DE102014109179B4 - Verfahren zum Erzeugen von unterschiedlich dotierten Bereichen in einem Siliziumsubstrat, insbesondere für eine Solarzelle, und Solarzelle mit diesen unterschiedlich dotierten Bereichen - Google Patents

Verfahren zum Erzeugen von unterschiedlich dotierten Bereichen in einem Siliziumsubstrat, insbesondere für eine Solarzelle, und Solarzelle mit diesen unterschiedlich dotierten Bereichen Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Erzeugen von wenigstens zwei unterschiedlich stark überwiegend mit einem ersten Dotanden-Typ dotierten Teilbereichen (3, 5) in einem Siliziumsubstrat (1), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:Bedecken wenigstens eines ersten Teilbereichs (3) des Siliziumsubstrats (1), in dem eine stärkere Dotierung mit dem ersten Dotanden-Typ erzeugt werden soll, mit einer dotierenden Schicht (7) aus Borsilikatglas, wobei wenigstens ein zweiter Teilbereich (5) des Siliziumsubstrats (1), in dem eine schwächere Dotierung mit dem ersten Dotanden-Typ erzeugt werden soll, nicht mit der dotierenden Schicht (7) bedeckt wird, und wobei in die dotierende Schicht (7) Bor als Dotand eines zweiten Dotanden-Typs, der sich von dem ersten Dotanden-Typ unterscheidet und diesem entgegengesetzt polarisiert ist, eingelagert ist;Erhitzen des derart vorbereiteten Siliziumsubstrates (1) auf Temperaturen oberhalb von 800 °C, vorzugsweise oberhalb von 900 °C, in einem Ofen in einer Atmosphäre, welche signifikante Mengen des ersten Dotanden-Typs enthält, wobei die wenigstens zwei unterschiedlich stark überwiegend mit dem ersten Dotanden-Typ dotierten Teilbereiche (3, 5) durch die genannten Verfahrensschritte erzeugt werden.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von wenigstens zwei unterschiedlich stark dotierten Teilbereichen in einem Siliziumsubstrat, insbesondere für eine Solarzelle. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle, insbesondere einer Rückkontaktsolarzelle, sowie eine entsprechend herstellbare Solarzelle.
  • Technologischer Hintergrund
  • Siliziumsubstrate werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise können mit Siliziumsubstraten in Form eines Wafers oder einer Dünnschicht Solarzellen oder andere elektronische Bauelemente hergestellt werden. In dem Siliziumsubstrat werden hierzu meist angrenzend an dessen Oberfläche verschiedene Teilbereiche erzeugt, die sich hinsichtlich der darin eingebrachten Dotanden-Typen und/oder Dotandenkonzentrationen unterscheiden. Hierbei können Dotanden wie z.B. Phosphor eingebracht sein, die negative Ladungen, d.h. Elektronen, freisetzen und daher gemäß ihrer Polarität als n-Typ-Dotanden bezeichnet werden. Alternativ können Dotanden wie z.B. Bor eingebracht sein, die positive Ladungen, d.h. Löcher, freisetzen und daher gemäß ihrer Polarität als p-Typ-Dotanden bezeichnet werden. Je nachdem mit welchem Dotanden-Typ und mit welcher Dotandenkonzentration ein Teilbereich überwiegend dotiert ist, bildet sich darin ein elektrisches Potential aus. Durch geeignetes Anordnen der Teilbereiche können für ein bestimmtes Halbleiterbauelement gewünschte Funktionen bewirkt werden.
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung überwiegend mit Bezug auf ein Siliziumsubstrat für eine Herstellung einer Solarzelle beschrieben, da Vorteile, die die Erfindung ermöglicht, bei der Herstellung von Solarzellen besonders gut genutzt werden können. Ausführungsformen der Erfindung können jedoch auch zum Fertigen von Siliziumsubstraten für andere Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise für mikroelektronische Bauelemente, Leistungshalbleiterbauelemente, Bauelemente der Speichertechnik und ähnliches.
  • Solarzellen werden als photovoltaische Elemente zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie eingesetzt. In einem Halbleitersubstrat wie zum Beispiel einem Siliziumwafer sind hierzu verschiedene dotierte Teilbereiche vorgesehen. Aufgrund unterschiedlicher Arten beziehungsweise Dichten von Ladungsträgern innerhalb der verschiedenen Teilbereiche kommt es an Grenzflächen zwischen benachbarten Teilbereichen zur Ausprägung eines Potenzialunterschiedes. Mittels eines solchen Potenzialunterschiedes können Ladungsträgerpaare, die in der Nähe dieser Grenzflächen durch Absorption von Licht erzeugt wurden, räumlich getrennt werden.
  • Es wurde eine Vielzahl von Solarzellenkonzepten entwickelt, bei denen verschieden dotierte Teilbereiche in geeignet angepasster Geometrie in einem Siliziumsubstrat erzeugt werden, um gewünschte Funlctionalitäten wie z.B. eine effiziente Einsammlung generierter Ladungsträger, eine geringe Abschattung durch Metallkontakte an einer der Sonne zugewandten Oberfläche der Solarzelle oder die Möglichkeit einer guten Passivierung von Oberflächen der Solarzelle zu schaffen. Beispielsweise wurden Rückkontaktsolarzellen entwickelt, bei denen beide Kontakttypen, d.h. Kontakte, die p-Typ-Bereiche kontaktieren, und Kontakte, die n-Typ-Bereiche kontaktieren, an der Rückseite des Siliziumsubstrates angeordnet sind, sodass es zu keiner kontaktbedingten Abschattung auf der der Sonne zugewandten Seite der Solarzelle kommt und die Möglichkeit besteht, insbesondere die frontseitige Oberfläche des Siliziumsubstrats sehr effizient passivieren zu können. Beispiele für solche Rückkontaktsolarzellen sind IBC-Solarzellen (Interdigitated Back Contact), bei denen Kontaktfinger zum Kontaktieren beider Polaritäten an der rückseitigen Oberfläche eines Siliziumsubstrates ineinander verschachtelt angeordnet sind.
  • Herkömmlich gibt es bei der Herstellung von Siliziumsolarzellen unterschiedliche Methoden, um verschieden dotierte Teilbereiche in einem Siliziumsubstrat erzeugen zu können.
