DE102013219844A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, insbesondere einer Fotovoltaikzelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, insbesondere einer Fotovoltaikzelle. Zunächst wird eine Substratschicht (100) bereitgestellt. Anschließend wird ein Stapel (102) aus einem ersten Schichtverbund (110) und einem zweiten Schichtverbund (115) gebildet. Hierbei weisen der erste Schichtverbund (110) und der zweite Schichtverbund (115) je zumindest zwei Verbundschichten (120, 125, 130) auf. Insbesondere werden hierbei die Verbundschichten (120, 125, 130) auf der Substratschicht (100) epitaktisch aufgewachsen. In einem weiteren Schritt wird eine Abtrennschicht (135) auf eine der Substratschicht (100) gegenüberliegende Seite des Stapels (102) aufgebracht. Diese Seite wird durch eine Verbundoberfläche des zweiten Schichtverbunds (115) gebildet. Die Abtrennschicht (135) ist ausgebildet, um bei einer Temperaturänderung eine mechanische Spannung in einer dem zweiten Schichtverbund (115) zugewandten Verbundschicht (130) des ersten Schichtverbunds (110) und/oder in einer dem ersten Schichtverbund (110) zugewandten Verbundschicht des zweiten Schichtverbunds (115) zu erzeugen. Schließlich wird der zweite Schichtverbund (115) von dem ersten Schichtverbund (110) durch eine Temperierung der Abtrennschicht (135) abgetrennt, um das Halbleiterbauelement aus dem zweiten Schichtverbund (115) herzustellen. Hierbei wird die dem zweiten Schichtverbund (115) zugewandte Verbundschicht (130) des ersten Schichtverbunds (110) und/oder die dem ersten Schichtverbund (110) zugewandte Verbundschicht des zweiten Schichtverbunds (115) durch die mechanische Spannung gespalten. Ferner wird hierbei eine der Verbundoberfläche gegenüberliegende weitere Verbundoberfläche des zweiten Schichtverbunds (115) freigelegt.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, insbesondere einer Fotovoltaikzelle, sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
  • Die kostengünstige Produktion von Solarzellen ist ein entscheidender Faktor für die Wettbewerbsfähigkeit von Solarstrom gegenüber konventionell hergestellter elektrischer Energie und damit auch für den kommerziellen Erfolg der Fotovoltaik. Ein zurzeit noch signifikanter Kostenfaktor in der waferbasierten Silizium-Solarmodultechnologie ist die Herstellung des Siliziumwafers. Dieser Kostenfaktor kann durch die Verwendung dünnere Wafer verringert werden. Nach Stand der Technik können Siliziumwafer durch Drahtsägen aus einkristallinen Ingots oder multikristallinen Bricks gefertigt werden. Bezüglich einer erzielbaren Waferdicke ist dieses Verfahren aufgrund der beim Sägen auftretenden mechanischen Spannungen, der Oberflächenrauigkeiten der Sägeoberfläche sowie der verfügbaren Sägedrahtdurchmesser auf 100 Mikrometer begrenzt.
  • Noch dünnere Wafer können beispielsweise durch eine wasserstoffinduzierte Waferabspaltung hergestellt werden. Dabei werden Wasserstoffionen in hoher Dosis in einen Siliziumkristall implantiert. Bei einem anschließenden Temperschritt verbindet sich der Wasserstoff zu Wasserstoffblasen im Silizium und spaltet die darüber liegende Siliziummembran vom Kristall ab. Die erzielbare Waferdicke kann sehr genau über die Implantationsenergie eingestellt werden.
  • Auf diese Weise können Wafer von bis zu 10 Mikrometern Dicke hergestellt werden.
  • Ferner ist die Möglichkeit bekannt, dünne Wafer durch epitaktische Abscheidung von einkristallinem Silizium herzustellen. Zum Ablösen dieser epitaktischen Schichten kann beispielsweise eine kristalline Schicht auf einer porösen Siliziumschicht aufgewachsen werden. Bei diesem sogenannten PorSi-Prozess wird neben der Epitaxie ein Schritt der Porosifizierung durchgeführt. Darüber hinaus wird nach der Ablösung der Epi-Schicht die darunterliegende restliche PorSi-Schicht nasschemisch entfernt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund werden mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, insbesondere einer Fotovoltaikzelle, eine entsprechende Vorrichtung sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, insbesondere einer Fotovoltaikzelle, vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    Bereitstellen einer Substratschicht;
    Bilden eines Stapels aus einem ersten Schichtverbund und einem zweiten Schichtverbund, wobei der erste Schichtverbund und der zweite Schichtverbund je zumindest zwei Verbundschichten aufweisen, insbesondere wobei die Verbundschichten auf der Substratschicht und/oder einer der Verbundschichten epitaktisch aufgewachsen werden;
    Aufbringen einer Abtrennschicht auf eine der Substratschicht gegenüberliegende Seite des Stapels, wobei die Seite durch eine Verbundoberfläche des zweiten Schichtverbunds gebildet ist, wobei die Abtrennschicht ausgebildet ist, um bei einer Temperaturänderung eine mechanische Spannung in einer dem zweiten Schichtverbund zugewandten Verbundschicht des ersten Schichtverbunds und/oder in einer dem ersten Schichtverbund zugewandten Verbundschicht des zweiten Schichtverbunds zu erzeugen; und
    Abtrennen des zweiten Schichtverbunds von dem ersten Schichtverbund durch eine Temperierung der Abtrennschicht, um das Halbleiterbauelement aus dem zweiten Schichtverbund herzustellen, wobei die dem zweiten Schichtverbund zugewandte Verbundschicht des ersten Schichtverbunds und/oder die dem ersten Schichtverbund zugewandte Verbundschicht des zweiten Schichtverbunds durch die mechanische Spannung gespalten wird, insbesondere wobei eine der Verbundoberfläche gegenüberliegende weitere Verbundoberfläche des zweiten Schichtverbunds freigelegt wird.
  • Unter einer Substratschicht kann ein Saatsubstrat zum epitaktischen Aufwachsen kristalliner Schichten verstanden werden. Bei der Substratschicht kann es sich beispielsweise um ein Siliziumsubstrat oder ein Saphirsubstrat handeln. Unter einem Stapel kann ein Epitaxieverbund aus Verbundschichten verstanden werden, die durch Epitaxie, etwa durch Gasphasenepitaxie, in einer vorgegebenen Reihenfolge auf der Substratschicht aufgewachsen werden. Unter einer Verbundschicht kann eine kristalline Schicht, insbesondere eine dotierte einkristalline Siliziumschicht, verstanden werden. Je zumindest zwei Verbundschichten können einen Schichtverbund bilden, in dem die Verbundschichten gemäß der vorgegebenen Reihenfolge aufeinanderliegen. Hierbei kann ein erster Schichtverbund vor einem zweiten Schichtverbund durch auf der Substratschicht aufgewachsen worden sein, sodass eine Verbundoberfläche des zweiten Schichtverbunds eine der Substratschicht gegenüberliegende Seite des Epitaxieverbunds bildet. Unter einer Verbundoberfläche kann etwa eine Rückseite des zweiten Schichtverbunds verstanden werden. Auf die Verbundoberfläche kann eine Abtrennschicht aufgebracht werden. Unter einer Abtrennschicht kann eine Schicht zum Induzieren einer mechanischen Spannung in dem Epitaxieverbund verstanden werden. Hierbei kann ein Wärmeausdehnungskoeffizient der Abtrennschicht von einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Verbundschichten abweichen. Beispielsweise kann es sich bei der Abtrennschicht um eine temperierbare Metall- oder Polymerschicht handeln. Bei einer Temperaturänderung kann sich die Abtrennschicht beispielsweise stärker verformen als die Verbundschichten.
