DE102013219564A1 - Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Solarzelle mit einem Heteroübergang - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Solarzelle mit mindestens einem eindiffundierten Dotierbereich (e) und mindestens einem Heteroübergang, folgende Verfahrensschritte umfassend: A Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (1) mit einer Basisdotierung; B Erzeugen mindestens eines Dotierbereichs (e) an einer ersten Seite des Halbleitersubstrates durch Eindiffundieren eines Dotierstoffes in das Halbleitersubstrat, welcher Dotierbereich (e) eine höhere Dotierung als die Basisdotierung und/oder einen zu der Basisdotierung entgegengesetzten Dotierungstyp aufweist und Erzeugen eines Heteroübergangs an der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Halbleitersubstrats (1), welcher Heteroübergang mit einer dotierten Heteroübergangsschicht (b) und einer mittelbar oder unmittelbar zwischen Heteroübergangsschicht (b) und Halbleitersubstrat (1) angeordneten dielektrischen Tunnelschicht (a) ausgebildet; Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B Tunnelschicht (a) und Heteroübergangsschicht (b) vor Eindiffundieren des Dotierbereichs (e) aufgebracht werden und dass durch Erwärmen der Solarzelle in Verfahrensschritt B gleichzeitig die dotierte Heteroübergangsschicht aktiviert und der Dotierstoff in den Dotierbereich (e) eindiffundiert wird.

Description

  • Eine photovoltaische Solarzelle stellt ein flächiges Halbleiterbauelement dar, bei welchem durch Absorption einfallender elektromagnetischer Strahlung Ladungsträgerpaare erzeugt und anschließend an einem pn-Übergang getrennt werden, so dass zwischen mindestens zwei elektrischen Kontaktpunkten der Solarzelle ein Potential entsteht und elektrische Leistung abgegriffen werden kann.
  • Der pn-Übergang kann dadurch realisiert sein, dass in einem Halbleitersubstrat mit einer Basisdotierung mittels Diffusion eines Dotierstoffes einer zu der Basisdotierung entgegengesetzten Emitterdotierung ein entsprechender Emitterbereich ausgebildet wird, so dass zwischen Emitterbereich und basisdotiertem Bereich des Halbleitersubstrates ein pn-Übergang entsteht.
  • Ebenso ist es bekannt, den Emitter durch Aufbringen einer oder mehrerer Schichten auf ein Basissubstrat auszubilden, insbesondere durch Aufbringen einer Emitterschicht aus amorphem Silizium auf einem Basissubstrat bestehend aus monokristallinem Silizium. Die Emitterschicht weist auch hier einen zu der Basis entgegengesetzten Dotierungstyp auf, so dass sich zwischen Emitter und Basis ein pn-Übergang ausbildet. Da die amorphe Siliziumschicht des Emitters gegenüber dem kristallinen Silizium der Basis eine unterschiedliche Bandlücke aufweist, bildet sich ein so genannter Hetero-pn-Übergang aus, so dass ein so genannter Heteroemitter vorliegt.
  • Sofern Basissubstrat und amorphe Siliziumschicht den gleichen Dotierungstyp, jedoch unterschiedliche Dotierkonzentrationen aufweisen, entsteht ebenfalls ein Heteroübergang, in diesem Fall eine sogenannte „High-Low-Junction”. Ein solcher Heteroübergang wird zur Ausbildung von Heterokontakten verwendet:
    Auch bei der Kontaktierung der Halbleiterbereiche sind unterschiedliche physikalische Kontaktarten bekannt: Typischerweise wird eine metallische Kontaktierungsstruktur mittelbar oder unmittelbar auf den zu kontaktierenden Halbleiterbereich aufgebracht. Hierbei ist insbesondere die Ausbildung eines Ohmschen Kontaktes und eines Schottky-Kontaktes bekannt. Ebenfalls als spezielle Ausbildung eines Hetero-Kontaktes sind auch MOS/MIS-Kontakte bekannt. Eine spezielle Ausführung von MOS/MIS Kontakten ist folgender Aufbau, Substrat/Tunneloxid/dotierte poly-Si-Schicht. Solche Kontaktarten sind bei Halbleitern bekannt und beispielsweise beschrieben in Peter Würfel, Physics of Solar Cells: From Principles to New Concepts. 2005, Weinheim: Wiley-VCN. (Hetero-Kontakt: Kapitel 6.6, S. 127ff; Schottky-Kontakt: Kapitel 6.7.1, S. 131f; MIS-Kontakt: Kapitel 6.7.2, 3.132) und Sze, S. M., Semiconductor devices: Physics and Technology. 1985, New York: John Wiley & sons. (MOS-Kontakt: Kapitel 5.4, 8.186; Metall-Halbleiterkontakt: Kapitel 5.1, S. 160ff.).