  • Beispielsweise können die Teilbereiche, die mit einem bestimmten Dotanden-Typ dotiert werden sollen, in einem Ofen bei hohen Temperaturen einer Atmosphäre ausgesetzt werden, die diesen Dotanden-Typ enthält, sodass Dotanden sich an der Oberfläche des Siliziumsubstrates anlagern und in das Siliziumsubstrat eindiffundieren können. Teilbereiche des Siliziumsubstrats, die hierbei nicht dotiert werden sollen, werden dabei herkömmlich meist mit einer Maskierungsschicht gegen ein Anlagern und Eindiffundieren von Dotanden geschützt. Als Maskierungsschichten werden z.B. Schichten geeigneter Dicke aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid eingesetzt. Dotierte Teilbereiche verschiedener Polarität können in einem Siliziumsubstrat hierbei im Allgemeinen dadurch erzeugt werden, dass das Siliziumsubstrat nacheinander verschiedenen Atmosphären mit unterschiedlichen Dotanden ausgesetzt wird und zuvor jeweils die nicht zu dotierenden Teilbereiche maskiert werden. Dotierte Teilbereiche gleicher Polarität aber unterschiedlicher Dotandenkonzentrationen und damit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit können z.B. dadurch erzeugt werden, dass zunächst über einen gesamten Bereich Dotanden homogen eindiffundiert werden und anschließend einzelne Teilbereiche zurückgeätzt werden.
  • Alternativ können verschieden dotierte Teilbereiche erzeugt werden, indem z.B. mit Dotanden versetzte Schichten auf die Oberfläche der zu dotierenden Teilbereiche aufgebracht werden und dann das Siliziumsubstrat einschließlich der darauf aufgebrachten Schichten erhitzt wird, um die Dotanden aus den Schichten in das Siliziumsubstrat eindiffundieren zu lassen.
  • US 8 377 738 B2 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Solarzellen unter Vermeidung eines entgegengesetzten Dotierens in bestimmten Bereichen eines Substrats. US 2011 / 0 003 466 A1 beschreibt Verfahren zum Bilden eines mehrfach-dotierten Übergangs mit porösem Silizium. EP 2 648 235 A2 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer fotoelektrischen Vorrichtung.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es kann ein Bedarf an einem alternativen Verfahren zum Erzeugen von wenigstens zwei unterschiedlich stark überwiegend mit einem ersten Dotanden-Typ dotierten Teilbereichen in einem Siliziumsubstrat bestehen, wobei das Siliziumsubstrat insbesondere für eine Solarzelle verwendet werden kann. Es kann ferner ein Bedarf an einem Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle, welches sich des zuvor genannten Verfahrens bedient, sowie an einer Solarzelle, welche mit dem zuvor genannten Verfahren hergestellt werden kann, bestehen. Die genannten Verfahren können einfach durchgeführt werden. Insbesondere können zwei, drei oder mehr verschieden dotierte Teilbereiche in einem Siliziumsubstrat in einem gemeinsamen Prozess erzeugt werden.
  • Einem solchen Bedarf kann mit einem Verfahren bzw. mit einer Solarzelle gemäß den nebengeordneten Patentansprüchen der vorliegenden Patentanmeldung entsprochen werden. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen von wenigstens zwei unterschiedlich stark überwiegend mit einem ersten Dotanden-Typ dotierten Teilbereichen in einem Siliziumsubstrat vorgeschlagen. Das Siliziumsubstrat kann insbesondere zur Herstellung einer Solarzelle verwendet werden. Das Verfahren weist die nachfolgend beschriebenen Schritte in der angegebenen Reihenfolge auf
    • - Bedecken wenigstens eines ersten Teilbereichs des Siliziumsubstrats, in dem eine stärkere Dotierung mit dem ersten Dotanden-Typ erzeugt werden soll, mit einer dotierenden Schicht aus Borsilikatglas, wobei wenigstens ein zweiter Teilbereich des Siliziumsubstrats, in dem eine schwächere Dotierung mit dem ersten Dotanden-Typ erzeugt werden soll, nicht mit der dotierenden Schicht bedeckt wird und wobei in die dotierende Schicht Bor als Dotand eines zweiten Dotanden-Typs, der sich von dem ersten Dotanden-Typ unterscheidet und diesem entgegengesetzt polarisiert ist, eingelagert ist;
    • - Erhitzen des derart vorbereiteten Siliziumsubstrates auf Temperaturen oberhalb von 800 °C, vorzugsweise oberhalb von 900 °C, in einem Ofen in einer Atmosphäre, welche signifikante Mengen des ersten Dotanden-Typs enthält. Die wenigstens zwei unterschiedlich stark überwiegend mit dem ersten Dotanden-Typ dotierten Teilbereiche werden dabei durch die genannten Verfahrensschritte erzeugt.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle, insbesondere einer Rückkontaktsolarzelle, vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge:
    • - Bereitstellen des Siliziumsubstrates;
    • - Erzeugen von wenigstens zwei unterschiedlich stark mit einem ersten Dotanden-Typ dotierten Teilbereichen in dem Siliziumsubstrat mit einer Ausführungsform des oben genannten Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;
    • - Erzeugen von Metallkontakten zum elektrischen Kontaktieren verschiedener dotierter Teilbereiche des Siliziumsubstrats.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Siliziumsolarzelle, insbesondere eine Rückkontaktsolarzelle wie z.B. eine IBC-Solarzelle, vorgeschlagen. Die Solarzelle weist wenigstens zwei unterschiedlich stark überwiegend n-Typ dotierte Teilbereiche angrenzend an eine Oberfläche eines Siliziumsubstrats auf. Die beiden Teilbereiche werden hierbei mithilfe des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erzeugt. In einem ersten Teilbereich des Siliziumsubstrats, in dem eine stärkere n-Typ Dotierung eingebracht ist, ist dabei zusätzlich eine schwache p-Typ Dotierung eingebracht, welche durch die n-Typ Dotierung überkompensiert ist. In einem zweiten Teilbereich des Siliziumsubstrats, in dem eine schwächere n-Typ Dotierung eingebracht ist, ist im Wesentlichen keine p-Typ Dotierung eingebracht. Die in dem ersten Teilbereich eingebrachte p-Typ Dotierung weist hierbei ein Dotierprofil auf, welches nahe einer Oberfläche des Siliziumsubstrats eine wesentlich steilere exponentielle Abnahme einer Dotierkonzentration aufweist als entfernter von der Oberfläche des Siliziumsubstrats.
