht werden, dass lediglich die Rückoberfläche benetzt wird und an der Frontoberfläche im Wesentlichen keine Ätzlösung mit dem Halbleitersubstrat in Kontakt kommt. Unter „im Wesentlichen” kann hierbei verstanden werden, dass der überwiegende Teil der Frontoberfläche nicht mit der Ätzlösung benetzt wird, was nicht ausschließen soll, dass beispielsweise an Kanten des Halbleitersubstrates geringfügig Ätzlösung um die Kanten herum fließt und in Kontakt mit der Frontoberfläche kommt.
Es wurde nun beobachtet, dass während eines solchen gezielten Ätzens des Halbleitersubstrates ausschließlich an seiner Rückoberfläche Parameter, die den Ätzvorgang beeinflussen können, derart eingestellt werden können, dass sich angrenzend an eine Oberfläche der Ätzlösung eine ätzende Gasphase bildet. Beispielsweise können aus der flüssigen Ätzlösung Substanzen freigesetzt werden, die sich in einer umgebenden Atmosphäre anreichern und dort eine ätzende Gasphase bilden. Parameter, die die Bildung einer ätzenden Gasphase während des Ätzens des Halbleitersubstrats beeinflussen können, sind unter anderem die Temperatur der Ätzlösung, die Fläche und Beschaffenheit einer an die umgebende Atmosphäre angrenzenden Oberfläche der Ätzlösung, Gasdrücke innerhalb der Ätzlösung, eine Flüchtigkeit der in der Ätzlösung verwendeten Substanzen, etc.. Auch Parameter der umgebenden Atmosphäre können die Bildung der ätzenden Gasphase während des Ätzens des Halbleitersubstrates beeinflussen. Beispielsweise kann eine Temperatur, ein Feuchtigkeitsgehalt, eine Strömungsgeschwindigkeit, etc. der umgebenden Atmosphäre Einfluss auf die Bildung der ätzenden Gasphase haben.
Es wurde nun erkannt, dass die sich bildende ätzende Gasphase gezielt dazu genutzt werden kann, auch die nicht mit Ätzlösung benetzte Frontoberfläche des Halbleitersubstrats während eines Ätzvorgangs, bei dem die Rückoberfläche des Halbleitersubstrats zurückgeätzt und ein dort ausgebildeter Emitterbereich entfernt werden soll, zumindest teilweise zurückzuätzen. Dabei kann genutzt werden, dass die ätzende Gasphase im Allgemeinen eine geringere Ätzwirkung aufweist als die Ätzlösung. Die mit der Ätzlösung benetzte Rückoberfläche wird daher innerhalb eines Ätzzeitraums wesentlich stärker zurückgeätzt als die nicht mit Ätzlösung benetzte sondern nur mit der ätzenden Gasphase in Kontakt stehende Frontoberfläche des Halbleitersubstrats.
Da zur Erzeugung eines selektiven Emitter nicht die gesamte Frontoberfläche des Halbleitersubstrats zurückgeätzt werden soll, werden vor dem Ätzvorgang Teilbereiche des an der Frontoberfläche zuvor ausgebildeten Emitterbereichs, welche hier nachfolgend als Starkdotierungsteilbereiche bezeichnet werden, durch Aufbringen einer Ätzmaske geschützt. Die Ätzmaske soll zumindest für die Zeitdauer, die der Ätzvorgang benötigt, ausreichend resistent gegen die ätzende Gasphase sein und verhindern, dass diese ätzende Gasphase an den geschützten Starkdotierungsteilbereichen den an der Frontoberfläche ausgebildeten Emitterbereich angreift. Benachbart zu den Starkdotierungsteilbereichen sind Schwachdotierungsteilbereiche des Emitterbereichs an der Frontoberfläche vorgesehen, die nicht durch die Ätzmaske bedeckt werden, so dass während des Ätzvorgangs die ätzende Gasphase mit diesen Schwachdotierungsteilbereichen in Kontakt kommt und den dort zuvor ausgebildeten Emitterbereich lokal zurückätzt.