  • Heteroübgergänge werden klassischerweise als Übergänge von Materialien unterschiedlicher Bandlücke bezeichnet. Heterokontakte können aber auch unter Anordnung einer Tunnelschicht zwischen Halbleitersubstrat und Heteroübergangsschicht ausgebildet sein, beispielsweise als Substrat/Tunneloxid/Siliziumhaltige Schicht bzw. MIS-Kontakte wie zuvor beschrieben. Die Bezeichnung „Heteroübergang” wird in dieser Anmeldung in diesem umfassenden Sinn verwendet. Die „Hetero”-Eigenschaft des Heteroübergangs kann somit in einer unterschiedlichen Bandlücke zwischen Halbleitersubstrat und Heteroübergangsschicht und/oder zwischen Tunnelschicht und Heteroübergangsschicht begründet sein.
  • Die Bezeichnung „Heteroübergang” umfasst in dieser Anmeldung wie eingangs bereits erwähnt sowohl Übergänge mit Schichten unterschiedlicher Dotierungstypen, insbesondere zur Ausbildung von Heteroemittern, als auch Übergänge mit Schichten gleicher Dotierungstypen, insbesondere zur Ausbildung von Heterokontakten.
  • Analog zu der hinsichtlich der Emitter eingeführten Definition werden vorliegend solche Kontakte, die keine Heterokontakte sind, als Homokontakte bezeichnet.
  • Es besteht ein Bedarf an Herstellungsverfahren für Solarzellen, welche diffundierte Dotierbereiche mit Heteroübergängen kombinieren. Dies kann beispielsweise die Kombination eines Hetero-pn-Übergangs mit einem Basishochdotierungsbereich, d. h. einem gegenüber der Basisdotierung höher dotierten Bereich des Basisdotierungstyps (auch bei Anordnung an der Rückseite „BSF”, Back Surface Field” und bei Anordnung an der Vorderseite „FSF”, Front Surface Field genannt) sein. Ebenso kann dies die Kombination eines Heterokontaktes mit einem mittels Diffusion eines Dotierstoffes erzeugten Homoemitters und unter entsprechender Ausbildung eines Homo-pn-Übergangs sein.
  • Eine Solarzelle, welche einen Heteroemitter mit einem Homokontakt für die Basis kombiniert, ist beispielsweise aus US 7,199,395 B2 bekannt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein im Vergleich zu den vorbekannten Verfahren prozessunaufwändigeres und/oder kostengünstigeres Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Solarzelle mit mindestens einem eindiffundierten Dotierbereich und mindestens einem Heteroübergang zu schaffen. Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 15. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung einbezogen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Solarzelle mit mindestens einem eindiffundierten Dotierbereich und mindestens einem Heteroübergang umfasst folgende Verfahrensschritte:
    In einem Verfahrensschritt A wird ein Halbleitersubstrat mit einer Basisdotierung bereitgestellt.
  • In einem Verfahrensschritt B wird mindestens ein Dotierbereich an einer ersten Seite des Halbleitersubstrates durch Eindiffundieren eines Dotierstoffes in das Halbleitersubstrat erzeugt. Der Dotierbereich weist eine höhere Dotierung als die Basisdotierung und/oder einen zu der Basisdotierung entgegengesetzten Dotierungstyp auf. Der Dotierungsbereich kann somit als Hochdotierungsbereich wie beispielsweise als BSF ausgebildet sein. Ebenso kann der Dotierungsbereich als Emitter ausgebildet sein.
  • Weiterhin wird in Verfahrensschritt B ein Heteroübergang an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Halbleitersubstrates erzeugt. Der Heteroübergang wird mit einer dotierten Heteroübergangsschicht und einer mittelbar oder unmittelbar zwischen Heteroübergangsschicht und Halbleitersubstrat angeordneten dielektrischen Tunnelschicht ausgebildet.
  • Wesentlich ist nun, dass in Verfahrensschritt B durch Erwärmen der Solarzelle gleichzeitig die dotierte Heteroübergangsschicht aktiviert und der Dotierstoff in den Dotierbereich eindiffundiert wird.
  • Es ist bekannt, dass bei Heteroübergängen mit dielektrischer Tunnelschicht eine Aktivierung durch Erwärmen die Güte des Heteroübergangs verbessern kann. Durch das Erwärmen verringert sich die Ladungsträgerrekombination, so dass im Ergebnis mit solch einem wärmebehandelten Heteroübergang in der Regel eine höhere Offenklemmspannung der Solarzelle erzielt wird.