  • Nachfolgend werden mögliche Details, mögliche Vorteile und mögliche Wirkweisen der Erfindung am Beispiel von Ausführungsformen näher beschrieben. Ideen zu den oben genannten Aspekten und zu Ausführungsformen der Erfindung können dabei unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
  • Wie einleitend erläutert, wurde bei herkömmlichen Herstellungsverfahren für Solarzellen bzw. allgemein beim Erzeugen von unterschiedlich dotierten Teilbereichen in einem Siliziumsubstrat davon ausgegangen, dass die mehreren Teilbereiche in der Regel in mehreren Prozessierungsschritten nacheinander erzeugt werden müssen. Insbesondere erschien es nicht möglich, in einem einzigen Prozessierungsschritt sowohl p-Typ-dotierte Teilbereiche als auch n-Typ-dotierte Teilbereiche mit verschiedenen Dotierungskonzentrationen zu erzeugen.
  • Es wurde nun erkannt, dass durch eine geeignete Wahl einerseits von Schichten, mit denen einzelne der zu dotierenden Teilbereiche der Siliziumsubstratoberfläche bedeckt werden, und andererseits von Parametern, die beim Erhitzen des Siliziumsubstrats zum Eindiffundieren von Dotanden eingestellt werden, Synergieeffekte bewirkt werden können, die es erlauben, mehrere verschieden dotierte Teilbereiche in einem gemeinsamen Prozessierungsschritt zu erzeugen.
  • Insbesondere wurde beobachtet, dass eine auf einen Teilbereich aufgebrachte dotierende Schicht, in die Dotanden eines zweiten Dotanden-Typs eingelagert sind, unter geeignet gewählten Umständen überraschender Weise dazu führen kann, dass bei einem anschließend durchgeführten Erhitzen des derart vorbereiteten Siliziumsubstrates Dotanden eines ersten, anderen Dotanden-Typs stärker in das Siliziumsubstrat eindiffundieren als dies zu beobachten ist, wenn keine solche dotierende Schicht aufgebracht wurde.
  • Unter einer dotierenden Schicht kann dabei eine Schicht verstanden werden, welche signifikante Mengen eines Silizium dotierenden Elements, d.h. eines Dotanden, enthält. Atome bzw. allgemein Teilchen des Dotanden können dabei in ein die Schicht bildendes Material eingelagert sein. Meist macht die Menge des Dotanden nur einen Anteil an der Schicht aus, beispielsweise mit Konzentrationen im Bereich von 1018 bis 1022 cm-3. Der Dotand kann dabei so gewählt sein, dass die in die Schicht eingelagerten Atome oder Partikel nicht die elektrischen Eigenschaften der Schicht selbst signifikant beeinflussen. Sobald die Atome bzw. Partikel jedoch in benachbartes Halbleitermaterial eindiffundieren, bewirken sie dort als elektrisch aktive Störstellen eine Dotierung und ändern somit das elektrische Verhalten des Halbleitermaterials. Die Schicht kann beispielsweise als dielektrische Schicht ausgeführt sein, bei der in ein Dielektrikum wie z.B. Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid Dotanden eingelagert sind. Alternativ ist auch vorstellbar, die dotierende Schicht mit anderen nicht-dielektrischen Materialien wie z.B. amorphem Silizium auszubilden.
  • In einem konkreten Beispiel wurde beispielsweise beobachtet, dass eine dotierende Siliziumoxidschicht, in die Bor als zweiter Dotanden-Typ eingelagert ist, d.h. eine Schicht aus Borsilikatglas (BSG), bei geeignet gewählter Schichtdicke bewirken kann, dass Phosphor als erster Dotanden-Typ aus einer Gasatmosphäre bei hohen Temperaturen stärker in ein darunterliegendes Siliziumsubstrat eindiffundiert wird, als dies der Fall ist, wenn der beobachtete Teilbereich nicht mit der Borsilikatglasschicht bedeckt wurde.
  • Interessanterweise wurde dabei beobachtet, dass die Eindiffusion von Phosphor nicht nur stärker ist als in einem Fall, bei dem der Teilbereich gar nicht mit einer dielektrischen Schicht bedeckt ist, sondern auch stärker als in dem Fall, bei dem zwar eine Silikatglasschicht den Teilbereich bedeckt, in diese jedoch kein Bor eingelagert ist.
  • Die Borsilikatglasschicht scheint somit eine Eindiffusion von Phosphor in das darunterliegende Siliziumsubstrat erheblich zu begünstigen, also wie eine Art „Diffusionskatalysator“ zu wirken, wobei der Diffusionsprozess selbst jedoch vielleicht nicht beschleunigt wird, sondern das Phosphor im Bor-haltigen Siliziumoxid nur effektiv eingesammelt und an das Siliziumsubstrat weitergereicht wird.
  • Um den Einfluss des Bors in dem Borsilikatglas auf die Eindiffusion von Phosphor in das Siliziumsubstrat besser zu verstehen, wurden Experimente mit Siliziumsubstraten durchgeführt, bei denen Teilbereiche der Substratoberfläche mit BSG beschichtet waren und andere Teilbereiche mit nicht mit Dotierstoffen angereicherten Siliziumoxid beschichtet oder völlig unbeschichtet waren. Die Siliziumsubstrate wurden dann in einem Ofen auf Temperaturen von mehr als 800 °C oder sogar mehr als 900 °C geheizt. An Wänden des Ofens war dabei im Rahmen einer vorgegangenen POCl3-Diffusion Phosphorsilikatglas (PSG) erzeugt worden, aus dem bei den hohen Temperaturen Phosphor freigesetzt wurde, sodass sich in dem Ofen eine Phosphor-haltige Atmosphäre bilden konnte. Alternativ hätte das Erhitzen des Siliziumsubstrates in einer Atmosphäre durchgeführt werden können, in welche der erste Dotanden-Typ und/oder Verbindungen, welche den ersten Dotanden-Typ enthalten, zugegeben sind. Es wurde beobachtet, dass nach diesem Hochtemperaturschritt in den vorab mit BSG beschichteten Bereichen eine deutlich höhere Phosphorkonzentration in dem Siliziumsubstrat zu messen war als in angrenzenden Teilbereichen, die nicht beschichtet oder mit nicht mit Dotierstoffen angereicherten Siliziumoxid beschichtet waren.