Während die Ätzmaske mit einem Material und einer Dicke ausgebildet sein soll, welches zumindest für die Zeitdauer, die der Ätzvorgang benötigt, ausreichend resistent gegen die ätzende Gasphase ist, ist es bevorzugt sein, für die Ätzmaske ein Material einzusetzen, welches bei Kontakt mit der Ätzlösung signifikant angegriffen wird, so dass sich die Ätzmaske innerhalb einer verhältnismäßig kurzen Zeitdauer in der Ätzlösung auflöst.
Beispielsweise soll sich die Ätzmaske bei direktem Kontakt mit der Ätzlösung auflösen, bevor beispielsweise eine Ätzvorrichtung, in der die Ätzlösung aufgenommen ist, zu verstopfen droht, beispielsweise innerhalb einer Zeitdauer von weniger als 10 min. Vorzugsweise soll sich die Ätzmaske innerhalb einer Zeitdauer, die kürzer ist, als die Zeitdauer, die der Ätzvorgang benötigt, auflösen. Hierzu kann das für die Ätzmaske verwendete Material beispielsweise derart ausgewählt werden, dass es in der Ätzlösung selbst eine wenigstens 3-fach, vorzugsweise eine wenigstens 10-fach und stärker bevorzugt eine wenigstens 20-fach höhere Ätzrate aufweist als in der ätzenden Gasatmosphäre.
Dadurch, dass das Material der Ätzmaske zwar gegen die sich oberhalb der Ätzlösung bildende ätzende Gasphase ausreichend resistent ist, um darunter liegende Bereiche während eines Ätzvorgangs zu schützen, aber bei Kontakt mit der Ätzlösung selbst verhältnismäßig schnell angegriffen und aufgelöst wird, kann erreicht werden, dass für einen bei der Solarzellenfertigung gelegentlich auftretenden Fall, dass während des Ätzvorgangs z. B. Halbleitersubstrate zerbrechen und in das Ätzbad fallen oder sich eine Ätzmaske von einem Halbleitersubstrat löst, keine unaufgelösten Reste der Ätzmaske lange in der Ätzlösung verbleiben. Dadurch kann z. B. vermieden werden, dass Ätzbäder, bei denen im industriellen Fertigungsmaßstab die Ätzlösung meist kontinuierlich umgewälzt wird, beispielsweise an ihren Abläufen durch unaufgelöste Reste der Ätzmaske verstopft werden.
Unter „auflösen der Ätzmaske” kann in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass sich die Ätzmaske in der Ätzlösung zumindest so weitgehend zersetzt, dass etwaige Reste den laufenden Betrieb eines Ätzbades nicht gefährden können und insbesondere keinen Ablauf des Ätzbades verstopfen können.
Die Ätzmaske kann beispielsweise mit einer Dicke von mehr als 100 nm, vorzugsweise mehr als 1 μm und noch stärker bevorzugt mehr als 5 μm ausgebildet werden. Die Ätzmaske kann dabei beispielsweise mit einem Material ausgebildet sein, welches in der Ätzlösung eine Ätzrate von mehr als 10 nm/min, vorzugsweise von mehr als 100 nm/min, stärker bevorzugt mehr als 1 μm/min, aufweist und welches in der ätzenden Gasatmosphäre eine Ätzrate von weniger als 1 μm/min, vorzugsweise von weniger als 100 nm/min, stärker bevorzugt von weniger als 10 nm/min aufweist.