  • Bisherige verwendete Heteroemitter auf Basis von amorphen Silicium, benötigten jedoch eine Prozessfolge bei der zuerst der eindiffundierten Dotierbereiches gebildet wird und anschließend der Heteroübergangs auf der gegenüberliegenden Seite aufgebracht wird.
  • Untersuchungen des Anmelders haben nun gezeigt, dass überraschenderweise eine kostengünstige und/oder prozessunaufwändige Verfahrensabfolge möglich ist, indem in Verfahrensschritt B der Dotierstoff bereitgestellt wird, wenn der Heteroemitter oder Heterokontakt, welche die dielektrische Tunnelschicht und die Heteroübergangsschicht aufweisen, bereits aufgebracht wurden, so dass in einem gemeinsamen Verfahrensschritt durch Erwärmen der Solarzelle gleichzeitig der bereitgestellte Dotierstoff eindiffundiert und Heteroübergang aktiviert werden kann. Hierdurch wird eine erhebliche Vereinfachung des Prozesses und somit eine erhebliche Verringerung der Prozesskosten möglich.
  • Die Aktivierung in Verfahrensschritt B erfolgt vorzugsweise in an sich bekannter Weise, insbesondere ist ein Erwärmen zumindest des Halbleitersubstrates im Bereich der ersten und zweiten Seite auf zumindest 600°C, vorzugsweise für eine Zeitdauer von zumindest 10 min vorteilhaft. Dies entspricht an sich bekannten Parametern für eine Aktivierung eines solchen Heteroübergangs.
  • Die dielektrische Tunnelschicht kann mit einem Dotierstoff dotiert oder intrinsisch (undotiert) ausgebildet sein.
  • In einer vorzugsweisen Ausführungsform wird in Verfahrensschritt B der Dotierstoff derart bereitgestellt, indem eine Dotierschicht, welche den Dotierstoff enthält, mittelbar oder bevorzugt unmittelbar auf die erste Seite des Halbleitersubstrates aufgebracht wird, so dass bei dem Erwärmen der Dotierstoff aus der Dotierschicht in das Halbleitersubstrat eindiffundiert.
  • In dieser vorzugsweisen Ausführungsform wird somit in einfacher Weise der Emitter an lediglich einer Seite des Substrates erzeugt, ohne dass eine unerwünschte Codiffusion in anderen Bereichen des Halbleitersubstrates und insbesondere an der zweiten Seite des Halbleitersubstrates stattfindet, oder zumindest eine solche Codiffusion erheblich reduziert wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem Aufbringen der dielektrischen Tunnelschicht und der Heteroübergangsschicht eine Schutzschicht mittelbar oder bevorzugt unmittelbar auf die Heteroübergangsschicht aufgebracht. In dieser vorzugsweisen Ausführungsform wird somit die Heteroübergangsschicht durch die Schutzschicht in nachfolgenden Prozessschritten geschützt. Hierdurch ergeben sich Vorteile beispielsweise bei nachfolgenden Prozessschritten, wie z. B. Ätzschritten, insbesondere zum Ausbilden einer Textur, bei welchen somit der Ätzvorgang, insbesondere das Ausbilden einer Textur lediglich auf der ersten (nicht durch eine Schutzschicht geschützten) Seite der Halbleiterschicht erfolgt oder bei einem Diffusionsvorgang, bei welchem die Schutzschicht als Diffusions-Schutzschicht ein Eindringen von Dotierstoffen in die Heteroübergangsschicht und somit ein Beeinträchtigen der Funktion der Heteroübergangsschicht und somit eine Wirkungsgradverringerung verhindert.
  • Die Schutzschicht umfasst vorzugsweise mindestens eine Schicht aus der Gruppe SiNx-Schicht, SiOx-Schicht. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Schutzschicht als Schichtsystem umfassend zumindest zwei Teilschichten ausgebildet wird, vorzugsweise mit einer ersten, dem Halbleitersubstrat zugewandten Teilschicht als Sliziumoxidschicht, insbesondere SiOx-Schicht und einer zweiten, dem Halbleitersubstrat abgewandten Teilschicht als Siliziumnitridschicht, insbesondere SiNx-Schicht.