  • Dadurch kann in einer benachbart zu einer Grenzfläche zwischen dem ersten und zweiten Schichtverbund angeordneten Verbundschicht gezielt eine Spannung erzeugt werden. Die Spannung kann etwa mittels einer Dicke der Abtrennschicht derart gewählt sein, dass die Verbundschicht gespalten wird, um den zweiten von dem ersten Schichtverbund abzutrennen. Dadurch kann das Halbleiterbauelement in Form des zweiten Schichtverbunds bereitgestellt werden. Der zweite Schichtverbund kann nach dem Abtrennen eine weitere Verbundoberfläche aufweisen. Unter einer weiteren Verbundoberfläche kann etwa eine der Rückseite gegenüberliegende Vorderseite des zweiten Schichtverbunds verstanden werden.
  • Der vorliegende Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass Siliziumschichten, wie sie insbesondere zur Herstellung von Fotovoltaikzellen verwendet werden können, epitaktisch auf einem Siliziumsubstrat in Form eines Schichtsystems aufgewachsen werden können. Die Siliziumschichten können je in einer bestimmten Schichtfolge aufeinander aufgewachsen werden. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Folge unterschiedlich dotierter Siliziumschichten handeln. Dadurch können die Herstellungskosten im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren wie etwa Kristallziehen drastisch reduziert werden. Zudem ist im vorliegenden Ansatz keine zusätzliche nasschemische Strukturierung wie z. B. das Porosifizieren zur Erzeugung einer Spaltschicht erforderlich.
  • Um eine Fotovoltaikzelle herzustellen, können die übereinanderliegenden Schichtfolgen voneinander getrennt werden. Hierzu kann auf eine dem Siliziumsubstrat gegenüberliegende Seite des Schichtsystems eine Spannungsinduzierungsschicht aufgetragen werden, die ausgebildet ist, um eine mechanische Spannung in dem Schichtsystem zu erzeugen. Vorteilhafterweise kann die Spannung derart reguliert werden, dass die Schichtfolgen in einem eng definierten Bereich des Schichtsystems getrennt werden, wodurch der Ausnutzungsgrad des gewachsenen Kristallmaterials erhöht werden kann. Zudem kann diese Form der Fotovoltaikzellenherstellung mit einem vergleichsweise geringen apparativen Aufwand realisiert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Ansatzes kann im Schritt des Aufbringens eine elektrisch leitfähige Metallschicht als Abtrennschicht aufgebracht werden. Dadurch können die für eine Verschaltung des Halbleiterbauelements erforderlichen elektrischen Kontaktstellen sehr kostensparend bereitgestellt werden.
  • Im Schritt des Aufbringens kann eine Abtrennschicht mit einer ersten Lage und einer der Verbundoberfläche zugewandten zweiten Lage aufgebracht werden. Hierbei kann die erste Lage ausgebildet sein, um die mechanische Spannung zu erzeugen. Die optionale zweite Lage, welche z. B. mit Wasserstoff angereichert ist, kann ausgebildet sein, um beim thermisch aktivierten Spaltprozess durch Diffusionsprozesse (von z. B. Wasserstoff) den mechanischen Spaltvorgang in einer definierten Tiefe zu unterstützen. Ferner kann im Schritt des Abtrennens die weitere Verbundoberfläche mit einem Ätzmittel bearbeitet werden, um den zweiten Schichtverbund auf eine vorgegebene Dicke zu reduzieren. Insbesondere kann der Ätzabtrag in eine der vorgeschlagenen Ausführungsformen dazu dienen, die für die Fotovoltaikzelle notwendige Emitterschicht mit der richtigen Dotierung freizulegen und bei nicht ganz präziser Spaltung Reste einer gegenläufig dotierten Schicht des ersten Schichtverbundes zu entfernen.
  • Des weiteren kann hierbei die weitere Verbundoberfläche derart bearbeitet werden, dass die weitere Verbundoberfläche eine Oberflächentextur aufweist. Bei dem Ätzmittel kann es sich beispielsweise um eine stark alkalische Lösung mit Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid handeln. Durch das Ätzmittel kann der zweite Schichtverbund sehr einfach und mit geringem Kostenaufwand auf die vorgegebene Dicke reduziert werden. Vorteilhafterweise kann das Ätzmittel ferner dazu verwendet werden, um die weitere Verbundoberfläche mit einer Oberflächentextur zu versehen. Unter einer Oberflächentextur kann eine Struktur zur Verminderung von Reflexionsverlusten verstanden werden. Die Oberflächentextur kann insbesondere auf einer Vorderseite einer Fotovoltaikzelle ausgebildet sein. Durch eine solche Ätzmittelbehandlung kann die Effizienz des Halbleiterbauelements in Form einer Fotovoltaikzelle mit geringem Kostenaufwand deutlich verbessert werden.
  • Das Verfahren kann einen Schritt des Passivierens der Verbundoberfläche und/oder der weiteren Verbundoberfläche umfassen, um die Verbundoberfläche und/oder die weitere Verbundoberfläche mit einer Schutzschicht abzudecken. Insbesondere kann hierbei die Verbundoberfläche vor dem Schritt des Aufbringens passiviert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die weitere Verbundoberfläche nach dem Schritt des Abtrennens passiviert werden. Insbesondere kann ferner in einem Schritt des Öffnens die Schutzschicht mit Öffnungen zum elektrischen Kontaktieren einer der Schutzschicht benachbarten Verbundschicht versehen werden. Unter einer Schutzschicht kann eine Schicht verstanden werden, die eine Oxidierung einer darunter befindlichen Verbundschicht verhindert. Beispielsweise kann es sich bei der Schutzschicht um eine Schicht aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid handeln. Die zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauelements erforderlichen Öffnungen können etwa mittels Laserablation sehr kosteneffizient realisiert werden. Mittels der Schutzschicht können Rekombinationsverluste an den Verbundoberflächen stark reduziert werden, wodurch sich ein Wirkungsgrad des Halbleiterbauelements weiter erhöhen lässt.
  • Darüber hinaus kann das Verfahren einen Schritt des Erzeugens einer Heterostruktur auf der Verbundoberfläche und/oder auf der weiteren Verbundoberfläche umfassen. Insbesondere kann hierbei die Heterostruktur zumindest teilweise aus amorphem Silizium erzeugt werden. Unter einer Heterostruktur kann eine Halbleiterschicht aus zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien verstanden werden. Beispielsweise kann die Heterostruktur eine Schicht aus amorphem Silizium und eine Schicht aus einkristallinem Silizium aufweisen. Bei dem amorphen Silizium kann es sich beispielsweise um intrinsisches oder dotiertes amorphes Silizium handeln. Durch die Heterostruktur können sehr geringe Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten erreicht werden, was hohe Spannungen in dem Halbleiterbauelement und damit eine hohe Effizienz des Halbleiterbauelements ermöglicht.