Beispielsweise kann die Ätzmaske hauptsächlich mit einem anorganischen Material ausgebildet sein. Insbesondere kann die Ätzmaske hauptsächlich mit einem Oxid-basierten Material beziehungsweise einem Dielektrikum ausgebildet sein. „Hauptsächlich” kann dabei bedeuten, dass ein überwiegender Anteil, beispielsweise mehr als 50%, vorzugsweise mehr als 90%, 95% oder 99%, der Ätzmaske aus dem genannten Material bestehen, so dass bei Kontakt mit der Ätzlösung allenfalls geringfügige unaufgelöste Reste verbleiben. Als vorteilhafte Beispiele für Dielektrika können Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid dienen. Allerdings können auch organische Materialien für die Ätzbarriere eingesetzt werden, sofern diese sich bei Kontakt mit der Ätzlösung ausreichend schnell auflösen.
Vorzugsweise werden während des Vorgangs des Ätzens des Halbleitersubstrats Prozessparameter, die diesen Vorgang beeinflussen, derart eingestellt, dass durch das Ätzen des Halbleitersubstrats der an der Rückoberfläche gebildete Emitterbereich vollständig entfernt wird und der an der Frontoberfläche gebildete Emitterbereich in den Schwachdotierungsteilbereichen in seiner Dicke zwar reduziert wird, aber nicht vollständig entfernt wird. Mit anderen Worten werden beispielsweise Prozessparameter wie eine Ätzdauer, eine Temperatur der Ätzlösung, eine Konzentration von ätzenden Substanzen in der Ätzlösung, eine Temperatur der umgebenden Atmosphäre, ein Fluss der umgebenden Atmosphäre, etc. derart gewählt, dass die Ätzwirkung an der von der Ätzlösung benetzten Rückoberfläche des Halbleitersubstrats ausreichend stark ist, dass der gesamte zuvor gebildete Emitter dort abgeätzt wird und dass andererseits die von der ätzenden Gasphase erzeugte Ätzwirkung ausreichend gering ist, dass an der Frontoberfläche der dort befindliche Emitter in den Schwachdotierungsteilbereichen zwar zurückgeätzt wird, aber nicht vollständig entfernt wird.
Den Vorgang des Ätzens beeinflussende Prozessparameter können insbesondere derart eingestellt werden, dass durch das Ätzen des Halbleitersubstrats der an der Frontoberfläche gebildete Emitterbereich in den Schwachdotierungsteilbereichen, die nicht von der Ätzmaske geschützt werden, in seiner Dicke derart reduziert wird, dass ein Emitterschichtwiderstand in den Schwachdotierungsteilbereichen wenigstens 20 ohm per square, vorzugsweise wenigstens 40 ohm per square und stärker bevorzugt wenigstens 60 ohm per square größer ist als in den Starkdotierungsteilbereichen, die durch die Ätzmaske gegen ein Zurückätzen geschützt sind. Beispielsweise kann der Emitterschichtwiderstand in den Starkdotierungsbereichen zwischen 30 und 60 ohm per square liegen und in den Schwachdotierungsbereichen zwischen 80 und 120 Ohm per square.
Auf diese Weise kann die ätzende Gasphase, die sich während des Rückätzens des Halbleitersubstrats zum Entfernen des rückseitigen Emitterbereichs bildet, in vorteilhafter Weise dazu genutzt werden, einen selektiven Emitter mit stark dotierten Teilbereichen, in denen später Metallkontakte das Halbleitersubstrat mit geringem Kontaktwiderstand kontaktieren können, und schwach dotierten Teilbereichen, die geringe Rekombinationsverluste mit sich bringen, zu bilden. Insbesondere sind hierzu keine zusätzlichen Prozessierungsschritte notwendig.