  • Die Schutzschicht kann somit insbesondere als Ätz-Schutzschicht oder als Diffusions-Schutzschicht ausgebildet sein. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Schutzschicht sowohl als Ätz-, als auch als Diffusions-Schutzschicht auszubilden. Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, die Schutzschicht umfassend mehrere Teilschichten auszubilden, Insbesondere ist es vorteilhaft, eine der Heteroübergangsschicht zugewandte Teilschicht der Schutzschicht als Diffusions-Schutzschicht auszubilden und eine der Heteroübergangsschicht abgewandte Teilschicht der Schutzschicht als Ätz-Schutzschicht auszubilden.
  • Eine Diffusions-Schutzschicht kann insbesondere ausgebildet sein als Siliziumdioxidschicht. Eine Ätz-Schutzschicht kann insbesondere ausgebildet sein als Siliziumnitridschicht.
  • In einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst Verfahrensschritt B folgende Verfahrensschritte:
    In einem Verfahrensschritt B1 erfolgt ein Aufbringen der Tunnelschicht und der Heteroübergangsschicht mittelbar oder bevorzugt unmittelbar an der zweiten Seite des Halbleitersubstrates.
  • In einem Verfahrensschritt B2 erfolgt ein Aufbringen einer Diffusionsschicht-Schutzschicht mittelbar oder bevorzugt ummittelbar an der dem Halbleitersubstrat abgewandten Seite der Heteroübergangsschicht und in einem Verfahrensschritt B3 erfolgt ein Erzeugen des Dotierbereiches an der ersten Seite mittels Diffusion aus der Gasphase.
  • Hierbei ist in Verfahrensschritt B3 die Heteroübergangsschicht durch die Diffusions-Schutzschicht geschützt, so dass eine Codiffusion in der Heteroübergangsschicht vermieden wird.
  • In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst Verfahrensschritt B folgende Verfahrensschritte:
    In einem Verfahrensschritt Ba erfolgt ein Aufbringen der Tunnelschicht und der Heteroübergangsschicht mittelbar oder bevorzugt unmittelbar an der zweiten Seite des Halbleitersubstrates.
  • In einem Verfahrensschritt Bb erfolgt ein Aufbringen einer Ätz-Schutzschicht mittelbar oder bevorzugt unmittelbar an der dem Halbleitersubstrat abgewandten Seite der Heteroübergangsschicht und in einem Verfahrensschritt Bc erfolgt ein Erzeugen einer Textur an der ersten Seite des Halbleitersubstrates mittels Atzen, bevorzugt durch Eintauchen des Halbleitersubstrates in ein Ätzbad.
  • Hierbei wird somit in unaufwändiger und kostengünstiger Weise eine Textur an der ersten Seite des Halbleitersubstrates erzeugt, welche vorzugsweise in an sich bekannter Weise als optische Textur zur Erhöhung der Lichtausbeute ausgebildet ist. An der zweiten Seite ist hingegen keine Ausbildung einer Textur erwünscht, da dies typischerweise zu einer Erhöhung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit führt. In vorbekannten Verfahren wird typischerweise durch aufwändige Prozessfolgen zunächst eine beidseitige Textur erzeugt und anschließend die zweite Seite planarisiert. Eine solche Prozessfolge ist bei der zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausführungsform nicht notwendig.
  • Insbesondere ist eine Kombination der beiden zuvor genannten vorteilhaften Ausführungsformen vorteilhaft, indem zunächst eine Textur gemäß der zuvor beschriebenen Verfahrensschritte Ba, Bb und Bc erzeugt wird, wobei in Verfahrensschritt Bb die Ätz-Schutzschicht zusätzlich als Diffusions-Schutzschicht ausgebildet ist. Weiterhin wird nach Verfahrensschritt Bc gemäß Verfahrensschritt B3 der Dotierbereich ausgebildet. Hierdurch wird in besonders prozessunaufwändig und kostengünstiger Weise eine vorteilhafte Solarzellenstruktur umfassend eine Texturierung an der ersten Seite und eines mittels Diffusion aus der Gasphase erzeugten Emitters ausgebildet.
  • Insbesondere eine solche Solarzelle stellt somit eine kostengünstig produzierte hocheffiziente Solarzelle dar, welche die vorteilhaften Elemente einer optischen Texturierung, eines diffundierten Dotierbereiches und eines elektrisch sehr gut passivierten Bereiches an der zweiten Seite durch Ausbildung des Heteroübergangs aufweist.
  • Wie zuvor beschrieben, liegt es im Rahmen der Erfindung, den Dotierbereich mit dem Basisdotierungstyp oder mit einem dem Basisdotierungstyp entgegensetzten Dotierungstyp zur Ausbildung eines Emitters auszubilden. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, den Heteroübergang als Heterokontakt oder als Heteroemitter auszubilden. Untersuchungen des Anmelders haben gezeigt, dass eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung zur Ausbildung einer hocheffizienten Solarzelle durch Ausbilden des Dotierbereiches als Emitter und des Heteroübergangs als Heterokontakt erfolgt.
