DE102013209669A1 - Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle (1) aus kristallinem Halbleitermaterial, wobei in einer ersten Oberfläche (3a) eines Halbleitersubstrats (3) ein erster Dotierungsbereich (5) durch thermisches Eindiffundieren eines ersten Dotanden und in der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats ein zweiter Dotierungsbereich (7) mit einem zweiten Dotanden gebildet wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle aus kristallinem Halbleitermaterial, wobei in einer ersten Oberfläche eines Halbleitersubstrats ein erster Dotierungsbereich durch thermisches Eindiffundieren eines ersten Dotanden und in der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats ein zweiter Dotierungsbereich mit einem zweiten Dotanden gebildet wird.
- Stand der Technik
- Solarzellen auf der Basis von mono- oder polykristallinem Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, erbringen trotz der Entwicklung und Markteinführung neuartiger Solarzellentypen, wie Dünnschicht- und organischen Solarzellen, den weitaus größten Teil der durch photovoltaische Energieumwandlung gewonnenen elektrischen Energie. Auch bei den kristallinen Silizium-Solarzellen gab es in jüngerer Zeit wesentliche neue Entwicklungen, zu denen die Solarzellen des o. g. Typs (speziell die sog. n-PERT-Solarzellen) zählen.
- Zur Erhöhung der Effizienz von industriellen Solarzellen wird momentan vermehrt die Entwicklung von Solarzellen mit phosphor- und bor-dotierten Bereichen vorangetrieben. Ein prominentes Beispiel sind bifaciale n-Typ Solarzellen, bei denen sich ein bor-dotierter Emitter auf der Vorderseite und ein phosphor-dotiertes Back Surface Field (BSF) auf der Rückseite der Zelle befindet.
- Insbesondere wenn die dotierten Bereiche mit einer Siebdruck-Metallisierung kontaktiert werden, ist es wünschenswert, für beide Dotanden unterschiedliche Dotierprofile einzustellen. Das Borprofil sollte relativ tief mit einer niedrigen Oberflächenkonzentration sein, während das Phosphorprofil eher flach mit einer höheren Oberflächenkonzentration sein sollte. Dies ist durch unterschiedliches Kontaktierverhalten der marktüblichen Metallisierungspasten bedingt.
- Diese unterschiedlichen Anforderungen stellen große Herausforderungen an die Prozessführung dar, da die Diffusionskonstanten von Phosphor und Bor nahezu gleich sind. Bei einer beispielhaften Ausführung mit zwei Diffusionsprozessen beeinflussen sich die Prozesse gegenseitig, da sie sequentiell durchgeführt werden müssen.
- Wenn die Phosphordiffusion vor der Bordiffusion durchgeführt wird, vergrößert das thermische Budget der Bordiffusion die Tiefe der Phosphordiffusion. In diesem Fall ist die Phosphordiffusion tiefer als die Bordiffusion – genau das Gegenteil des Designziels. Wenn die Phosphordiffusion nach der Bordiffusion durchgeführt wird, lasst sich zwar die gewünschte Profilkonfiguration einstellen. Allerdings besteht jetzt die Herausforderung den Boremitter vor der Einduffsion von Phosphor zu schützen. Dies ist insbesondere auf texturierten Solarzellenvorderseiten industriell kaum mit guter Ausbeute zu realisieren. Ein weiterer Nachteil der Ausführung mit zwei Diffusionsprozessen besteht in einer hohen Prozesskomplexität, da mehrere Hochtemperaturschritte und Abdeckschichten notwendig sind.
- Einige Ansätze mit reduzierter Prozesskomplexität versuchen die Diffusion von Bor- und Phosphor gleichzeitig in einem Hochtemperaturschritt durchzuführen, als eine sog. Codiffusion. Diese kann zum Beispiel durch Diffusion aus Dotiergläsern oder durch Ionenimplantation von beiden Spezies mit nachfolgendem Eintreibschritt erfolgen. Offensichtlich sind auch mit diesem Ansatz beide Diffusionsprofile gleich tief.