Das vorgeschlagene Verfahren kann besonders vorteilhaft wirken, wenn vor dem Bilden der Emitterbereiche sowohl die Frontoberfläche als auch die Rückoberfläche texturiert werden. Beispielsweise werden bei vielen Solarzellenherstellungsprozessen die Halbleitersubstrate zunächst an ihrer gesamten Oberfläche texturiert, indem sie in eine flüssige Texturätzlösung eingetaucht werden. Sich während eines solchen Texturätzens bildende Texturierungen, beispielsweise in Form von Zufallspyramiden oder invertierten Pyramiden, können beispielsweise eine Reflexion von eingestrahltem Licht an der Frontoberfläche der Solarzelle verringern und somit zu einer Steigerung des Wirkungsgrads der Solarzelle beitragen. Allerdings wurde beobachtet, dass eine starke Texturierung an einer Rückoberfläche der Solarzelle negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Solarzelle haben kann. Daher kann es vorteilhaft sein, während des Ätzvorgangs zum Entfernen der rückseitigen Emitterbereiche Prozessparameter, die den Vorgang des Ätzens beeinflussen, derart einzustellen, dass durch das Ätzen des Halbleitersubstrates die an der Rückoberfläche gebildete Texturierung zumindest substanziell geglättet wird. Unter „substanziell geglättet” kann hierbei verstanden werden, dass scharfe Kanten und Spitzen einer an der Rückoberfläche gebildeten Texturierung zumindest so stark verrundet werden, dass ihr negativer Einfluss auf den Wirkungsgrad der fertiggestellten Solarzelle vernachlässigt werden kann. Beispielsweise können die den Ätzvorgang beeinflussenden Prozessparameter so eingestellt werden, dass die an der Rückoberfläche gebildete Texturierung im Wesentlichen vollständig nivelliert wird, wobei in diesem Zusammenhang auch von einer nasschemischen Politur der Rückoberfläche gesprochen wird.
Insbesondere auf einer zuvor geglätteten Rückoberfläche eines Halbleitersubstrates kann es für den Wirkungsgrad der derart hergestellten Solarzelle vorteilhaft sein, nach dem Ätzen des Halbleitersubstrates eine passivierende Dielektrikumschicht auf die Rückoberfläche aufzubringen. Die passivierende Dielektrikumschicht kann beispielsweise eine Schicht aus Aluminiumoxid (AlO_x, z. B. Al₂O₃), Siliziumoxid (SiO_x, z. B. SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si_xN_y, z. B. Si₃N₄) oder auch ein Schichtstapel aus mehreren Schichten, z. B. ein Stapel aus Aluminiumoxid und Siliziumnitrid sein, welche eine Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an der Rückoberfläche des Halbleitersubstrats signifikant reduzieren und somit Rekombinationsverluste an dieser Oberfläche mindern kann.
Nach dem Ätzen des Halbleitersubstrates können elektrische Kontakte beispielsweise in Form von lokalen Metallisierungen insbesondere auf die Starkdotierungsbereiche an der Frontoberfläche des Halbleitersubstrats aufgebracht werden. Da in diesen Starkdotierungsbereichen eine hohe Dotierungskonzentration vorherrscht, die beispielsweise in einem Emitterschichtwiderstand von weniger als 70 ohm per square, vorzugsweise weniger als 60 ohm per square und stärker bevorzugt weniger als 50 ohm per square, resultiert, können zur Bildung der elektrischen Frontseitenkontakte Metallisierungsverfahren eingesetzt werden, die hinsichtlich der Dotierungskonzentration in den zu kontaktierenden Halbleiterbereichen Mindestanforderungen stellen. Beispielsweise kann eine Siebdruckmetallisierung eingesetzt werden, bei der metallhaltige Pasten aufgedruckt und anschließend eingefeuert werden, wobei ein Emitterschichtwiderstand nicht zu groß sein darf bzw. eine Dicke der Emitterschicht nicht zu klein sein darf, um beispielsweise lokale Kurzschlüsse oder hohe Kontaktwiderstände zu vermeiden.
Als Ätzlösung können sowohl saure als auch alkalische Lösungen eingesetzt werden. Beispielsweise kann zum Ätzen von Halbleitersubstraten aus Silizium eine saure Ätzlösung auf Basis von Flusssäure (HF) und/oder Salpetersäure (HNO₃) verwendet werden. Alternativ kann eine alkalische Ätzlösung basierend beispielsweise auf Kaliumhydroxid (KOH) verwendet werden.