  • Sofern der Dotierbereich mittels Diffusion aus der Gasphase erzeugt wird, ist es vorteilhaft, dass eine sich während der Diffusion aus der Gasphase an der ersten Seite ausbildende Glasschicht in einem Ätzschritt wieder entfernt wird, derart, dass während des Ätzschritts sowohl die Glasschicht, als auch die zuvor beschriebene Schutzschicht entfernt wird.
  • In dieser vorzugsweisen Ausführungsform wird somit in einfacher Weise wie bei vorbekannten Verfahren zum Erzeugen eines Dotierbereichs aus der Gasphase die entstehende Glasschicht entfernt und hierbei kostengünstig gleichzeitig eine zuvor aufgebrachte Schutzschicht insbesondere zur Verhinderung einer Codiffusion in die Heteroübergangsschicht entfernt. Das gleichzeitige Entfernen von Glasschicht und Schutzschicht erfolgt vorzugsweise durch Flusssäure-haltige Säuren.
  • In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt in einem Verfahrensschritt C ein Einbringen von Wasserstoff in die Heteroübergangsschicht und/oder an die Grenzfläche zwischen Tunnelschicht und Halbleitersubstrat. Hierdurch wird die elektrische Güte insbesondere durch weiteres Senken der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit erhöht.
  • Vorzugsweise wird der Wasserstoff hierbei mittels RPHP eingebracht, wie beispielsweise in S. Lindekugel, et al., "Plasma hydrogen passivation for crystalline silicon thin-films," in Proceedings of the 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, Spain, 2008, pp. 2232–5 beschrieben.
  • Alternativ kann der Wasserstoff dadurch eingebracht werden, dass eine wasserstoffhaltige Schicht mittelbar oder bevorzugt unmittelbar auf die Heteroübergangsschicht aufgebracht wird. Hierbei erfolgt bereits durch die Prozesswärme beim Aufbringen der Schicht ein Eindiffundieren von Wasserstoff. Vorteilhafterweise wird weiterhin Wasserstoff eindiffundiert, indem anschließend mittels Erwärmung, bevorzugt auf mindestens 350°C, zusätzlich Wasserstoff eingebracht wird.
  • In einer vorzugsweisen Ausführungsform ist die zuvor genannte wasserstoffhaltige Schicht als mikrokristalline Siliziumschicht, insbesondere als hydrogenisierte mikrokristalline Siliziumcarbidschicht (μc-SiC:H) ausgebildet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass diese Schicht leitfähiger und optisch transparenter als beispielsweise eine a-Si:H-Schicht ist. Insbesondere kann ein μc-SiC-Schicht vorteilhafterweise als transparente Kontaktierung dienen und somit an sich bekannte leitfähige transparente Elektroden, beispielsweise TCO-Schichten ersetzen.
  • Ebenso kann die wasserstoffhaltige Schicht als Siliziumnitridschicht, insbesondere hydrogenisierte Siliziumnitridschicht ausgebildet sein. Hierbei erfolgt vorzugsweise eine Erwärmung auf eine Temperatur im Bereich 700°C bis 900°C, jedoch lediglich für einen Zeitraum von wenigen Sekunden, insbesondere zwischen 1 Sekunde und 30 Sekunden, bevorzugt zwischen 1 Sekunde und 15 Sekunden. Hierdurch wird in besonders effizienter Weise in einem zeitunaufwändigen Verfahrensschritt Wasserstoff eindiffundiert. Aufgrund der kurzzeitigen Wärmebeaufschlagung wird eine Diffusion von Dotierstoff vermieden oder zumindest verringert.
  • In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird auf die Heteroübergangsschicht an der dem Halbleitersubstrat abgewandten Seite mittelbar oder bevorzugt unmittelbar eine metallische Kontaktierungsschicht aufgebracht. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, dass ein Verfahrensschritt C wie zuvor beschrieben ausgeführt wird und anschließend die metallische Kontaktierungsschicht aufgebracht wird.