  • Die Heterostruktur kann im Schritt des Erzeugens auf der Verbundoberfläche vor dem Schritt des Aufbringens erzeugt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Heterostruktur im Schritt des Erzeugens auf der weiteren Verbundoberfläche nach dem Schritt des Abtrennens erzeugt werden. Auf diese Weise kann das Halbleiterbauelement besonders kosteneffizient mit der Heterostruktur versehen werden.
  • Des Weiteren kann das Verfahren einen Schritt des Versehens der Heterostruktur mit einer TCO-Schicht umfassen, um die Heterostruktur abzudecken, wenn im Schritt des Erzeugens die Heterostruktur auf der weiteren Verbundoberfläche erzeugt wird. Unter einer TCO-Schicht kann eine Schicht aus transparenten, elektrisch leitfähigen Oxiden („Transparent Conducting Oxides“) verstanden werden. Die TCO-Schicht kann eine geringe Absorption elektromagnetischer Wellen im Bereich des sichtbaren Lichts aufweisen. Auch durch diese Ausführungsform des vorliegenden Ansatzes kann die Effizienz des Halbleiterbauelements in Form einer Fotovoltaikzelle deutlich gesteigert werden.
  • Der erste Schichtverbund und der zweite Schichtverbund können im Schritt des Bildens je mit einer Emitterschicht, einer Basisschicht und/oder einer Rückseitenfeldschicht als Verbundschichten gebildet werden. Unter einer Emitterschicht, einer Basisschicht und einer Rückseitenfeldschicht können beispielsweise dotierte Siliziumschichten verstanden werden. Hierbei können die Basisschicht und die Emitterschicht gegenläufig und die Basisschicht und die Rückseitenfeldschicht gleichläufig dotiert sein. Die Emitterschicht, die Basisschicht und die Rückseitenfeldschicht können derart gebildet werden, dass die Basisschicht zwischen der Emitterschicht und der Rückseitenfeldschicht angeordnet ist. Durch die Rückseitenfeldschicht („Back Surface Field“) können Rekombinationsverluste in der Basisschicht erheblich reduziert werden. Diese Ausführungsform des vorliegenden Ansatzes bietet den Vorteil einer kostengünstigen Herstellung sehr effizienter Halbleiterbauelemente, insbesondere in Form von Fotovoltaikzellen.
  • Ferner kann nach dem Schritt des Abtrennens ein weiterer Schritt des Bildens wiederholt ausgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Schritt des Aufbringens wiederholt ausgeführt werden. Im weiteren Schritt des Bildens kann ein weiterer zweiter Schichtverbund auf dem ersten Schichtverbund gebildet werden, wobei der weitere zweite Schichtverbund zumindest zwei Verbundschichten aufweist, insbesondere wobei die Verbundschichten auf dem ersten Schichtverbund und/oder einer der Verbundschichten epitaktisch aufgewachsen werden. Durch eine mehrfache Verwendung der Substratschicht und/oder des ersten Schichtverbunds lassen sich die Produktionskosten weiter senken.
  • Im Schritt des Bildens kann zudem ein weiterer Schichtverbund gebildet werden. Hierbei kann der weitere Schichtverbund zumindest zwei weitere Verbundschichten aufweisen. Die zumindest zwei weiteren Verbundschichten können auf einer Verbundschicht des ersten Schichtverbunds und/oder einer Verbundschicht des zweiten Schichtverbunds epitaktisch aufgewachsen werden. Auch durch diese Ausführungsform des vorliegenden Ansatzes lässt sich die Herstellung des Halbleiterelements sehr effizient umsetzen.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
  • Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
  • Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 schematische Darstellungen von Schichtverbünden in unterschiedlichen Herstellungsstadien bei der Herstellung einer Fotovoltaikzelle nach Herstellungsschritten eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 schematische Darstellungen von Schichtverbünden in unterschiedlichen Herstellungsstadien bei der Herstellung einer Fotovoltaikzelle nach Herstellungsschritten eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3 schematische Darstellungen von Schichtverbünden in unterschiedlichen Herstellungsstadien bei der Herstellung einer Fotovoltaikzelle nach Herstellungsschritten eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4 schematische Darstellungen von Schichtverbünden in unterschiedlichen Herstellungsstadien bei der Herstellung einer Fotovoltaikzelle nach Herstellungsschritten eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5 schematische Darstellungen von Schichtverbünden in unterschiedlichen Herstellungsstadien bei der Herstellung einer Fotovoltaikzelle nach Herstellungsschritten eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 6 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Herstellen eines Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
  • 1 zeigt schematische Darstellungen von Schichtverbünden bei der Herstellung einer Fotovoltaikzelle nach Herstellungsschritten eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem ersten Schritt wird zunächst eine Substratschicht 100 bereitgestellt. Mittels der Substratschicht 100 können Verbundschichten epitaktisch aufgewachsen werden. In einem folgenden Schritt wird aus der Substratschicht 100 mittels Epitaxie gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Stapel 102 (auch Epitaxieverbund 102 genannt) mit einem ersten Schichtverbund 110 und einem zweiten Schichtverbund 115 gebildet. Die zwei Schichtverbünde 110, 115 weisen je eine Emitterschicht 120, eine Basisschicht 125 und eine Rückseitenfeldschicht 130 als Verbundschichten auf. Hierbei werden die Verbundschichten 120, 125, 130 derart auf der Substratschicht 100 aufgewachsen, dass eine Basisschicht 125 je zwischen einer Emitterschicht 120 und einer Rückseitenfeldschicht 130 angeordnet ist. Die Emitterschichten 120 sind je der Substratschicht 100 zugewandt. Ferner ist der erste Schichtverbund 110 zwischen der Substratschicht 100 und dem zweiten Schichtverbund 115 angeordnet.
  • Beispielsweise sind die Rückseitenfeldschichten 130 als stark n-dotierte Siliziumschichten (auch n+-BSF genannt), die Basisschichten 125 als n-dotierte Siliziumschichten (auch n-Basis genannt) und die Emitterschichten 120 als stark p-dotierte Siliziumschichten (auch p+-Emitter genannt) ausgeführt. Ferner sind die Emitterschichten 120 in 1 deutlich dünner als die jeweils benachbarten Basisschichten 125 dargestellt.
  • In einem dritten Schritt erfolgt das Aufbringen einer Abtrennschicht 135 auf eine der Substratschicht 100 gegenüberliegende Seite des Epitaxieverbunds 102, wobei die Seite durch eine Verbundoberfläche des zweiten Schichtverbunds 115 gebildet ist. In 1 wird die Verbundoberfläche durch die Rückseitenfeldschicht 130 des zweiten Schichtverbunds 115 gebildet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Abtrennschicht 135 ausgebildet, um bei einer Temperaturänderung eine mechanische Spannung in der Rückseitenfeldschicht 130 des ersten Schichtverbunds 110 zu erzeugen. Hierzu kann die Abtrennschicht 135 temperiert werden.