Die Ätzmaske kann beispielsweise mit einem organischen Lack, einer organischen Paste, einem dielektrikum-bildenden Lack, einer dielektrikum-bildenden Paste oder einem Dielektrikum, welches beispielsweise lokal aufgedampft, aufgesputtert oder in anderer Weise abgeschieden wird, gebildet werden.
Die Ätzmaske kann beispielsweise durch Inkjet-Druck, Siebdruck, Walzendruck oder Schablonendruck aufgebracht werden.
Die genannten Ätzmaskenmaterialien bzw. Verfahren zum Aufbringen der Ätzmaske erlauben ein einfaches, zuverlässig reproduzierbares und kostengünstiges Ausbilden der Ätzmaske. Beispielsweise können organische Lacke oder Pasten, bzw. dielektrikum-bildende Lacke oder Pasten einfach mittels Injet-Druck oder Siebdruck auf die Frontoberfläche des Halbleitersubstrats auf die Starkdotierungsteilbereiche aufgebracht werden. Dabei erlauben die Rheologie der Lacke bzw. Pasten sowie die Genauigkeit der Druckverfahren, dass die Maske lediglich die angestrebten Starkdotierungsteilbereiche, die beispielsweise linienförmig mit einer Breite von weniger als 200 μm, vorzugsweise weniger als 100 μm sein können, bedeckt und dazwischenliegende Schwachdotierungsbereiche mit einer Breite von beispielsweise 1 mm bis 3 mm frei bleiben.
Das beschriebene Verfahren zum Herstellen von Solarzellen eignet sich insbesondere zum Herstellen von Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad, beispielsweise auf Basis von Siliziumwafern. Das Verfahren erlaubt jedoch auch, Solarzellen basierend auf anderen Halbleitermaterialien mit einem selektiven Emitter herzustellen. Die für die Bildung der Ätzmaske und zum Ätzen des Halbleitersubstrates verwendeten Materialien können dabei spezifisch an das Material des Halbleitersubstrats angepasst werden.
Während in der vorangegangenen Beschreibung hauptsächlich die für das vorgestellte Verfahren wesentlichen Verfahrensschritte und deren Merkmale beschrieben wurden, wie diese auch in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, erkennt ein Fachmann, dass zum vollständigen Herstellen einer Solarzelle weitere Prozessschritte notwendig oder vorteilhaft sein können. Beispielsweise kann eine vollständige Herstellungssequenz weitere Ätzschritte, Diffusionsschritte, Schritte zur Abscheidung von Oberflächenschichten, Metallisierungsschritte, etc. aufweisen. Ein Fachmann wird erkennen, dass die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte und deren Merkmale untereinander vorteilhaft kombiniert und mit weiteren Prozessierungsschritten ergänzt werden können, um auf diese Weise zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung und möglicherweise Synergieeffekten zu gelangen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform, die jedoch nicht als die Erfindung einschränkend auszulegen ist, und unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung ersichtlich.
1(a) bis (f) veranschaulicht eine Prozessierungssequenz eines Verfahrens zum Herstellen einer Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die in der Figur dargestellten Details sind jeweils nur schematisch veranschaulicht und nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich in den verschiedenen Teilen der Figur auf gleiche oder entsprechende Merkmale.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Mit Bezug auf die 1(a) bis (f) wird eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Solarzelle mit einem selektiven Emitter beschrieben.
Zunächst wird ein Halbleitersubstrat 1 in Form eines Siliziumwafers mit einer Frontoberfläche 3 und einer Rückoberfläche 5 bereitgestellt (Schritt (a)).
Das Halbleitersubstrat 1 wird nachfolgend durch Eintauchen in eine Texturätzlösung auf Basis von Natriumhydroxid (NaOH) an seiner gesamten Oberfläche mit einer Texturierung 7 in Form von Zufallspyramiden 9 versehen (Schritt (b)).