  • Die erfindungsgemäße Solarzelle kombiniert einen diffundierten Bereich mit einem Heteroübergang. Hierbei kann der diffundierte Bereich als FSF oder BSF und der Emitter als Heteroemitter ausgebildet sein. Ebenso kann der Emitter als diffundierte Homoemitter und ein FSF oder BSF als Heteroübergang ausgebildet sein. Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, die Basis der Solarzelle n-dotiert oder p-dotiert auszubilden. Vorteilhaft haben sich insbesondere folgende Kombinationen erwiesen:
    • – Ein diffundierter, p-dotierter Emitter, insbesondere mit Bor als Dotierstoff, und ein rückseitiger n-Heterokontakt oder
    • – Ein diffundiertes, p-dotiertes FSF, insbesondere mit Bor als Dotierstoff, und ein rückseitiger n-Heteroemitter oder
    • – Ein n-dotierter, diffundierter Emitter, insbesondere mit Phosphor als Dotierstoff und ein rückseitiger p-Heterokontakt oder
    • – Ein diffundiertes, n-dotiertes FSF, insbesondere mit Phosphor als Dotierstoff, und ein p-Heteroemitter.
  • Weitere vorzugsweise Merkmale und Ausführungsformen werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 bis 5 schematische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In den 1 bis 5 ist schematisch der Herstellungsprozess einer Solarzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die schematischen Darstellungen sind nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen in den 1 bis 5 bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
  • In 1 ist ein Verfahrensstadium dargestellt, bei welchem ein als Siliziumwafer ausgebildetes Halbleitersubstrat 1 bereitgestellt ist (Verfahrensschritt A), welches eine n-Typ-Basisdotierung aufweist.
  • Weiterhin wurde mittels nasschemischer Oxidation eine als Siliziumdioxidschicht ausgebildete Tunnelschicht a sowie eine als Siliziumcarbid(SiC)-Schicht ausgebildete Heteroübergangsschicht b unmittelbar an einer (in den Figuren unten liegend dargestellte) zweiten Seite des Halbleitersubstrates 1 aufgebracht. Dies entspricht somit Verfahrensschritt B1 gemäß Anspruch 5 und Verfahrensschritt Ba gemäß Anspruch 6. Die Siliziumoxidschicht kann ebenso mittels einem der Verfahren PECVD, LPCVD, APCVD, thermische Oxidation, Atomlagenabscheidung oder Trockenoxidation mit UV-Strahler aufgebracht werden. Die SiC-Schicht kann ebenso mittels einem der Verfahren PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition), APCVD (Atmospheric Pressure Chemical Vapour Deposition), LPCVD (Low Pressure Chemical Vapour Deposition), HW-CVD (Hot Wire Chemical Vapour Deposition) oder Sputtern aufgebracht werden.
  • Auf der dem Halbleitersubstrat 1 abgewandten Seite der Heteroübergangsschicht b wurde eine zwei Teilschichten umfassende Schutzschicht c, d aufgebracht.
  • Die Schutzschicht c, d umfasst eine der Heteroübergangsschicht b zugewandte Diffusions-Schutzschicht c, welche als Siliziumdioxidschicht ausgebildet ist. Dies entspricht somit Verfahrensschritt B2 gemäß Anspruch 5. Die der Heteroübergangsschicht b abgewandte Teilschicht der Schutzschicht c, d ist als Ätz Schutzschicht d ausgebildet, welche als Siliziumnitridschicht realisiert ist. Dies entspricht somit Verfahrensschritt Bb gemäß Anspruch 6.
  • In dem Verfahrensstand gemäß 2 wurde an der oben liegend dargestellten ersten Seite des Halbleitersubstrates 1, welche die der elektromagnetischen Strahlung zugewandte Vorderseite der Solarzelle darstellt, eine Texturierung durch Eintauchen in ein Ätzmedium, vorliegend KOH, erzeugt. Die Textur 3 ist aufgrund der Kristallorientierung des Siliziumwafers als an sich bekannte „zufällige Pyramidentextur” (random pyramids) ausgebildet und erhöht einerseits die Absorptionswahrscheinlichkeit einfallender Photonen durch die Möglichkeit eines Mehrfachauftreffens auf die Oberfläche der Solarzelle sowie aufgrund von Schrägeinkopplung durch die Verlängerung des Lichtwegs innerhalb der Solarzelle.
  • Dieses Verfahrensstadium entspricht somit dem Abschluss des Verfahrensschritts Bc gemäß Anspruch 6.
  • Bei dem Verfahrensstand gemäß 3 wurde mittels Diffusion aus der Gasphase eines Dotierstoffes Bor an der ersten Seite des Halbleitersubstrates 1 ein Dotierbereich e erzeugt. Der Dotierbereich e weist eine p-Dotierung auf, welche somit entgegengesetzt zu der Basisdotierung ist, so dass der Dotierbereich e einen Emitter darstellt und sich zwischen Emitter und dem bassdotiertem Bereich des Halbleitersubstrates 1 ein Homo-pn-Übergang ausgebildet.