- Offenbarung der Erfindung
- Mit der Erfindung wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Die Erfindung schließt den Gedanken ein, bei der Erzeugung von vorder- und rückseitigen Dotierungsbereichen in einer Solarzelle mit Dotanden, die vergleichbare Diffusionskonstanten haben, nur einen der beiden Dotierungsprozesse als durch die Diffusionskonstante determinierten Prozess, den anderen hingegen auf andere Weise auszuführen. Sie schließt weiterhin den Gedanken ein, für jenen Prozess eine Ionenimplantation zu nutzen, wobei der auch hierbei zumindest zum Ausheilen von Gitterdefekten erforderliche thermische Schritt geeignet eingestellt wird. Des Weiteren schließt die Erfindung den Gedanken ein, die fraglichen Dotierungsbereiche der verschiedenen Dotanden derart zu bilden, dass das Dotierungsprofil des zweiten Dotierungsbereichs relativ zu dem des ersten Dotierungsbereichs flacher und/oder durch eine höhere Oberflächenkonzentration des zweiten Dotanden gegenüber dem ersten Dotanden charakterisiert ist.
- In aus heutiger Sicht zweckmäßigen Ausgestaltungen des Verfahrens werden als Halbleitermaterial Silizium und als erster Dotand ein Element aus der Bor, Indium, Gallium, Aluminium umfassenden Gruppe, insbesondere Bor, und als zweiter Dotand ein Element aus der Phosphor, Arsen, Antimon, umfassenden Gruppe, insbesondere Phosphor, eingesetzt. Speziell die Dotandenkombination Bor/Phosphor ist mit Blick auf jüngere, effektivitäts-steigernde Solarzellenentwicklungen von großer praktischer Bedeutung.
- Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht in der sehr hohen Güte der funktionswichtigen Dotierungsbereiche, speziell des Back Surface Fields, was sehr hohe Solarzelleneffizienzen erlaubt. Ein weiterer Vorteil besteht bei einer zweckmäßigen Ausführung in der hohen Qualität der SiO/SiN Passivierung, insbesondere durch die zweistufige Oxidation auf der Vorderseite. Die vorgeschlagene Prozessführung ist mindestens in vorteilhaften Ausführungen, wie weiter unten erläutert, in den Herstellungskosten vielen Varianten mit zusätzlichen Maskierschichten und Ätzprozessen überlegen.
- Im Hinblick hierauf ist insbesondere vorgesehen, dass der erste Dotierungsbereich mittels thermisch bestimmter Diffusion als Emitterbereich in der vorderseitigen Oberfläche eines n-Siliziumsubstrats und der zweite Dotierungsbereich in einem ionenimplantations-determinierten Schritt als Back Surface Field (BSF) in der rückseitigen Oberfläche des n-Siliziumsubstrats gebildet werden. Die Erfindung ist aber auf diese spezielle Konstellation von Dotierungsbereichen nicht beschränkt, sondern ebenso für andere solarzellen-typische Dotierungsbereich-Konfigurationen einsetzbar, die mittels Dotanden mit vergleichbaren Diffusionskonstanten, jedoch mit unterschiedlichem Dotierungsprofil, gebildet werden sollen.
- In einer weiteren Ausführung umfasst die Bildung des zweiten Dotierungsbereichs, also des ionenimplantations-determinierten Bereichs, einen Ausheilschritt bei einer Temperatur unter 950°C. Je nach Dotanden und Parametern der Ionenimplantation und der hierdurch bestimmten mittleren Anzahl und Art der Gittereffekte und Anforderungen an die Aktivierung des Dotanden können auch deutlich niedrigere Temperaturen bis hinab zu 800°C oder darunter eingestellt werden.
- Auf der anderen Seite kann die Bildung des ersten Dotierungsbereichs einen Schritt des thermischen Eintreibens des ersten Dotanden in beide Oberflächen bei einer Temperatur über 950°C, gefolgt von einem Rückätzen des in der zweiten Oberfläche mit dem ersten Dotanden gebildeten Dotierungsbereichs, umfassen. Es wird also bewusst auf beiden Substratoberflächen eine Dotierung mit dem ersten Dotanden ausgeführt, der auf einer der beiden Oberflächen aber nicht erwünschte Dotierungsbereiche anschließend wieder entfernt. Die erwähnte Temperatur von über 950°C ist als Orientierungswert für einen Dotanden vom Typ des Bors anzusehen; für andere Dotanden und unter besonderen Bedingungen können durchaus niedrigere Temperaturen in Betracht kommen.