Anschließend werden an der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats 1, das heißt an der Frontoberfläche 3 und an der Rückoberfläche 5, Dotanden in das Halbleitersubstrat 1 oberflächlich eindiffundiert und auf diese Weise Emitterbereiche 11, 13 an der Frontoberfläche 3 bzw. an der Rückoberfläche 5 erzeugt (Schritt (c)). Beispielsweise kann das Halbleitersubstrat 1 hierzu bei hohen Temperaturen von über 800°C in eine dotanden-haltige Gasphase eingebracht werden, so dass Dotanden entlang der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 eindiffundieren können.
Nachfolgend werden Teilbereiche der Frontoberfläche 3 des Halbleitersubstrats 1 mit einer Ätzmaske 15 geschützt (Schritt (d)). Die Ätzmaske 15 bedeckt dabei lediglich die Starkdotierungsteilbereiche 17, in denen später bei der fertiggestellten Solarzelle ein stark dotierter, dicker Emitterbereich verbleiben soll, der gut durch Metallkontakte kontaktiert werden kann. Zwischen diesen Starkdotierungsteilbereichen 17 verbleiben Schwachdotierungsteilbereiche 19, die nicht vom Material der Ätzmaske bedeckt und somit von der Ätzmaske nicht gegen ein Zurückätzen geschützt sind.
Für einen nachfolgenden Ätzvorgang (Schritt (e)) wird das Halbleitersubstrat 1 an seiner Rückoberfläche 5 in Kontakt mit einer Ätzlösung 21 gebracht. Die Ätzlösung 21 befindet sich dabei beispielsweise in einem Becken 23 einer Nassbank. Die Ätzlösung 21 wird beispielsweise auf eine erhöhte Temperatur im Bereich von 60 bis 90 Grad erhitzt. Damit das Halbleitersubstrat 1 während des Ätzvorgangs lediglich an seiner Rückoberfläche mit der Ätzlösung 21 in Kontakt kommt und von dieser benetzt wird, wird es von Stützrollen 25 gehalten, welche in einer geeigneten Position relativ zu einer Oberfläche der Ätzlösung 21 innerhalb des Beckens 23 angeordnet sind.
Aufgrund der erhöhten Temperatur der Ätzlösung 21 sowie der Flüchtigkeit der darin enthaltenen ätzenden Substanzen bildet sich angrenzend an eine Oberfläche der Ätzlösung 21 eine ätzende Gasphase 27, welche in der Figur schematisch durch eine Wolke dargestellt ist. Die in der Gasphase 27 enthaltenen ätzenden Substanzen greifen die Frontoberfläche des Halbleitersubstrats 1 überall dort an, wo diese nicht durch die Ätzmaske 15 geschützt ist. Wie in der vergrößerten Darstellung aus 1(e) ersichtlich, behält der von der Ätzmaske 15 geschützte Emitterbereich 11 in den Starkdotierungsbereichen 17 somit während des Ätzvorgangs weitestgehend seine ursprüngliche Dicke. In den dazwischen liegenden Schwachdotierungsbereichen 19 wird der Emitterbereich 11 jedoch während des Ätzvorgangs durch die ätzende Gasphase 27 teilweise zurückgeätzt und verliert somit an Dicke, so dass der Emitterschichtwiderstand in diesen Schwachdotierungsbereichen ansteigt. Die den Ätzvorgang beeinflussenden Parameter können dabei so gewählt werden, dass einerseits an der Rückoberfläche 5 der zuvor dort erzeugte Emitterbereich 13 vollständig entfernt wird und andererseits an der Frontoberfläche 3 in den Schwachdotierungsbereichen 19 wenigstens eine so dicke Emitterschicht 11 verbleibt, dass eine Schichtwiderstand von beispielsweise zwischen 80 und 300 ohm per square, vorzugsweise zwischen 100 und 200 ohm per square, in diesen Schwachdotierungsteilbereichen erreicht wird, wie er für eine Erreichung einer hohen Quanteneffizienz für die Solarzelle vorteilhaft ist.