  • Ohne die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen für diese zunächst überraschende Beobachtung bereits im Einzelnen verstanden zu haben und ohne die hierin beschriebene Erfindung, welche die beobachteten Effekte ausnutzt, einzuschränken, wird derzeit vermutet, dass das beobachtete, lokal durch das BSG verstärkte Eindiffundieren von Phosphor dadurch begründet sein kann, dass Phosphor aus der umgebenden Atmosphäre kommend in die BSG-Schicht aufgenommen werden kann und sofern die Schicht hierbei nicht zu dick ist, d.h. insbesondere eine Dicke von weniger als 400 nm, vorzugsweise weniger als 200 nm oder 100 nm aufweist, die Schicht bevorzugt hin zu dem darunterliegenden Siliziumsubstrat verlassen und in dessen Oberfläche eindiffundieren kann. Dabei scheint das ebenfalls in der BSG-Schicht befindliche Bor dafür zu sorgen, dass Phosphor besser in die Schicht aufgenommen werden kann, d.h. eine höhere Löslichkeit aufweist, oder eine höhere Beweglichkeit innerhalb der Schicht aufweist, als dies bei reinem, nicht mit Dotierstoffen angereicherten Silikatglas der Fall ist.
  • Der beobachtete Effekt kann beispielsweise dazu genutzt werden, in einem Siliziumsubstrat unterschiedliche Teilbereiche auszubilden, die jeweils mit dem ersten Dotanden-Typ dotiert sind.
  • Der erste Dotanden-Typ kann in diesen Teilbereichen der einzige eindiffundierte Dotanden-Typ sein oder zumindest insoweit überwiegen, dass der erste Dotanden-Typ in einer Konzentration vorherrscht, die höher ist als eine Konzentration gegebenenfalls ebenfalls vorhandener anderer Dotanden. Mit anderen Worten kann in diesen Teilbereichen zwar auch ein weiterer Dotanden-Typ anzutreffen sein, allerdings nur in einer geringeren Konzentration, sodass sein Einfluss durch den ersten Dotanden-Typ überkompensiert ist.
  • Die unterschiedlichen Teilbereiche unterscheiden sich dabei zumindest hinsichtlich ihrer Konzentrationen des ersten Dotanden-Typs, d.h. es gibt wenigstens einen Teilbereich mit einer stärkeren Dotandenkonzentration und wenigstens einen Teilbereich mit einer geringeren Dotandenkonzentration.
  • Für Solarzellen lässt sich hierdurch beispielsweise eine selektive Emitterstruktur ausbilden mit stark dotierten Teilbereichen, die einfach elektrisch kontaktiert werden können, und schwach dotierten Bereichen, welche wenig Rekombination zeigen.
  • Untersuchungen der mit dem beschriebenen Verfahren erzeugten unterschiedlichen Teilbereiche haben ergeben, dass in denjenigen Teilbereichen, die während des Erhitzens mit der BSG-Schicht bedeckt waren, zusätzlich zu dem dominierenden Phosphoranteil auch signifikante Konzentrationen an Bor zu messen waren. Hierdurch unterscheiden sich z.B. entsprechend hergestellte Siliziumsubstrate erfindungsgemäß hergestellter Solarzellen von herkömmlichen Solarzellen mit unterschiedlich stark phosphor-dotierten Bereichen, bei denen stärker dotierte Teilbereiche meist dadurch erzeugt wurden, dass aufgrund fehlender Diffusionsbarriereschichten mehr Phosphor eindiffundiert wurde bzw. aufgrund fehlender lokaler Ätzung durch den Schutz von Ätzbarriereschichten weniger stark phosphorhaltiges oberflächliches Silizium von der Oberfläche des Substrates entfernt wurde.
  • Die Untersuchungen haben ferner ergeben, dass die in dem ersten Teilbereich eingebrachte Bor-haltige p-Typ Dotierung ein besonderes Dotierprofil aufweist, welches nahe einer Oberfläche des Siliziumsubstrats eine wesentlich steilere exponentielle Abnahme einer Dotierkonzentration aufweist als entfernter von der Oberfläche des Siliziumsubstrats. Ein solches Dotierprofil ist sehr ungewöhnlich und unterscheidet sich deutlich von Dotierprofilen, wie sie herkömmlich bei einer Eindiffusion von Bor generiert werden, bei denen nahe der Oberfläche des Siliziumsubstrats eine Dotierkonzentration eine wesentlich flachere exponentielle Abnahme aufweist als entfernter von der Oberfläche des Siliziumsubstrats.
  • Unter einer steilen exponentiellen Abnahme kann hierbei verstanden werden, dass eine logarithmisch aufgetragene Kurve, welche den Logarithmus der Dotandenkonzentration in Abhängigkeit von einer Tiefe, d.h. eines Abstands zu der Substratoberfläche, wiedergibt, steil abfallend ist, d.h. einen großen Gradienten aufweist.
  • Das beschriebene Dotierprofil scheint ein spezielles Resultat des oben beschriebenen Eindiffusionsprozesses zu sein, bei dem Phosphor durch eine BSG hindurch in die ersten Teilbereiche eindiffundiert wird und dabei das ebenfalls, allerdings in untergeordneter Menge, eindiffundierte Bor geänderten Diffusionsbedingungen unterliegt, die vermutlich zu dem beobachteten besonderen Dotierprofil führen.
  • Das beschriebene Verfahren kann dahingehend besonders vorteilhaft ergänzt werden, dass in dem Siliziumsubstrat zusätzlich zu dem ersten und zweiten dotierten Teilbereich wenigstens ein dritter dotierter Teilbereich erzeugt wird, der mit dem zweiten Dotanden-Typ dotiert ist. Dies kann erreicht werden, indem das Verfahren vor dem Erhitzen ergänzend ein Bedecken der dotierenden Schicht oberhalb des zu erzeugenden dritten dotierten Teilbereichs mit einer weiteren Schicht, insbesondere einer dielektrischen Schicht, welche als Diffusionsbarriere für den ersten Dotanden-Typ wirkt, umfasst.