- In einer weiteren Ausführung der Erfindung umfasst die Bildung des ersten Dotierungsbereichs ein Belegen der ersten Oberfläche mit einem den ersten Dotanden enthaltenden Glas, gefolgt von einem Schritt des thermischen Eintreibens und einem Schritt des Abätzens des Glases nach dem thermischen Eintreiben. Hier wiederum erfolgt die Erzeugung des ersten Dotierungsbereiches von Anfang an selektiv auf der ersten Oberfläche, so dass sich ein zusätzlicher Nachbehandlungsschritt der zweiten Oberfläche nach diesem Schritt grundsätzlich erübrigt.
- In diesem Sinne ist auch eine Ausführung, bei der eine bei der Bildung des ersten oder zweiten Dotierungsbereichs in einem Ausheil- oder Eintreibschritt entstehende Oxidschicht mindestens teilweise als Passivierungsschicht oder Teil einer solchen auf dem Halbleitersubstrat belassen wird. Auch diese vereinfacht den Verfahrensablauf und wirkt somit kostensenkend. Alternativ ist es allerdings auch möglich, dass der jeweiligen Oxidschicht auf der ersten und/oder zweiten Oberfläche eine Siliziumnitridschicht zur Bildung einer dauerhaften Antireflex-/Passivierungsschicht hinzugefügt wird. Durch dieses Vorgehen lässt sich eine grundsätzlich höherwertige, besser auf die spezifische Struktur und das Anforderungsprofil der Solarzelle abgestimmte Passivierungsschicht bereitstellen. In diesem Sinne ist auch eine weitere Ausführung, bei der der jeweiligen Oxidschicht auf der ersten und/oder zweiten Oberfläche eine Siliziumnitridschicht zur Bildung einer dauerhaften Antireflex-/Passivierungsschicht hinzugefügt wird.
- Zeichnung
- Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte, schematische Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung in erfindungsgemäßer Solarzelle.
- Ausführungsformen der Erfindung
- Die einzige Figur zeigt schematisch in einer Querschnittsdarstellung eine Solarzelle
1 mit einem kristallinen Siliziumsubstrat3 vom n-Typ und einer jeweils pyramidenartig strukturierten ersten (vorderseitigen) Oberfläche3a und zweiten (rückseitigen) Oberfläche3b . In der ersten Oberfläche3a ist durch Bordiffusion ein erster Dotierungsbereich (Emitterbereich)5 gebildet, und in der zweiten Oberfläche ist durch Phosphor-Implantation und anschließender Ausheilung/Aktivierung als zweiter Dotierungsbereich ein flaches Back Surface Field7 gebildet. - Auf der ersten und zweiten Oberfläche
3a ,3b ist jeweils als Antireflexschicht eine dichte Siliziumnitridschicht9a bzw.9b abgeschieden. Die Antireflexschicht kann um eine zusätzliche Teilschicht aus einem Oxid (etwa Siliziumoxid) ergänzt sein, die die Passivierungseigenschaften der Schicht verbessert, in der Figur aber nicht gezeigt ist. Auf der Solarzellen-Vorderseite (ersten Oberfläche)3a ist eine Vorderseiten-Metallisierung11a und auf der Solarzellen-Rückseite (zweiten Oberfläche)3b eine Rückseiten-Metallisierung11b angebracht. - Nachfolgend wird beispielhaft eine Abfolge für die Herstellung einer beidseitig kontaktierten n-Typ Zelle mit Vorderseitenemitter beschrieben. Für den Fachmann ist eine Abwandlung zur Herstellung von abweichenden Solarzellentypen offensichtlich. Die Sequenz der Herstellung dieser Solarzelle umfasst die unten genannten Prozessmodule in dieser Reihenfolge, wobei jedes Prozessmodul aus einem oder mehreren Prozessschritten besteht.