Nach dem ausführlich beschriebenen Ätzvorgang kann die Solarzelle fertig prozessiert werden (Schritt (f)), wobei hier nur beispielhaft zwei mögliche Prozesssequenzen kurz beschrieben werden.
Sowohl an der Rückoberfläche 5 als auch an der Frontoberfläche 3 kann eine passivierende Dielektrikumschicht 29 beispielsweise durch plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung (PECVD, plasma enhanced chemical vapour deposition) abgeschieden werden. Die Dielektrikumschicht 29 kann an der Rückoberfläche 5 lokal geöffnet werden und ein ganzflächiger Metallkontakt 31 auf die Rückoberfläche 5 aufgebracht werden, der die Rückoberfläche 5 des Halbleitersubstrats 1 dann an den lokalen Öffnungen 33 kontaktiert. An der Frontoberfläche 3 können lokal linienförmige Metallkontakte 35 aufgebracht werden. Sowohl der rückseitige Metallkontakt 31 als auch die frontseitigen Metallkontakte 35 können beispielsweise durch Siebdruck aufgebracht werden. Für den rückseitigen Metallkontakt 31 kann hierfür eine aluminium-haltige Siebdruckpaste verwendet werden, so dass sich bei einem nachfolgenden Einfeuerschritt im Bereich der lokalen Öffnungen 33 ein BSF (back surface field) 35 lokal bildet. Für die frontseitigen Metallkontakte 35 kann eine silber-haltige Siebdruckpaste verwendet werden, die sich bei einem nachfolgenden Einfeuerschritt durch die darunter liegende Dielektrikumschicht 29 durchfrisst und den darunter liegenden Starkdotierungsteilbereich 17 des Emitters 11 kontaktiert. Eine mit einer solchen Prozessierungssequenz hergestellte Solarzellenstruktur ist auch als PERC-Solarzelle (passivated emitter and rear cell) bekannt und hat aufgrund der während des Ätzschrittes (Schritt (e)) geglätteten und mit der Dielektrikumschicht 29 passivierten Rückoberfläche 5 ein hohes Wirkungsgradpotenzial.
Alternativ kann der oben beschriebene Ätzschritt, bei dem sowohl der zuvor erzeugte Emitterbereich 13 an der Rückoberfläche 5 vollständig entfernt wird, als auch in dem Emitterbereich 11 an der Frontoberfläche 3 eine lokal variierende Dotierungskonzentration eines selektiven Emitters erzeugt wird, auch zur Verbesserung von Standardsolarzellen verwendet werden, wie sie industriell derzeit meist mit einer Siebdruckmetallisierung hergestellt werden. Aufgrund des während des Ätzschrittes rückseitig entfernten Emitterbereichs 13 kann auf einen zusätzlichen Schritt der Kantenisolation verzichtet werden. Auf die derart freigeätzte Rückoberfläche kann dann ein ganzflächiger Aluminiumkontakt aufgedruckt werden.
Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „umfassen”, „aufweisen” etc. das Vorhandensein weiterer Elemente nicht ausschließen. Der Begriff „ein” schließt auch das Vorhandensein einer Mehrzahl von Gegenständen nicht aus. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen lediglich der besseren Lesbarkeit und sollen den Schutzbereich der Ansprüche in keiner Weise einschränken.