  • Während der Bordiffusion aus der Gasphase erfolgt an der zweiten Seite kein Boreintrag in die Heteroübergangsschicht b und das Halbleitersubstrat 1, da rückseitig aufgrund der Schutzschicht c, d, insbesondere der Diffusions-Schutzschicht c ein Eindringen von Dotierstoff verhindert wird.
  • In an sich bekannter Weise bildet sich während der Diffusion aus der Gasphase an der ersten Seite des Halbleitersubstrates 1 eine Glasschicht f aus, vorliegend Borglas. Dieser Verfahrensstand entspricht somit dem Abschluss des Verfahrensschritte B3 gemäß Anspruch 5.
  • Während der vorgenannten Diffusion aus der Gasphase kann nun gleichzeitig die dotierte Heteroübergangsschicht aktiviert werden und ein weiterer Dotierstoff aus der Heteroübergangsschicht in das Halbleitersubstrat eindiffundiert werden.
  • In 4 ist ein Verfahrensstand dargestellt, bei welchem durch einen nasschemischen Prozessschritt mittels einer HF-haltigen Lösung gleichzeitig das Borglas F sowie die gesamte Schutzschicht c, d entfernt wurde.
  • Weiterhin wurde anschließend vorderseitig eine als Siliziumnitridschicht ausgebildete Antireflexschicht g aufgebracht, um die Lichtausbeute der Solarzelle weiter zu erhöhen. Die Antireflexschicht ist als Schichtsystem umfassend eine Aluminiumoxidschicht und eine Siliziumnitridschicht ausgebildet. Hierbei ist die Aluminiumoxidschicht auf der dem Siliziumwafer zugewandten Seite angeordnet, um eine zusätzliche Passivierung des Bor Emitters zu bewirken.
  • In 5 ist ein Verfahrensstadium dargestellt, bei welchem zusätzlich eine ganzflächige Rückseitenmetallisierung h und in an sich bekannter Weise vorderseitig metallische Kontaktierungsgitter h' aufgebracht wurden, wobei die vorderseitigen Metallisierungsstrukturen h' elektrisch mit dem Emitter verbunden wurden.
  • Die Solarzelle gemäß 5 weist somit den Vorteil auf, dass eine hochwertige Rückseitenpassivierung und Kontaktierung durch Ausbilden des passivierenden Heterokontakts auf der Rückseite und der zusätzlichen Dotierung vorliegt, dass das Substrat einseitig vorderseitig texturiert wurde, ohne dass nachträglich ein Planarisierungsvorgang an der Rückseite notwendig ist und dass während der Emitterdiffusion aus der Gasphase ein Eindringen von Dotierstoff an der Rückseite der Solarzelle und in die Heteroübergangsschicht in einfacher Weise vermieden wurde.
  • Hierdurch ist somit eine kostengünstige Herstellung einer hocheffizienten photovoltaischen Solarzelle möglich.
  • In der nachfolgenden Tabelle werden vorzugsweise Parameterbereiche sowie unterstrichen dargestellt die in diesem Ausführungsbeispiel vorliegenden Parameter und gegebenenfalls die Herstellungsmethoden der einzelnen Schichten aufgeführt:
    Figure DE102013219564A1_0002
    Figure DE102013219564A1_0003
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Claims (15)

  1. Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Solarzelle mit mindestens einem eindiffundierten Dotierbereich (e) und mindestens einem Heteroübergang, folgende Verfahrensschritte umfassend: A Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (1) mit einer Basisdotierung; B Erzeugen mindestens eines Dotierbereichs (e) an einer ersten Seite des Halbleitersubstrats (1) durch Eindiffundieren eines Dotierstoffes in das Halbleitersubstrat (1), welcher Dotierbereich (e) eine höhere Dotierung als die Basisdotierung und/oder einen zu der Basisdotierung entgegengesetzten Dotierungstyp aufweist und Erzeugen eines Heteroübergangs an der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Halbleitersubstrats (1), welcher Heteroübergang mit einer dotierten Heteroübergangsschicht (b) und einer mittelbar oder unmittelbar zwischen Heteroübergangsschicht (b) und Halbleitersubstrat (1) angeordneten dielektrischen Tunnelschicht (a) ausgebildet; dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B Tunnelschicht (a) und Heteroübergangsschicht (b) vor Eindiffundieren des Dotierbereichs (e) aufgebracht werden und dass durch Erwärmen der Solarzelle in Verfahrensschritt B gleichzeitig die dotierte Heteroübergangsschicht (b) aktiviert und der Dotierstoff in den Dotierbereich (e) eindiffundiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B ein Erwärmen zumindest des Halbleitersubstrats (1) im Bereich der ersten und zweiten Seite auf zumindest 600°C erfolgt, vorzugsweise für eine Zeitdauer von zumindest 10 Minuten.