  • Im oben beschriebenen Beispiel bedeutet dies, dass die BSG-Schicht lokal mit einer weiteren Schicht bedeckt wird, beispielsweise einer dielektrischen Schicht, speziell beispielweise einer Siliziumnitridschicht, die für den in einer umgebenden Atmosphäre befindlichen Phosphor als Diffusionsbarriere wirkt. Die weitere Schicht kann ihre Wirkung als Diffusionsbarriere dabei aufgrund ihrer Dichte und/oder Dicke und/oder Zusammensetzung erhalten. Die Diffusionsbarrierenschicht kann somit verhindern, dass Phosphor die darunterliegende BSG-Schicht in signifikanter Menge erreichen und in signifikanter Menge, d.h. in vergleichbarer Konzentration wie das aus der BSG-Schicht ins Substrat eindiffundierende Bor, durch diese hindurch in das Siliziumsubstrat eindiffundieren kann. Dementsprechend wird beim anschließenden Hochtemperaturschritt zwar Bor aus der BSG-Schicht in das darunterliegende Siliziumsubstrat eingetrieben und bewirkt eine lokale Bordotierung, es wird jedoch nicht zusätzlich auch noch Phosphor in signifikanter Menge eindiffundiert, welches die Bordotierung überkompensieren könnte. Im Resultat ist der dritte Teilbereich p-Typ dotiert.
  • Mit anderen Worten werden an dem Siliziumsubstrat vor dem Hochtemperaturschritt drei verschiedene Teilbereiche erzeugt, nämlich ein erster Teilbereich, der nur von der BSG-Schicht bedeckt ist, ein zweiter Teilbereich der nicht von der BSG-Schicht bedeckt ist und ein dritter Teilbereich, der sowohl von der BSG-Schicht als auch darüber von einer Diffusionsbarrierenschicht bedeckt ist. In dem ersten Teilbereich bilden sich während des Hochtemperaturschritts in dem Siliziumsubstrat eine starke Phosphorkonzentration und eine schwache, überkompensierte Borkonzentration aus, die jedoch signifikant über einer möglichen Bor-Grunddotierung des Substrats liegt. In dem zweiten Teilbereich bildet sich gleichzeitig ausschließlich eine schwache Phosphorkonzentration ohne ebenfalls vorhandene Borkonzentration aus, die signifikant über einer möglichen Bor-Grunddotierung des Substrats liegt. In dem dritten Teilbereich bildet sich gleichzeitig ausschließlich eine schwache Borkonzentration, die jedoch signifikant über einer möglichen Bor-Grunddotierung des Substrats liegt, ohne ebenfalls vorhandene Phosphorkonzentration aus. Dabei ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass in jedem der Teilbereiche aufgrund nebengeordneter Einflüsse geringe Mengen anderer Dotanden, beispielsweise durch die oben erwähnte mögliche Grunddotierung des Substrats typischerweise bis 1017 cm-3 oder beispielsweise durch die Verwendung co-dotierter oder teil-kompensierter Substrate, enthalten sein können, die jedoch für die Wirkung der überwiegenden Dotierung unerheblich sind. Weiter hängt die Stärke der Dotierungen in den Teilbereichen mitunter von der BSG-Schicht, der Diffusionsbarrierenschicht, der Atmosphäre im Diffusionsofen, der Diffusionstemperatur und der Diffusionsdauer ab. Daher ist es selbstverständlich, dass je nach Wahl dieser Parameter die einzelnen Teilbereiche auch schwächer oder stärker dotiert sein können.
  • Mit dem beschriebenen Verfahren lassen sich somit im Rahmen eines einzigen Hochtemperaturschrittes drei verschieden dotierte Bereiche in dem Siliziumsubstrat ausbilden, d.h. zwei unterschiedlich stark mit einem ersten Dotanden-Typ dotierte Teilbereichen sowie wenigstens ein mit einem zweiten Dotanden-Typ dotierter Teilbereich. Der erste und der zweite Dotanden-Typ weisen hierbei entgegengesetzte Polaritäten auf.
  • Dies kann insbesondere bei der Herstellung von Siliziumsolarzellen vorteilhaft genutzt werden, um z.B. einfach und kostengünstig Solarzellen fertigen zu können, deren Konzept die oben genannten drei verschieden dotierten Bereiche benötigt. Wie weiter unten im Detail beschrieben, können z.B. Rückkontaktsolarzellen, insbesondere IBC-Solarzellen, vorteilhaft gefertigt werden, bei denen, gegebenen falls nach Aufbringen geeigneter Passivierungsschichten, abschließend Metallkontakte zum elektrischen Kontaktieren der entgegengesetzt dotierten Teilbereiche des Siliziumsubstrats erzeugt werden.
  • Bei solchen Solarzellen weist die in dem dritten Teilbereich eingebrachte p-Typ-Dotierung ein Dotierprofil auf, welches nahe einer Oberfläche des Siliziumsubstrats eine wesentlich flachere exponentielle Abnahme einer Dotierkonzentration aufweist als entfernter von der Oberfläche des Siliziumsubstrats. Mit anderen Worten weisen die überkompensierte Bor-Dotierung im ersten Teilbereich und die nicht überkompensierte Bor-Dotierung im dritten Teilbereich qualitativ stark unterschiedliche Dotierungsprofile auf.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf ein Verfahren zum Erzeugen unterschiedlich stark dotierter Teilbereiche in einem Siliziumsubstrat, teilweise mit Bezug auf ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle und teilweise mit Bezug auf eine Solarzellebeschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, übertragen beziehungsweise ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Beschreibung noch die Zeichnungen als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
    • 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Siliziumsubstrats, in dem verschieden dotierte Teilbereiche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt sind.
    • 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Siliziumsubstrats, in dem verschieden dotierte Teilbereiche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt sind.
    • 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Rückkontaktsolarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 4 zeigt Dotierungsprofile eines erfindungsgemäß erzeugten Teilbereichs in einem Siliziumsubstrat.
    • 5 zeigt ein Dotierungsprofil eines weiteren erfindungsgemäß erzeugten Teilbereichs in einem Siliziumsubstrat.
  • Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den verschiedenen Figuren gleiche oder gleich wirkende Merkmale.
  • Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
  • Zur Herstellung einer Siliziumsolarzelle ist es im Allgemeinen erforderlich bzw. vorteilhaft, Teilbereiche einer Oberfläche eines Siliziumsubstrates negativ, d.h. n-Typ-artig, zu dotieren, um z.B. in einem p-Typ-Substrat einen Emitter zu erhalten oder um in einem n-Typ-Substrat Ladungsträger von einer rekombinationsaktiven Oberfläche fern zu halten und diese somit besser zu passivieren. Hierbei kann es vorteilhaft sein, unterschiedlich stark dotierte Bereiche innerhalb eines Substrates zu realisieren, beispielsweise um einen selektiven Emitter zu erzeugen, bei dem stark dotierte Teilbereiche widerstandsarm von Metallkontakten kontaktiert werden können und dazwischenliegende schwach dotierte Bereiche gut oberflächenpassiviert werden können.