  • Ferner ist die Abtrennschicht 135 mit einer ersten Lage 140 und einer zweiten Lage 145 ausgeführt. Die Abtrennschicht 135 wird so auf die Verbundoberfläche aufgebracht, dass die zweite Lage 145 zwischen der ersten Lage 140 und der Verbundoberfläche angeordnet ist. Während die erste Lage 140 ausgebildet ist, um die mechanische Spannung zu erzeugen, ist die zweite Lage 145 ausgebildet, um die Verbundoberfläche mit der ersten Lage 140 mechanisch zu koppeln.
  • Die erste Lage 140 ist zusätzlich in Form einer elektrisch leitfähigen Metallschicht realisiert. Dadurch kann die erste Lage 140 später als Rückseitenkontakt der Fotovoltaikzelle verwendet werden.
  • In einem nächsten Schritt wird durch eine Temperierung der Abtrennschicht 135 eine derartige Spannung in der Rückseitenfeldschicht 130 des ersten Schichtverbunds 110 erzeugt, dass die Rückseitenfeldschicht 130 in zwei Teilschichten gespalten wird und somit der zweite Schichtverbund 115 von dem ersten Schichtverbund 110 abgetrennt wird. Hierbei bleibt eine Teilschicht mit der Emitterschicht 120 des zweiten Schichtverbunds 115 verbunden. Aus dem zweiten Schichtverbund 115 wird in den nachfolgend beschriebenen Schritten die Fotovoltaikzelle hergestellt.
  • Nach dem Schritt des Abtrennens wird der zweite Schichtverbund 115 mit der Abtrennschicht 135 umgedreht, sodass die Emitterschicht 120 mit der darauf befindlichen Teilschicht eine weitere Verbundoberfläche in Form einer Vorderseite und die Abtrennschicht 135 eine der Vorderseite gegenüberliegende Rückseite des zweiten Schichtverbunds 115 bzw. der Fotovoltaikzelle bildet. Die Vorderseite wird nun mit einem Ätzmittel behandelt, um die Teilschicht von der Emitterschicht 120 zu entfernen und die Emitterschicht 120 zu reinigen. Hierbei wird die Vorderseite optional mit einer Oberflächentextur (nicht dargestellt) zum Reduzieren von Reflexionsverlusten an der Vorderseite versehen.
  • Der erste Schichtverbund 110 wird nach einem Schritt des Reinigens, bei dem auch die Teilschicht von der Rückseitenfeldschicht 130 entfernt wird, verwendet, um den Schritt des Bildens wiederholt auszuführen (in 1 mit einem Pfeil dargestellt). Beispielsweise werden hierbei weitere Verbundschichten auf die nun freigelegte Basisschicht 125 aufgewachsen.
  • Nach dem Schritt des Abtrennens wird ein Schritt des Passivierens ausgeführt, um die Vorderseite des zweiten Schichtverbunds 115 bzw. der Fotovoltaikzelle mit einer Schutzschicht 150 abzudecken. Die Schutzschicht 150 ist ausgebildet, um Rekombinationsverluste an der Vorderseite zu reduzieren und die Emitterschicht 120 gegen Umwelteinflüsse zu schützen.
  • In einem weiteren Schritt wird die Schutzschicht 150 mit Öffnungen 155 zum elektrischen Kontaktieren der Emitterschicht 120 versehen. In 1 sind beispielhaft zwei solcher Öffnungen dargestellt. Durch die Öffnungen 155 wird die Emitterschicht 120 in einem zusätzlichen Schritt mit metallischen Leiterbahnen 160, etwa in Form eines aufgedruckten Metallgitters, elektrisch kontaktiert. Während die Vorderseite durch die Leiterbahnen 160 elektrisch kontaktiert ist, ist die Rückseite durch die erste Lage 140 der Abtrennschicht 135 elektrisch kontaktiert.
  • Ein Verfahren zur Herstellung einkristalliner Dünnschichtsolarzellen als Fotovoltaikzellen hat die Aufgabe, einen Siliziumspaltprozess zu nutzen, um bereits epitaktisch hergestellte, einkristalline Siliziumsolarzellenstrukturen bestehend aus Emitter 120, Basis 125 und Back Surface Field 130 („Rückseitenfeld“) voneinander zu trennen. Der Emitter 120 kann auch als Emitterschicht 120, die Basis 125 auch als Basisschicht 125 und das Back Surface Field 130 auch als Rückseitenfeldschicht 130, BSF 130 oder BSF-Schicht 130 bezeichnet werden. Hierdurch wird die Herstellung einzelner Wafer durch Kristallziehen überflüssig, was ein enormes Einsparpotenzial bezüglich der Herstellung von Solarzellen darstellt.
  • Ein wichtiger Aspekt des hier vorgestellten Ansatzes ist die Kombination aus epitaktischem, einkristallinem Schichtwachstum und dem durch thermische Verspannungen induzierten Waferspaltprozess. Im Vergleich zum Konzept des epitaktischen Aufwachsens auf einer porösen Siliziumschicht (PorSi-Prozess), an dem sich das hier vorgestellte Verfahren anlehnt, entsteht bei diesem Verfahren praktisch kein Materialverlust, da nahezu das gesamte epitaktisch aufgewachsene Material ausgenutzt wird und darüber hinaus der als Startsubstrat 100 benötigte Siliziumwafer theoretisch unbegrenzt oft wiederverwendet werden kann. Das Startsubstrat 100 kann auch Substratschicht 100, Saatsubstrat 100 oder Muttersubstrat 100 bezeichnet werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird zum Aufwachsen epitaktischer Schichten zunächst ein einkristallines Startsubstrat 100 benötigt. Nach entsprechender Reinigung werden auf diesem mittels epitaktischem Wachstum einkristalline, dotierte Siliziumschichten zu einem Epi-dotierten c-Si-Schichtstapel aufgewachsen. Als Wachstumsmethode kommt beispielsweise die chemische Gasphasenepitaxie infrage, die eine hohe Wachstumsrate von größer 1 Mikrometer pro Minute ermöglicht, um die in der Solarzellenproduktion üblichen Durchsatzraten von über 1000 Wafern pro Stunde erreichen zu können.
  • Die erste abzuscheidende Schicht ist zunächst die Emitterschicht 120, die eine zur Basis entgegengesetzte Dotierung mit deutlich höherer Dotierstoffkonzentration (größer 1020 cm–3) besitzt. Der Emitter 120 sollte zwischen 50 und 250 Nanometer dick sein. Die anschließend abzuscheidende Basis 125 sollte mindestens 10 Mikrometer, idealerweise zwischen 20 und 30 Mikrometer, dick sein, um eine ausreichende Lichtabsorption zu ermöglichen, und eine niedrige Dotierstoffkonzentration aufweisen (Dotierstoffkonzentration zwischen 1014 und 1016 cm–3). Abschließend wird das Back Surface Field 130 mit gleicher, aber höher konzentrierter Dotierung (1019 bis 1020 cm–3) als in der Basis 125 abgeschieden. Die BSF-Schicht 130 sollte zwischen 100 Nanometer und 1 Mikrometer dick sein.
  • Die beschriebene Schichtfolge wird dann so lange wiederholt übereinander abgeschieden, wie die Defektdichte in den abgeschiedenen Schichten 120, 125, 130, die üblicherweise mit wachsender Schichtdicke zunimmt, ausreichend niedrig ist. Denkbar sind also entweder Schichtfolgen aus p+-BSF, p-Basis und n+-Emitter oder alternativ aus n+-BSF, n-Basis und p+-Emitter.