Bezugszeichenliste

1: Halbleitersubstrat
3: Frontoberfläche
5: Rückoberfläche
7: Textur
9: Pyramide
11: frontseitiger Emitterbereich
13: rückseitiger Emitterbereich
15: Ätzmaske
17: Starkdotierungsteilbereich
19: Schwachdotierungsteilbereich
21: Ätzlösung
23: Ätzbecken
25: Stützrolle
27: ätzende Gasphase
29: passivierende Dielektrikumschicht
31: rückseitiger Metallkontakt
33: lokale Öffnung
35: frontseitiger Metallkontakt
37: lokales BSF

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202008017782 U1 [0005]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle mit einem selektiven Emitter, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Halbleitersubstrates (1) mit einer Frontoberfläche (3) und einer Rückoberfläche (5); Bilden jeweils eines Emitterbereiches (11, 13) sowohl an der Frontoberfläche (3) als auch an der Rückoberfläche (5) des Halbleitersubstrates (1); Aufbringen einer Ätzmaske (15) auf Starkdotierungsteilbereiche (17) des Emitterbereichs (11) an der Frontoberfläche (3), wobei die Ätzmaske (15) Schwachdotierungsteilbereiche (19) des Emitterbereichs (11) an der Frontoberfläche (3) nicht bedeckt; Ätzen des Halbleitersubstrates (1) mit einer das Material des Halbleitersubstrates (1) ätzenden flüssigen Ätzlösung (21) derart, dass die Rückoberfläche (5) des Halbleitersubstrates (1) von der Ätzlösung (21) benetzt wird und die Frontoberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1) von der Ätzlösung (21) im Wesentlichen nicht benetzt wird, wobei während des Ätzens des Halbleitersubstrates (1) Parameter derart eingestellt werden, dass sich angrenzend an eine Oberfläche der Ätzlösung (21) eine ätzende Gasphase (27) bildet, und wobei die Ätzmaske (15) derart mit einem Material und einer Schichtdicke ausgebildet wird, dass die Ätzmaske einerseits darunterliegende Bereiche während der gesamten Dauer des Ätzvorgangs ausreichend gegen die ätzende Gasphase (27) schützt und sich die Ätzmaske andererseits bei direktem Kontakt mit der Ätzlösung innerhalb von weniger als 10 min auflöst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ätzmaske (15) hauptsächlich mit einem anorganischen Material ausgebildet ist.
Verfahren einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Ätzmaske (15) hauptsächlich mit einem Dielektrikum ausgebildet ist.
Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ätzmaske (15) hauptsächlich mit Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid ausgebildet ist.
Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Ätzmaske (15) mit einer Dicke von wenigstens 100 nm ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei den Vorgang des Ätzens beeinflussende Prozessparameter derart eingestellt werden, dass durch das Ätzen des Halbleitersubstrates (1) der an der Rückoberfläche (5) gebildete Emitterbereich (13) vollständig entfernt wird und der an der Frontoberfläche (3) gebildete Emitterbereich (11) in den Schwachdotierungsteilbereichen (19) in seiner Dicke reduziert wird, aber nicht vollständig entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei den Vorgang des Ätzens beeinflussende Prozessparameter derart eingestellt werden, dass durch das Ätzen des Halbleitersubstrates (1) der an der Frontoberfläche (3) gebildete Emitterbereich (11) in den Schwachdotierungsteilbereichen (19) in seiner Dicke derart reduziert wird, dass ein Emitterschichtwiderstand in den Schwachdotierungsteilbereichen (19) wenigstens 20 Ohm per square größer ist als in den Starkdotierungsteilbereichen (17).
Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei vor dem Bilden der Emitterbereiche (11, 13) die Frontoberfläche (3) und die Rückoberfläche (5) texturiert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei den Vorgang des Ätzens beeinflussende Prozessparameter derart eingestellt werden, dass durch das Ätzen des Halbleitersubstrates (1) die an der Rückoberfläche (5) gebildete Texturierung (7) substantiell geglättet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Ätzmaske (15) mit einem Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend einen Dielektrikum-bildenden Lack, eine Dielektrikum-bildende Paste und ein Dielektrikum gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Ätzmaske (15) mit einem Verfahren ausgewählt aus der Gruppe umfassend Inkjet-Druck, Siebdruck, Walzendruck und Schablonendruck aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei nach dem Ätzen des Halbleitersubstrates (1) eine passivierende Dielektrikumschicht (29) auf die Rückoberfläche (5) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei nach dem Ätzen des Halbleitersubstrates (1) elektrische Kontakte (35) auf die Starkdotierungsbereiche (17) an der Frontoberfläche (3) aufgebracht werden.