  • Zur Herstellung einer Solarzelle auf Basis eines Siliziumsubstrats ist es ferner im Allgemeinen erforderlich, andere Teilbereiche des Siliziumsubstrats positiv, d.h. p-Typ-artig, zu dotieren, um z.B. auch für diese Teilbereiche einen hinreichend guten Kontakt mit einer Kontaktmetallisierung erreichen zu können oder um Ladungsträger von der Oberfläche fern zu halten oder um in einem n-Typ-Substrat einen. Emitter zu erzeugen.
  • Im konkreten Beispiel einer Rückkontaktsolarzelle ist es im Allgemeinen erforderlich, an einer rückseitigen, d.h. der im Betrieb der Sonne abgewandten Oberfläche des Siliziumsubstrates sowohl negativ als auch positiv dotierte Teilbereiche zu erzeugen. Ferner sollte auch die Frontseite, d.h. die im Betreib der Sonne zugewandte Seite des Siliziumsubstrats, oberflächennah eine erhöhte Basisdotierungskonzentration aufweisen, beispielsweise in Form eines FSFs (Front Surface Field), um dort Oberflächenrekombination zu minimieren.
  • Zur Erzeugung von negativ dotierten Teilbereichen in kristallinem Silizium wird im Allgemeinen Phosphor als Dotierstoff, d.h. als Dotand, eingesetzt. Dotierte Teilbereiche werden z.B. bei einer industriellen Fertigung von Solarzellen beispielsweise durch Ausdiffusion von Phosphor aus einer phosphorhaltigen Glasschicht (Phosphorsilikatglas, PSG) in das Siliziumsubstrat erzeugt. Die phosphorhaltige Glasschicht wird zuvor beispielsweise durch Einleiten von POCl3-Gas in ein Rohr eines Ofens abgeschieden. Für die eigentliche Eindiffusion des Phosphors werden hohe Temperaturen von typischerweise mehr als 800°C und lange Diffusionsdauern von typischerweise mehr als 20 min benötigt, wobei höhere Temperaturen die Diffusionsdauer tendenziell verkürzen. Meist werden hierbei Batch-Diffusionsöfen verwendet, in denen sowohl die Erzeugung der PSG-Schicht als auch das Eindiffundieren in das Substrat durchgeführt wird. Während des Dotierprozesses gelangt jedoch nur ein geringer Teil des eingesetzten Phosphors in das Substrat, ein größerer Anteil verbleibt in der Glasschicht auf dem Substrat oder einer Glasschicht an einer Innenwand des Ofenrohrs und bleibt dort ungenutzt bzw. verlässt den Ofen über das aus ihm austretende Abgas.
  • Zum Erzeugen unterschiedlich stark mit Phosphor dotierter Teilbereiche werden bislang in der Regel ein oder mehrere Diffusionsschritte gekoppelt mit geeigneten Maskierung- und/oder Ätzmaßnahmen eingesetzt. Als Maskierung für eine Phosphor-Diffusion wird z.B. eine Schicht ausreichender Dicke aus Siliziumnitrid (SiNx) oder Siliziumoxid (SiOx) verwendet. Dabei ist eine Barrierewirkung von Siliziumnitrid im Allgemeinen größer als von Siliziumoxid, sodass beispielsweise geringere Schichtdicken eingesetzt werden können.
  • Zum Erzeugen von positiv dotierten Teilbereichen in kristallinem Silizium wird allgemein Aluminium oder Bor eingesetzt. Da Bor eine höhere Festkörperlöslichkeit in Silizium aufweist, wird es bevorzugt zur Erzeugung stark dotierter p-Typ-Bereiche eingesetzt. Bor wird typischerweise bei höheren Temperaturen eindiffundiert als Phosphor, beispielsweise bei über 900 °C.
  • Herkömmlich sind zur Erzeugung von sowohl mit Phosphor dotierten Teilbereichen als auch von mit Bor dotierten Teilbereichen zwei oder mehr getrennte Diffusionsschritte notwendig. Alternativ können eine oder mehrere Dotierquellen aufgebracht werden und Dotanden zusammen in einem Diffusionsschritt eindiffundiert werden. Dabei können ergänzend jeweils Maskierungs- und/oder Ätzschritte eingesetzt werden. Um zusätzlich unterschiedlich stark mit Phosphor dotierte Teilbereiche zu erzeugen, müssen regelmäßig weitere Maskierungs- und/oder Ätzschritte eingesetzt werden.
  • 1 veranschaulicht eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, mit dem zwei unterschiedlich stark phosphor-dotierte Teilbereiche 3, 5 in einem Siliziumsubstrat 1 erzeugt werden können.
  • Auf einer Oberfläche 13 des Siliziumsubstrats 1 werden Teilflächen 9 mit einer Borsilikatglasschicht 7 (BSG, entspricht hier SiOxNy:B) bedeckt. Andere Teilflächen 11 bleiben unbedeckt. Das BSG 7 dient typischerweise als Feststoffdotierquelle.
  • Es wurde nun in Experimenten festgestellt, dass diese BSG-Schicht 7 einen Phosphordiffusionsprozess z.B. für bestimmte Prozessatmosphären in einem industrieüblichen Phosphordiffusionsofen verstärken kann. Mutmaßlich dient die BSG-Schicht 7 zur Aufnahme von Phosphor aus der Prozessatmosphäre, d.h. beispielsweise von Phosphor von den mit einer „P-haltigen Schicht versehenen“ Ofenrohrwänden, und zur Abgabe dieses Phosphors an das Siliziumsubstrat 1 und somit zur Dotierung des Substrats 1. Die BSG-Schicht 7 verstärkt in den mit BSG bedeckten Teilflächen 9 die Aufnahme von Phosphor in das Siliziumsubstrat 1 gegenüber dem Fall in den Teilflächen 11 ohne bedeckende BSG-Schicht 7. Die BSG-Schicht 7 verstärkt die Aufnahme von Phosphor in das Siliziumsubstrat 1 auch im Vergleich zu dem Fall, bei dem der Teilbereich mit einer -, nicht mit dotierenden Stoffen angereicherten Siliziumoxidschicht bedeckt ist.