  • Bevor der erste Solarzellenstapel abgezogen werden kann, wird nun die zuoberst liegende Solarzellenrückseite gereinigt und je nach Zellkonzept direkt metallisiert, wie in 1 gezeigt, oder passiviert, um Rekombinationsverluste zu vermeiden, wie nachfolgend anhand der 3 und 4 beschrieben. Als Passivierschicht 150 (auch Oberflächenpassivierschicht 150 oder Schutzschicht 150 genannt) kommen beispielsweise amorphes Silizium, Siliziumnitrid (SiN), Siliziumoxid (SiO) oder Aluminiumoxid (Al2O3) infrage. Der Solarzellenstapel kann auch als Schichtstapel, Solarzellenschichtstapel oder Schichtverbund 110, 115 bezeichnet werden.
  • Wird die Passivierschicht 150 vor dem Schritt des Aufbringens der Abtrennschicht 135 hergestellt, so sollten anschließend lokale Kontaktbereiche definiert werden, in denen die Passivierschicht 150 etwa durch Laserablation oder durch Maskierung und anschließendes nasschemisches Ätzen entfernt wird.
  • Danach wird die Abtrennschicht 135 aufgebracht. Die Abtrennschicht 135 kann auch als spannungsinduzierende Schicht 135 (Stress Inducing Layer; SIL) bezeichnet werden. Infrage kommen hierfür Metalle oder spezielle Polymere. Besteht die spannungsinduzierende Schicht 135 aus Metall, so dient diese später gleichzeitig als metallischer Rückkontakt der Solarzelle.
  • Je nach Verfahren kann zwischen der spannungsinduzierenden Schicht 135 und dem Siliziumkristall noch eine zusätzliche Schicht als Spaltunterstützungsschicht 145 (auch zweite Lage 145 oder Seed Layer genannt) eingefügt werden. Die Dicke der spannungsinduzierenden Schicht 135 sollte so eingestellt werden, dass der epitaktisch aufgewachsene Schichtstapel genau zwischen zwei Solarzellenstrukturen gespalten wird.
  • Die Position der Aufspaltung kann zusätzlich durch das Anbringen einer Sollbruchstelle, etwa durch einen Laserschnitt am Rand des Stapels 102, in gewissen Grenzen vordefiniert werden.
  • Da die Dicke der abgespaltenen Schicht nicht atomar genau definiert werden kann, besteht eine Option darin, eine der beiden Schichten am Übergang zwischen den Zellen dicker als für die Solarzellenfunktion nötig abzuscheiden, sodass gewährleistet ist, dass die Spaltung immer in der gleichen Schicht stattfindet.
  • Als Spaltschicht empfiehlt sich eine stark n-dotierte Schicht, da diese anschließend dort, wo sich noch überschüssiges, n-dotiertes Material auf einer p-dotierten Schicht befindet, selektiv zu p-dotiertem Material mittels nasschemischer Ätzung in Kaliumhydroxid (KOH) entfernt werden kann.
  • Dies impliziert, dass für dieses Konzept der Emitter 120 p-dotiert und damit Basis 125 und BSF 130 n-dotiert sein sollten. Begründet liegt dies darin, dass sich beim Spaltprozess auftretende Schichtdickenstreuungen in der BSF-Schicht 130 deutlich geringer auswirken als bei der wesentlich dünneren, nur wenige 100 Nanometer dicken Emitterschicht 120.
  • Nach Abspaltung wird zunächst die eventuell vorhandene gegenläufig dotierte Restschicht auf dem Emitter 120 entfernt. Anschließend erfolgt die Reinigung der Oberfläche und gegebenenfalls eine Texturierung zur Verminderung von Reflexionsverlusten in der Solarzelle. Allerdings sollte bei der Textur darauf geachtet werden, dass diese ausschließlich in die Emitterschicht 120 strukturiert wird, da ansonsten Kurzschlüsse zwischen Emitterschicht 120 und lokalen Kontakten zur Basis 125 entstehen können. Hier kommen Texturierungsmethoden infrage, deren Strukturhöhen im Bereich der Emitterdicke liegen.
  • Danach erfolgt die Abscheidung einer Passivier- und Antireflexschicht 150. Diese kann beispielsweise aus amorphem Silizium, Siliziumnitrid (SiN), Siliziumoxid (SiO), Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumcarbid (SiC) und/oder aus Kombinationen dieser Materialien bestehen.
  • Abschließend erfolgt die Metallisierung der Solarzelle. Diese kann entweder durch Siebdruck und Sintern einer glashaltigen Metallpaste (zum Beispiel Silberpaste) oder durch Schattenmaskenbedampfen mittels PVD (Physical Vapour Deposition; „physikalische Gasphasenabscheidung“) auf die vorstrukturierte Passivierschicht 150 mit lokalen Öffnungen 155 erfolgen.
  • Das Muttersubstrat 100 mit den noch vorhandenen und noch nicht getrennten Solarzellenschichtstapeln kann dann wie oben beschrieben für den nächsten Spaltprozess vorbereitet werden. Dieser startet also wieder mit der Reinigung und der eventuell eingesetzten Passivierung der Oberfläche.
  • Ein Prozessfluss zur Herstellung epitaktisch gewachsener Siliziumsolarzellen unter Zuhilfenahme eines Waferspaltprozesses gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann anhand von 1 folgendermaßen zusammengefasst werden. Zunächst werden mehrere Solarzellenschichtstapel 110, 115 bestehend aus Emitter 120, Basis 125 und BSF 130 epitaktisch gewachsen. Danach wird eine metallische spannungsinduzierende Schicht 135 aufgebracht, die später gleichzeitig als ganzflächiger Rückseitenkontakt dient. Nach dem thermisch induzierten Spaltprozess, der in der BSF-Schicht 130 des Solarzellenschichtstapels 110 stattfinden soll, wird die überflüssige n-dotierte BSF-Schicht 130 vom Emitter 120 des Solarzellenschichtstapels 115 zurückgeätzt. Gleichzeitig oder in einem zusätzlichen Ätzschritt kann die Texturierung der Oberfläche erfolgen. Schließlich wird die Emitteroberfläche mit einer Oberflächenpassivierschicht 150 versehen, ein Metallgrid als Leiterbahn 160 aufgedruckt und die aufgedruckte Metallpaste durch die Passivierschicht 150 gefeuert.
  • 2 zeigt schematische Darstellungen von Schichtverbünden bei der Herstellung einer Fotovoltaikzelle nach Herstellungsschritten eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz zu 1 wird bei dem in 2 gezeigten Verfahren im Schritt des Aufbringens ein organisches Material als spannungsinduzierende Schicht eingesetzt, die vor einer zusätzlich erforderlichen Rückseitenmetallisierung entfernt werden sollte.