- Prozessmodul 1: Texturierung des Wafers
- In diesem Prozessschritt kann eine industrieübliche Texturierung mit anschließender Reinigung erfolgen. Optional kann der Wafer rückseitig planarisiert sein. Hierzu sind mehrere Verfahren Stand der Technik und für die Erläuterung der Erfindung nicht relevant.
- Prozessmodul 2: Erzeugung des bor-dotierten Bereichs
- Der bor-dotierte Bereich kann durch Ionenimplantation von Bor in die Zellvorderseite und anschließenden Eintreibschritt erzeugt werden. Dabei wird üblicherweise ein Ausheilen bei einer sehr hohen Temperatur durchgeführt (über 950°C), welche eine dünne Oxidschicht hinterlässt (2–100 nm). Die gewachsene Oxidschicht wird üblicherweise durch einen nasschemischen Ätzschritt entfernt, kann jedoch auch stehen gelassen werden. In letzterem Fall muss die Ionenenergie des Phosphorimplantationsschrittes (Prozessmodul 3) angepasst werden, um durch das Oxid zu implantieren.
- Eine weitere Möglichkeit besteht in der Abscheidung eines Borglases auf die Vorderseite der Zelle (z. B. durch APCVD oder PECVD) und anschließendem Eintreiben in einem thermischen Schritt. Das Borglas muss vor oder nach Prozessmodul 3 durch einen Nassätzschritt (z. B. mit HF) entfernt werden.
- Eine dritte Möglichkeit besteht in der Durchführung einer thermischen Bordiffusion (z. B. durch BBr3 oder BCl3). Diese erzeugt üblicherweise auf beiden Seiten des Wafers bordotierte Bereiche, so dass anschließend ein einseitiger Rückätzschritt erfolgen muss, in dem der bordotierte Bereich selektiv von der Rückseite des Wafers entfernt wird.
- Der Bordiffusionsbereich ist vor allem durch den Schichtwiderstand charakterisiert, welcher üblicherweise zwischen 30 und 200 Ohm/Sq, bevorzugt bei 45–100 Ohm/Sq liegt.
- Prozessmodul 3: Erzeugung des phosphor-dotierten Bereichs
- Hier wird in die Zellrückseite Phosphor implantiert (z. B. mit einer Dosis zwischen 0.5 und 5e15 1/cm2) und anschließend ein Ausheilen bei niedriger Temperatur (unter 950°C) in einer sauerstoff- und stickstoffhaltigen Atmosphäre ausgeführt. Dabei wachst sowohl auf der Zellrückseite (Phosphor) als auch auf der Zellvorderseite ein dünnes Oxid (1–40 nm, bevorzugt 10–20 nm). Der Schichtwiderstand der Phosphorschicht beträgt 20–300 Ohm/sq, bevorzugt 70–120 Ohm/sq.
- Prozessmodul 4: Passivierung
- In der einfachsten Ausführung erfolgt die Passivierung der Solarzelle auf beiden Seiten durch einen SiO/SiN-Stapel. Dabei wird das thermisch gewachsene Siliziumoxid (SiO) aus Prozessmodul 3 genutzt. Für diese Variante ist es besonders vorteilhaft, dass das Oxid in der erfindungsgemäßen Prozesssequenz auf der bordotierten Vorderseite frisch aufgewachsen wird. Das SiN wird durch einen PECVD-Prozess abgeschieden. Diese Variante ist insbesondere aufgrund der geringen Prozesskosten attraktiv.
- Alternativ kann für die Vorderseitenpassivierung ein Al2O3/SiN-Stapel und für die Rückseite SiO/SiN eingesetzt werden. Dafür muss das SiO auf der Vorderseite selektiv entfernt werden. Dies kann z. B. durch einen Nassätzschritt nach Abscheidung des Rückseiten-SiNs erfolgen.