  • Wie in-Figur 1 dargestellt, können somit durch das lokale Aufbringen einer BSG-Schicht 7 und anschließendes Erhitzen auf über 800 °C erste Teilbereiche 3 unterhalb der BSG-Schicht 7 und zweite Teilbereiche 5 dort, wo keine BSG-Schicht vorgesehen ist, erzeugt werden. Die ersten Teilbereiche 3 sind dabei überraschenderweise stärker mit Phosphor dotiert, d.h. n++-dotiert, als die zweiten Teilbereiche 5, welche n+-dotiert sind.
  • Insbesondere wurde festgestellt, dass für ein Siliziumsubstrat 1 mit aufgebrachter BSG-Schicht 7 ein Hochtemperaturschritt mit Temperaturen oberhalb von 900 °C in einem zuvor mit PSG belegten POCl3-Diffusionsofen ohne Zugabe von phosphorhaltigen Prozessgasen zu einer Eindiffusion von Phosphor führt. Hierbei reicht eine vorherige Durchführung von Industrie-üblichen Phosphordiffusionen zum Belegen des Diffusionsrohres des Ofens aus. Ein Siliziumsubstrat 1 ohne eine solche BSG-Schicht 7 wird bei diesem Prozess nur deutlich schwächer mit Phosphor dotiert. Bei der Durchführung einer anschließenden typischen Phosphordiffusion bei Temperaturen unterhalb von 900 °C unter Zugabe von POCl3 wird das Substrat 1 insgesamt stärker dotiert als durch die vorherige Phosphordiffusion allein.
  • Somit können mit Hilfe entsprechend strukturierter BSG-Schichten 7 in einem Siliziumsubstrat 1 selektiv Phosphor-dotierte Teilbereiche 3, 5 realisiert werden.
  • 2 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, mit dem sowohl zwei unterschiedlich stark Phosphor-dotierte Teilbereiche 3, 5 als auch ein bor-dotierter Teilbereich 15 in einem Siliziumsubstrat 1 innerhalb eines Hochtemperatur-Prozessschrittes erzeugt werden können. Stark n++-Phosphor-dotierte Teilbereiche 3 befinden sich dabei an der Rückseite des Siliziumsubstrats 1 zwischen benachbarten p+-Bor-dotierten Teilbereichen 15. Ein schwächer n+-Phosphor-dotierter Teilbereich 5 befindet sich an der Frontseite des Siliziumsubstrats 1.
  • Die p+-Bor-dotierten Teilbereiche 15 können dabei erzeugt werden, indem über eine zuvor abgeschiedene BSG-Schicht 7 lokal eine als Diffusionsbarriere wirkende Schicht 17 aufgebracht wird. Alternativ kann eine als Diffusionsbarriere wirkende Schicht 17 ganzflächig aufgebracht und diese Schicht 17 nachträglich in anderen Bereichen lokal entfernt werden. Die Schicht 17 verhindert, dass in einem nachfolgenden Phosphor-Diffusionsprozess Phosphor in signifikanter Menge bis zur BSG-Schicht 7 gelangt. Somit wird in dem zugehörigen Hochtemperaturschritt in den durch die Schicht 17 maskierten Teilbereichen lediglich Bor in signifikanter Menge aus der BSG-Schicht 7 in das Siliziumsubstrat 1 eingetrieben und es kommt zu einer relativ schwachen Bor-Dotierung in den Teilgebieten 15. Eine Dotierungskonzentration nahe der Oberfläche kann dabei beispielsweise größer als 1019 cm-3 sein, bzw. bei dünnen BSG-Schichten von weniger als 15 nm Dicke größer als 5·1018 cm-3. Eine Profiltiefe kann hierbei typischerweise größer als 0,2 bzw. 0,1 µm sein. Bei hohen Diffusionstemperaturen und langen Diffusionsdauern sind jedoch auch Profiltiefen von mehr als 0,5 µm möglich. Allgemein hängt die Stärke der Dotierung unter anderem von der BSG-Schicht, der Diffusionsbarrierenschicht, der Diffusionstemperatur und der Diffusionsdauer ab.
  • Dazwischenliegende stark n++-phosphordotierte Teilbereiche 3 werden ähnlich wie oben beschrieben in Bereichen erzeugt, in denen die BSG-Schicht 7 nicht maskiert ist und somit verstärkend auf ein Eindiffundieren von Phosphor wirken kann. Eine Dotierungskonzentration nahe der Oberfläche kann dabei beispielsweise größer als 1020 cm-3 sein. Eine Profiltiefe kann hierbei typischerweise größer als 0,3 µm sein. Bei hohen Diffusionstemperaturen, starker Rohrbelegung und/oder langen Diffusionsdauern sind jedoch auch Profiltiefen von mehr als 0,6 µm möglich. Bei niedrigen Diffusionstemperaturen, schwacher Rohrbelegung und/oder kurzen Diffusionsdauern sind auch Profiltiefen im Bereich von 0,1 bis 0,3 µm möglich. Hier hängt die Stärke der Dotierung unter anderem von der BSG-Schicht, der Atmosphäre im Diffusionsofen, der Diffusionstemperatur und der Diffusionsdauer ab.
  • An der Frontseite wird ein relativ schwach n+-dotierter Teilbereich 5 erzeugt, da dort weder eine Schicht 17 als Diffusionsbarriere wirkt noch eine BSG-Schicht 7 als eine Eindiffusion verstärkend wirkt. Für ein ausreichend mit PSG belegtes Ofenrohr kann eine Oberflächenkonzentration üblicherweise mehr als 1019 cm-3 betragen und eine Profiltiefe üblicherweise größer als 0,2 µm sein, wobei kein Profil für ein nicht belegtes Ofenrohr und ein stärkeres Profil für ein stärker belegtes Ofenrohr auftreten können.
  • Beispielhaft werden nachfolgend mögliche Parameter bei einer erfindungsgemäßen Erzeugung von dotierten Teilbereichen 3, 5, 15 angegeben.