  • Im Schritt des Aufbringens wird im Unterschied zu 1 eine organische Abtrennschicht 200 auf die Verbundoberfläche aufgebracht. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Abtrennschicht 135 ist die organische Abtrennschicht 200 einlagig ausgeführt. Nach dem Schritt des Abtrennens wird die organische Abtrennschicht 135 von dem zweiten Schichtverbund 115 entfernt, um die Rückseitenfeldschicht 130 des zweiten Schichtverbunds 115 freizulegen. In einem weiteren Schritt wird nun auf die Rückseitenfeldschicht 130 ein ganzflächiger Metallkontakt 205 zum elektrischen Kontaktieren der Rückseitenfeldschicht 130 aufgebracht. Anschließend wird der zweite Schichtverbund 115 umgedreht. Die nachfolgenden Schritte sind mit den in 1 gezeigten Schritten identisch.
  • 3 zeigt schematische Darstellungen von Schichtverbünden bei der Herstellung einer Fotovoltaikzelle nach Herstellungsschritten eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist ein Prozessfluss zur Herstellung epitaktisch gewachsener Siliziumsolarzellen mit rückseitiger Passivierschicht 150 und lokalen Kontaktöffnungen 155 (auch Öffnungen 155 genannt) unter Zuhilfenahme eines Waferspaltprozesses. Im Unterschied zu den in den 1 und 2 gezeigten Verfahren wird in 3 vor dem Schritt des Aufbringens der Abtrennschicht 135 zusätzlich die Verbundoberfläche mit der Schutzschicht 150 passiviert. Anschließend wird die Schutzschicht 150 etwa mittels Laserablation geöffnet, um die Öffnungen 155 zum elektrischen Kontaktieren der Rückseitenfeldschicht 130 herzustellen. In 3 sind beispielhaft zwei Öffnungen 155 gezeigt. Anschließend wird wie in 1 beschrieben die Abtrennschicht 135 auf die Schutzschicht 150 aufgebracht. Die folgenden Schritte sind mit den in 1 gezeigten Schritten identisch.
  • Denkbar ist auch, dass nur zwei der drei benötigten dotierten Schichten 120, 125, 130 epitaktisch gewachsen und anschließend voneinander gespalten werden. Die fehlende Schicht wird dann je nach Art vor oder nach der Spaltung separat erzeugt. Beispielsweise wird das BSF 130 vor der Spaltung und der Emitter 120 nach der Spaltung separat erzeugt. Möglicher Vorteil dieser Vorgehensweise wäre, dass eine der beiden Solarzellenseiten als Heterostruktur, etwa aus amorphem Silizium, ausgeführt werden kann.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird nach dem sogenannten HIT-Konzept (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer; „Heteroübergang mit intrinsischer Dünnschicht“) entweder die Emitterschicht 120, wie nachfolgend anhand von 4 beschrieben, oder das BSF 130, wie nachfolgend anhand von 5 beschrieben, durch einen Stapel aus intrinsischem und dotiertem amorphem Silizium ersetzt. Heterostrukturen aus amorphem Silizium (a-Si) und einkristallinem Silizium (c-Si) haben den Vorteil, dass sich mit ihnen extrem geringe Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten erreichen lassen, was zu hohen Solarzellenspannungen und damit zu verbesserter Solarzelleneffizienz führen kann. Das Konzept, den Emitter 120 als Heterostruktur auszuführen, hat den Vorteil, dass bei der Texturierung, die vor der Emitterabscheidung im Bereich der Basis 125 erfolgen kann, auf Standardprozesse wie der Random Pyramid Texture („zufällige Pyramidentextur“) mittels nasschemischer KOH-Strukturierung zurückgegriffen werden kann.
  • 4 zeigt schematische Darstellungen von Schichtverbünden bei der Herstellung einer Fotovoltaikzelle nach Herstellungsschritten eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu den anhand der 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispielen werden gemäß dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel im Schritt des Bildens lediglich die Basisschicht 125 und die Rückseitenfeldschicht 130 als Verbundschichten epitaktisch aufgewachsen, um die Schichtverbünde 110, 115 zu bilden. Hierbei werden die Basisschichten 125 und Rückseitenfeldschichten 130 derart aufeinander aufgewachsen, dass die Basisschichten 125 je der Substratschicht 100 zugewandt sind. Anschließend wird die Verbundoberfläche gemäß den in 3 gezeigten Schritten mit der Schutzschicht 150, den Öffnungen 155 und der Abtrennschicht 135 versehen.
  • Nach dem Abtrennen des zweiten Schichtverbunds 115, bei dem die Rückseitenfeldschicht 130 des ersten Schichtverbunds 110 in zwei Teilschichten gespalten wird, wird die überflüssige Teilschicht von der Basisschicht 125 des zweiten Schichtverbunds 115 mithilfe des Ätzmittels gemäß den in den 1 bis 3 gezeigten Verfahren entfernt. Nach dem Rückätzen wird nun allerdings eine Emitterschicht in Form einer Emitter-Heterostruktur 400 (auch Heteroemitter 400 genannt) auf die Vorderseite des zweiten Schichtverbunds 115 aufgebracht. Die Emitter-Heterostruktur 400 weist hierbei beispielhaft eine erste Schicht aus intrinsischem amorphem Silizium und eine zweite Schicht aus p-dotiertem amorphem Silizium auf.
  • Optional wird in einem anschließenden Schritt eine TCO-Schicht 405 zum Steigern der Effizienz der Fotovoltaikzelle auf der Emitter-Heterostruktur 400 hergestellt. Die TCO-Schicht 405 wird in einem zusätzlichen Schritt mit den Leiterbahnen 160 versehen, um die Emitter-Heterostruktur 400 elektrisch zu kontaktieren.
  • Ein Prozessfluss zur Herstellung epitaktisch gewachsener Siliziumsolarzellen mit rückseitiger Passivierschicht 150 und lokalen Kontaktöffnungen 155 unter Zuhilfenahme eines Waferspaltprozesses gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann anhand von 4 folgendermaßen zusammengefasst werden. Zunächst werden nur Basis 125 und BSF 130 epitaktisch gewachsen. Nach dem Spaltprozess und der n-BSF-Restschichtentfernung, bei der die Basis 125 gleichzeitig texturiert werden kann, erfolgt die Abscheidung eines i-a-Si/p-a-Si-Heteroemitters 400 (i-a-SI = intrinsisches amorphes Silizium; p-a-Si = p-dotiertes amorphes Silizium). Danach werden auf den Heteroemitter 400 eine TCO-Schicht 405 (Transparent Conducting Oxide; „transparente, elektrisch leitfähige Oxide“) sowie Leiterbahnen 160 in Form eines Metallgrids aufgebracht.
  • 5 zeigt schematische Darstellungen von Schichtverbünden bei der Herstellung einer Fotovoltaikzelle nach Herstellungsschritten eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu den anhand der 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsbeispielen werden gemäß dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel im Schritt des Bildens lediglich die Basisschicht 125 und die Emitterschicht 120 epitaktisch aufgewachsen, um die Schichtverbünde 110, 115 zu bilden. Hierbei werden die Basisschichten 125 und Emitterschichten 120 derart aufeinander aufgewachsen, dass die Emitterschichten 120 je der Substratschicht 100 zugewandt sind. Anschließend wird auf die Verbundoberfläche eine Rückseitenfeldschicht in Form einer BSF-Heterostruktur 500 aufgebracht. Die BSF-Heterostruktur 500 weist beispielhaft eine erste Schicht aus intrinsischem amorphem Silizium und eine zweite Schicht aus stark n-dotiertem amorphem Silizium auf. Hierauf wird auf die BSF-Heterostruktur 500 die in den 1, 3 und 4 gezeigte Abtrennschicht 135 aufgebracht.