- In einer dritten Variante kann für die Vorderseite Al2O3/SiN und für die Rückseite SiN eingesetzt werden. Hier wird direkt nach Prozessmodul 3 das auf beiden Seiten gewachsene Oxid entfernt.
- Prozessmodul 5: Metallisierung
- Die Metallisierung kann mit industrieüblichen Verfahren erfolgen. Die Vorderseiten-Metallisierung wird üblicherweise mit einem Silber-Grid und die Rückseiten-Metallisierung ebenfalls mit einem Silber-Grid oder einer vollflächigen Aluminium-Metallisierung ausgeführt, welche z. B. per PVD aufgebracht wird.
- Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.
Claims (9)
- Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle (
1 ) aus kristallinem Halbleitermaterial, wobei in einer ersten Oberfläche (3a ) eines Halbleitersubstrats (3 ) ein erster Dotierungsbereich (5 ) durch thermisches Eindiffundieren eines ersten Dotanden und in der zweiten Oberfläche (3b ) des Halbleitersubstrats ein zweiter Dotierungsbereich (7 ) durch Ionenimplantation eines zweiten Dotanden gebildet wird, derart, dass das Dotierungsprofil des zweiten Dotierungsbereichs relativ zu dem des ersten Dotierungsbereichs flacher und/oder durch eine höhere Oberflächenkonzentration des zweiten Dotanden gegenüber dem ersten Dotanden charakterisiert ist. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Halbleitermaterial Silizium und als erster Dotand ein Element aus der Bor, Indium, Gallium, Aluminium umfassenden Gruppe, insbesondere Bor, und als zweiter Dotand ein Element aus der Phosphor, Arsen, Antimon, umfassenden Gruppe, insbesondere Phosphor, eingesetzt werden.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Dotierungsbereich (
5 ) als Emitterbereich in der vorderseitigen Oberfläche (3a ) eines n-Siliziumsubstrats (3 ) und der zweite Dotierungsbereich als Back Surface Field (7 ) in der rückseitigen Oberfläche (3b ) des n-Siliziumsubstrats gebildet werden. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bildung des zweiten Dotierungsbereichs (
7 ) einen Ausheilschritt bei einer Temperatur unter 950°C umfasst. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bildung des ersten Dotierungsbereichs (
5 ) einen Schritt des thermischen Eintreibens des ersten Dotanden in beide Oberflächen (3a ;3b ) bei einer Temperatur über 950°C, gefolgt von einem Rückätzen des in der zweiten Oberfläche (3b' ) mit dem ersten Dotanden gebildeten Dotierungsbereichs, umfasst. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bildung des ersten Dotierungsbereichs (
5 ) ein Belegen der ersten Oberfläche (3a ) mit einem den ersten Dotanden enthaltenden Glas, gefolgt von einem Schritt des thermischen Eintreibens und einem Schritt des Abätzens des Glases nach dem thermischen Eintreiben, umfasst. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine bei der Bildung des ersten oder zweiten Dotierungsbereichs (
5 ;7 ) in einem Ausheil- oder Eintreibschritt entstehende Oxidschicht mindestens teilweise als Passivierungsschicht oder Teil einer solchen auf dem Halbleitersubstrat (3 ) belassen wird. - Verfahren nach Anspruch 7, wobei die auf der ersten Oberfläche (
3a ) entstehende Oxidschicht entfernt und insbesondere durch eine Aluminiumoxidschicht ersetzt wird. - Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der jeweiligen Oxidschicht auf der ersten und/oder zweiten Oberfläche (
3a ;3b ) eine Siliziumnitridschicht (9a ;9b ) zur Bildung einer dauerhaften Antireflex-/Passivierungsschicht hinzugefügt wird.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3046150A1 (de) * | 2015-01-16 | 2016-07-20 | LG Electronics Inc. | Verfahren zur herstellung einer solarzelle |
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| CN111490128A (zh) * | 2019-10-22 | 2020-08-04 | 国家电投集团西安太阳能电力有限公司 | 一种n-pert双面电池氧化硅/氮化硅叠层膜的制备方法 |
-
2013
- 2013-05-24 DE DE201310209669 patent/DE102013209669A1/de active Pending
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