  3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B der Dotierbereich (e) erzeugt wird, indem eine Dotierschicht, welche den Dotierstoff enthält, mittelbar oder bevorzugt unmittelbar auf die erste Seite des Halbleitersubstrats (1) aufgebracht wird, so dass bei dem Erwärmen der Dotierstoff aus der Dotierschicht in das Halbleitsubstrats eindiffundiert.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Eindiffundieren des Dotierbereichs (e) eine Schutzschicht (c, d) mittelbar oder bevorzugt unmittelbar auf die dem Halbleitersubstrat (1) abgewandte Seite der Heteroübergangsschicht (b) aufgebracht wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt B folgende Verfahrensschritte umfasst: B1 Aufbringen der Tunnelschicht (a) und der Heteroübergangsschicht (b) mittelbar oder bevorzugt unmittelbar an der zweiten Seite des Halbleitersubstrats (1); B2 Aufbringen einer Diffusions-Schutzschicht (c) mittelbar oder bevorzugt unmittelbar an der dem Halbleitersubstrat (1) abgewandten Seite der Heteroübergangsschicht und B3 Erzeugen des Dotierbereichs (e) an der ersten Seite mittels Diffusion aus der Gasphase.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt B folgende Verfahrensschritte umfasst; Ba Aufbringen der Tunnelschicht (a) und der Heteroübergangsschicht (b) mittelbar oder bevorzugt unmittelbar an der zweiten Seite des Halbleitersubstrats (1); Bb Aufbringen einer Ätz-Schutzschicht (d) mittelbar oder bevorzugt unmittelbar an der dem Halbleitersubstrat (1) abgewandten Seite der Heteroübergangsschicht (b) und Bc Erzeugen einer Textur (3) an der ersten Seite des Halbleitersubstrats (1) mittels Ätzen, insbesondere durch eintauchen des Halbleitersubstrats (1) in ein Ätzbad.
  7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Textur (3) gemäß Anspruch 6 erzeugt wird, wobei in Verfahrensschritt Bb die Ätz-Schutzschicht (d) zusätzlich als Diffusions-Schutzschicht (c) ausgebildet ist und dass nach Verfahrensschritt Bc gemäß Verfahrensschritt B3 der Dotierbereich (e) ausgebildet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (c, d) umfassend mindestens eine Schicht aus der Gruppe SiNx-Schicht, SiOx-Schicht ausgebildet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (c, d) als Schichtsystem umfassend zumindest zwei Teilschichten ausgebildet wird, vorzugsweise, dass eine erste, dem Halbleitersubstrat (1) zugewandte Teilschicht als SiOx-Schicht und eine zweite, dem Halbleitersubstrat (1) abgewandte Teilschicht als SiNx-Schicht ausgebildet wird.
  10. Verfahren einem der vorangegangenen Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierbereich (e) mittels Diffusion aus der Gasphase erzeugt wird, bevorzugt gemäß Anspruch 5 und dass eine sich während der Diffusion aus der Gasphase an der ersten Seite ausbildende Glasschicht (f) in einem Ätzschritt wieder entfernt wird, derart, dass während des Ätzschritts sowohl die Glasschicht (f), als auch die Schutzschicht (c, d) entfernt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verfahrensschritt C ein Einbringen von Wasserstoff in die Heteroübergangsschicht (b) und/oder an die Grenzfläche zwischen Tunnelschicht (a) und Halbleitersubstrat (1) eindiffundiert wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff mittels RPHP eingebracht wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff eingebracht wird, indem eine wasserstoffhaltige Schicht mittelbar oder bevorzugt unmittelbar auf die Heteroübergangsschicht aufgebracht und vorzugsweise anschließend eine Erwärmung, bevorzugt auf mindestens 350°C, erfolgt.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserstoffhaltige Schicht eine mikrokristalline Siliziumschicht oder eine Siliziumnitridschicht ist.
  15. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Heteroübergangsschicht (b) an der dem Halbleitersubstrat (1) abgewandten Seite mittelbar oder bevorzugt unmittelbar eine metallische Kontaktierungsschicht aufgebracht wird, vorzugsweise, dass Verfahrensschritt C nach einem der Ansprüche 11 bis 14 ausgeführt wird und danach die metallische Kontaktierungsschicht aufgebracht wird.
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