  • Nach dem Abtrennen des zweiten Schichtverbunds 115, bei dem die Basisschicht 125 des ersten Schichtverbunds 110 in zwei Teilschichten gespalten wird, wird die überflüssige Teilschicht von der Emitterschicht 120 des zweiten Schichtverbunds 115 mithilfe des Ätzmittels gemäß den in den 1 bis 4 gezeigten Verfahren entfernt, um die Vorderseite des zweiten Schichtverbunds 115 freizulegen. Schließlich wird die Vorderseite der Fotovoltaikzelle gemäß den in den 1 bis 3 gezeigten Schritten passiviert und kontaktiert.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das BSF in 5 als a-Si-Heterostruktur mit i-a-Si/n+-a-Si-Schichtstapeln (n+-a-Si = n+-dotiertes amorphes Silizium) realisiert. In Schritt des Abtrennens wird anstatt der in den anderen Konzepten vorhandenen BSF-Restschicht ein Rest der Basisschicht 125 entfernt. Ansonsten erfolgt die Prozessierung wie beispielsweise in 1 gezeigt.
  • 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 600 zum Herstellen eines Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 600 umfasst eine Einheit 605 zum Bereitstellen einer Substratschicht. Die Einheit 605 kann beispielsweise in Form eines Zuführroboterarms realisiert sein. Ferner weist die Vorrichtung 600 eine Einheit 610 zum Bilden eines Stapels aus einem ersten Schichtverbund und einem zweiten Schichtverbund auf. Hierbei weisen der erste Schichtverbund und der zweite Schichtverbund je zumindest zwei Verbundschichten auf. Insbesondere werden hierbei die Verbundschichten auf der Substratschicht epitaktisch aufgewachsen. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 600 eine Einheit 615 zum Aufbringen einer Abtrennschicht auf eine der Substratschicht gegenüberliegende Seite des Stapels, wobei die Seite durch eine Verbundoberfläche des zweiten Schichtverbunds gebildet ist. Hierbei ist die Abtrennschicht ausgebildet, um bei einer Temperaturänderung eine mechanische Spannung in einer dem zweiten Schichtverbund zugewandten Verbundschicht des ersten Schichtverbunds und/oder in einer dem ersten Schichtverbund zugewandten Verbundschicht des zweiten Schichtverbunds zu erzeugen. Schließlich umfasst die Vorrichtung 600 eine Einheit 620 zum Abtrennen des zweiten Schichtverbunds von dem ersten Schichtverbund durch eine Temperierung der Abtrennschicht, um das Halbleiterbauelement aus dem zweiten Schichtverbund herzustellen. Hierbei wird die dem zweiten Schichtverbund zugewandte Verbundschicht des ersten Schichtverbunds und/oder die dem ersten Schichtverbund zugewandte Verbundschicht des zweiten Schichtverbunds durch die mechanische Spannung gespalten, sodass eine der Verbundoberfläche gegenüberliegende weitere Verbundoberfläche des zweiten Schichtverbunds freigelegt wird.
  • Die Einheiten der Vorrichtung 600 können beispielsweise Halterungen oder Werkzeuge sein, die ausgebildet sind, um die beschriebenen Arbeiten auszuführen. Dem einschlägigen Fachmann ist bekannt, wie die Einheiten hierbei auszugestalten sind.
  • 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Herstellen eines Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem Schritt 705 erfolgt zunächst das Bereitstellen einer Substratschicht. Anschließend wird in einem Schritt 710 ein Stapel aus einem ersten Schichtverbund und einem zweiten Schichtverbund gebildet. Hierbei weisen der erste Schichtverbund und der zweite Schichtverbund je zumindest zwei Verbundschichten auf. Insbesondere werden hierbei die Verbundschichten auf der Substratschicht epitaktisch aufgewachsen. Hierauf erfolgt ein Schritt 715 des Aufbringens einer Abtrennschicht auf eine der Substratschicht gegenüberliegende Seite des Stapels, wobei die Seite durch eine Verbundoberfläche des zweiten Schichtverbunds gebildet ist. Die Abtrennschicht ist hierbei ausgebildet, um bei einer Temperaturänderung eine mechanische Spannung in einer dem zweiten Schichtverbund zugewandten Verbundschicht des ersten Schichtverbunds und/oder in einer dem ersten Schichtverbund zugewandten Verbundschicht des zweiten Schichtverbunds zu erzeugen. Schließlich wird in einem Schritt 720 der zweite Schichtverbund von dem ersten Schichtverbund durch eine Temperierung der Abtrennschicht abgetrennt, um das Halbleiterbauelement aus dem zweiten Schichtverbund herzustellen. Dabei wird die dem zweiten Schichtverbund zugewandte Verbundschicht des ersten Schichtverbunds und/oder die dem ersten Schichtverbund zugewandte Verbundschicht des zweiten Schichtverbunds durch die mechanische Spannung gespalten. Ferner wird dabei eine der Verbundoberfläche gegenüberliegende weitere Verbundoberfläche des zweiten Schichtverbunds freigelegt.
  • Gemäß einem weiteren Ansatz kann ein Siliziumkristall durch mechanisch induzierte Spannungen gespalten werden. Hierfür kann eine spannungsinduzierende Schicht auf den zu spaltenden Siliziumkristall aufgebracht werden und das Schichtsystem aufgeheizt oder abgekühlt werden. Bei Temperaturänderung verursachen die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Siliziumkristalls und der spannungsinduzierenden Schicht so viel Spannung im Siliziumkristall, dass dieser in einer bestimmten Tiefe, die gezielt durch die Dicke des Deckmaterials eingestellt werden kann, gespalten wird. Mit diesem Verfahren lassen sich gezielt einkristalline Siliziummembranen zwischen 50 und 10 Mikrometer ohne Materialverlust, wie er etwa beim Sägen entsteht, erzeugen.
  • Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
  • Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
  • Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims (14)

  1. Verfahren (700) zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, insbesondere einer Fotovoltaikzelle, wobei das Verfahren (700) folgende Schritte umfasst: Bereitstellen (705) einer Substratschicht (100); Bilden (710) eines Stapels (102) aus einem ersten Schichtverbund (110) und einem zweiten Schichtverbund (115), wobei der erste Schichtverbund (110) und der zweite Schichtverbund (115) je zumindest zwei Verbundschichten (120, 125, 130) aufweisen, insbesondere wobei die Verbundschichten (120, 125, 130) auf der Substratschicht (100) und/oder einer der Verbundschichten (120, 125, 130) epitaktisch aufgewachsen werden; Aufbringen (715) einer Abtrennschicht (135, 200) auf eine der Substratschicht (100) gegenüberliegende Seite des Stapels (102), wobei die Seite durch eine Verbundoberfläche des zweiten Schichtverbunds (115) gebildet ist, wobei die Abtrennschicht (135, 200) ausgebildet ist, um bei einer Temperaturänderung eine mechanische Spannung in einer dem zweiten Schichtverbund (115) zugewandten Verbundschicht (125, 130) des ersten Schichtverbunds (110) und/oder in einer dem ersten Schichtverbund (110) zugewandten Verbundschicht des zweiten Schichtverbunds (115) zu erzeugen; und Abtrennen (720) des zweiten Schichtverbunds (115) von dem ersten Schichtverbund (110) durch eine Temperierung der Abtrennschicht (135, 200), um das Halbleiterbauelement aus dem zweiten Schichtverbund (115) herzustellen, wobei die dem zweiten Schichtverbund (115) zugewandte Verbundschicht (125, 130) des ersten Schichtverbunds (110) und/oder die dem ersten Schichtverbund (110) zugewandte Verbundschicht des zweiten Schichtverbunds (115) durch die mechanische Spannung gespalten wird, insbesondere wobei eine der Verbundoberfläche gegenüberliegende weitere Verbundoberfläche des zweiten Schichtverbunds (115) freigelegt wird.
  2. Verfahren (700) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Aufbringens (715) eine elektrisch leitfähige Metallschicht als Abtrennschicht (135) aufgebracht wird.
  3. Verfahren (700) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Aufbringens (715) eine Abtrennschicht (135) mit einer ersten Lage (140) und einer der Verbundoberfläche zugewandten zweiten Lage (145) aufgebracht wird, wobei die erste Lage (140) ausgebildet ist, um die mechanische Spannung zu erzeugen, wobei die zweite Lage (145) ausgebildet ist, um die Verbundoberfläche mit der ersten Lage (140) mechanisch zu koppeln.
  4. Verfahren (700) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Abtrennens (720) die weitere Verbundoberfläche mit einem Ätzmittel bearbeitet wird, um den zweiten Schichtverbund (115) auf eine vorgegebene Dicke zu reduzieren, insbesondere wobei die weitere Verbundoberfläche derart bearbeitet wird, dass die weitere Verbundoberfläche eine Oberflächentextur aufweist.
  5. Verfahren (700) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schritt des Passivierens der Verbundoberfläche und/oder der weiteren Verbundoberfläche, um die Verbundoberfläche und/oder die weitere Verbundoberfläche mit einer Schutzschicht (150) abzudecken, insbesondere wobei die Verbundoberfläche vor dem Schritt des Aufbringens (715) und/oder die weitere Verbundoberfläche nach dem Schritt des Abtrennens (720) passiviert wird, insbesondere wobei in einem Schritt des Öffnens die Schutzschicht (150) mit Öffnungen (155) zum elektrischen Kontaktieren einer der Schutzschicht (150) benachbarten Verbundschicht (120, 130) versehen wird.
  6. Verfahren (700) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schritt des Erzeugens einer Heterostruktur (400, 500) auf der Verbundoberfläche und/oder auf der weiteren Verbundoberfläche, insbesondere wobei die Heterostruktur (400, 500) zumindest teilweise aus amorphem Silizium erzeugt wird.
  7. Verfahren (700) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Erzeugens die Heterostruktur (400, 500) auf der Verbundoberfläche vor dem Schritt des Aufbringens (715) und/oder auf der weiteren Verbundoberfläche nach dem Schritt des Abtrennens (720) erzeugt wird.
  8. Verfahren (700) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Erzeugens die Heterostruktur (400, 500) auf der weiteren Verbundoberfläche nach dem Schritt des Abtrennens (720) und vor dem Schritt des Passivierens erzeugt wird.
  9. Verfahren (700) gemäß Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen Schritt des Versehens der Heterostruktur (400) mit einer TCO-Schicht (405), um die Heterostruktur (400) abzudecken, wenn im Schritt des Erzeugens die Heterostruktur (400) auf der weiteren Verbundoberfläche erzeugt wird.
  10. Verfahren (700) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bildens (710) der erste Schichtverbund (110) und der zweite Schichtverbund (115) je mit einer Emitterschicht (120), einer Basisschicht (125) und/oder einer Rückseitenfeldschicht (130) als Verbundschichten (120, 125, 130) gebildet werden.
  11. Verfahren (700) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt des Abtrennens (720) ein weiterer Schritt des Bildens und/oder der Schritt des Aufbringens (715) wiederholt ausgeführt wird, wobei im weiteren Schritt des Bildens ein weiterer zweiter Schichtverbund (115) auf dem ersten Schichtverbund (115) gebildet wird, wobei der weitere zweite Schichtverbund (115) zumindest zwei Verbundschichten (120, 125, 130) aufweist, insbesondere wobei die Verbundschichten (120, 125, 130) auf dem ersten Schichtverbund (115) und/oder einer der Verbundschichten (120, 125, 130) epitaktisch aufgewachsen werden.
  12. Verfahren (700) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bildens (710) ein weiterer Schichtverbund gebildet wird, wobei der weitere Schichtverbund zumindest zwei weitere Verbundschichten aufweist, wobei die zumindest zwei weiteren Verbundschichten auf einer Verbundschicht des ersten Schichtverbunds (110) und/oder einer Verbundschicht des zweiten Schichtverbunds (115) epitaktisch aufgewachsen werden.
  13. Vorrichtung (600) zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, insbesondere einer Fotovoltaikzelle, wobei die Vorrichtung (600) folgende Merkmale aufweist: eine Einheit (605) zum Bereitstellen einer Substratschicht (100); eine Einheit (610) zum Bilden eines Stapels (102) aus einem ersten Schichtverbund (110) und einem zweiten Schichtverbund (115), wobei der erste Schichtverbund (110) und der zweite Schichtverbund (115) je zumindest zwei Verbundschichten (120, 125, 130) aufweisen, insbesondere wobei die Verbundschichten (120, 125, 130) auf der Substratschicht (100) und/oder einer der Verbundschichten (120, 125, 130) epitaktisch aufgewachsen werden; eine Einheit (615) zum Aufbringen einer Abtrennschicht (135, 200) auf eine der Substratschicht (100) gegenüberliegende Seite des Stapels (102), wobei die Seite durch eine Verbundoberfläche des zweiten Schichtverbunds (115) gebildet ist, wobei die Abtrennschicht (135, 200) ausgebildet ist, um bei einer Temperaturänderung eine mechanische Spannung in einer dem zweiten Schichtverbund (115) zugewandten Verbundschicht (125, 130) des ersten Schichtverbunds (110) und/oder in einer dem ersten Schichtverbund (110) zugewandten Verbundschicht des zweiten Schichtverbunds (115) zu erzeugen; und eine Einheit (620) zum Abtrennen des zweiten Schichtverbunds (115) von dem ersten Schichtverbund (110) durch eine Temperierung der Abtrennschicht (135, 200), um das Halbleiterbauelement aus dem zweiten Schichtverbund (115) herzustellen, wobei die dem zweiten Schichtverbund (115) zugewandte Verbundschicht (125, 130) des ersten Schichtverbunds (110) und/oder die dem ersten Schichtverbund (110) zugewandte Verbundschicht des zweiten Schichtverbunds (115) durch die mechanische Spannung gespalten wird, insbesondere wobei eine der Verbundoberfläche gegenüberliegende weitere Verbundoberfläche des zweiten Schichtverbunds (115) freigelegt wird.
  14. Computerprogrammprodukt mit Programmcode zur Durchführung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens (700) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Vorrichtung (600) ausgeführt wird.
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