  • Das Siliziumsubstrat 1 kann ein kristalliner n-Typ Silizium-Wafer (c-Si) sein. Es kann eine Dicke von mehr als 50 µm, typischerweise zwischen 100 und 300 µm, aufweisen. Eine Basiskonzentration kann 1014 bis 5·1016 cm-3 betragen, was einer Leitfähigkeit von 0,1 bis 50 W·cm entspricht.
  • Die BSG-Schicht 7 kann beispielsweise durch Gasphasenabscheidung (CVD - Chemical vapour deposition) erzeugt werden, beispielsweise durch PECVD (Plasma Enhanced CVD). Es können auch andere Abscheidungsverfahren wie Sputtern, Aufdampfen, Aufdrucken dünner Schichten (ggf. nachverdichtet/umgewandelt), etc. eingesetzt werden. Die BSG-Schicht 7 kann mit einer Schichtdicke von weniger als 400 nm, vorzugsweise weniger als 100 nm und insbesondere einer Dicke im Bereich von 5 bis 100 nm ausgebildet sein. Eine Konzentration von Bor in der BSG-Schicht kann z.B. durch Zugabe von Diboran (B2H6) während eines Abscheidungsprozesses bewirkt werden. Beispielsweise kann Bor in einer Konzentration von 1021 bis 1022 cm-3 in eine Siliziumoxidmatrix eingelagert sein.
  • Ein Eindiffundieren von Phosphor aus einer Gasatmosphäre einerseits sowie von Bor aus der BSG-Schicht 7 andererseits kann bei Temperaturen von mehr als 800 °C, vorzugsweise mehr als 900 °C, beispielsweise bei 920 °C erfolgen, wobei eine Prozessdauer mit zunehmender Temperatur kürzer gewählt werden kann und beispielsweise zwischen wenigen Minuten und einigen Stunden betragen kann. Bei 920 °C kann eine Prozessdauer beispielsweise 100 min betragen. Anschließend kann optional nach diesem Eintreibeschritt eine POCl3-Diffusion bei niedrigeren Temperaturen, beispielsweise unterhalb von 850 °C, insbesondere beispielsweise bei 830 °C, durchgeführt werden.
  • 3 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß hergestellte Solarzelle 100 in Form einer IBC-Solarzelle. Die beim Erzeugen verschieden dotierter Teilbereiche 3, 5, 15 verwendeten Schichten 7, 17, wie sie in 2 gezeigt sind, wurden nach dem Hochtemperaturschritt entfernt, beispielsweise durch Ätzen. An der Frontseite des Siliziumsubstrats 1 wurden dann eine oder mehrere dielektrische Schichten 33, beispielsweise aus Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxid, erzeugt, welche zur Oberflächenpassivierung und/oder als Antireflexschicht dienen können. An der Rückseite des Siliziumsubstrats 1 wurden ebenfalls eine oder mehrere dielektrische Schichten 35 ausgebildet, welche insbesondere zur Oberflächenpassivierung dienen können. Ferner wurden Metallkontakte 37 ausgebildet, welche entgegengesetzt dotierte Teilbereiche 3, 15 an der Rückseite des Siliziumsubstrats 1 durch die dielektrische Schicht 35 hindurch kontaktieren. Die Metallkontakte können beispielsweise aufgedruckt oder aufgedampft und ggf. anschließend eingefeuert, eingesintert bzw. einlegiert sein oder beispielsweise als Laser Fired Contacts (LFCs) realisiert sein.
  • Mit Bezug auf die 4 und 5 werden Dotierprofile von eindiffundierten Dotanden beschrieben, wie sie sich typischerweise bei erfindungsgemäß erzeugten Teilbereichen 3, 15 einstellen. Die dargestellten Kurven wurden mit SIMS (SekundärIonen-MassenSpektroskopie) gemessen und geben somit die tatsächliche Konzentration von Dotanden, nicht nur die Konzentration elektrisch aktiver Dotanden, wieder.
  • 4 zeigt Dotierprofile 19, 21 in einem ersten Teilbereich 3. Das Dotierprofil 19 beschreibt die Konzentration K von Phosphor als Funktion der Tiefe T, d.h. als Funktion eines Abstands von einer Oberfläche des Siliziumsubstrats 1. Das Dotierprofil 21 beschreibt die Konzentration K von Bor als Funktion der Tiefe.
  • In dem Teilbereich 3 kommen beide Dotanden vor, jedoch überwiegt die Phosphorkonzentration deutlich, sodass der Teilbereich 3 als überwiegend n-Typ-dotiert anzusehen ist.
  • 5 zeigt ein Dotierprofil 23 in einem dritten Teilbereich 15. Das Dotierprofil 23 beschreibt die Konzentration K von Bor als Funktion der Tiefe T. In dem Teilbereich 15 kommt als Dotand ausschließlich Bor vor, da ein Eindiffundieren von Phosphor in signifikanter Menge durch die maskierende Schicht 17 verhindert wird, sodass der Teilbereich 15 als p-Typ-dotiert anzusehen ist.
  • Interessanterweise unterscheiden sich die beiden Bor-Dotierprofile 21, 23 in den Teilbereichen 3, 15 qualitativ deutlich voneinander.
  • Das Dotierprofil 23 aus 5 entspricht einem typischen Dotierprofil, wie es beim Eindiffundieren von Bor aus einer Feststoffdotierquelle wie BSG bekannt ist. Nahe der Oberfläche nimmt die Dotierkonzentration in der dargestellten logarithmischen Auftragung zunächst nur schwach ab, dargestellt durch den flachen Gradienten 25. In dem gezeigten Fall nimmt erst bei größeren Tiefen von mehr als 0,4 µm die exponentielle Abnahme der Dotierkonzentration zu, dargestellt durch den steileren Gradienten 27. Die Eindiffusion von Bor bei anderer Temperatur bzw. unterschiedlicher Dauer führt zu einer Streckung/Stauchung der Tiefenskala, der qualitative Verlauf bleibt erhalten.
  • Das Dotierprofil 21 aus 4 für Bor unterscheidet sich hiervon grundlegend. Nahe der Oberfläche nimmt die Dotierkonzentration bis zu einer Tiefe von etwa 0,1 µm in der dargestellten logarithmischen Auftragung zunächst sehr stark ab, dargestellt durch den steilen Gradienten 29. Bei größeren Tiefen von mehr als etwa 0,1 um nimmt die exponentielle Abnahme der Dotierkonzentration ab, dargestellt durch den flacheren Gradienten 31.
  • Ein solches Dotierprofil erscheint ungewöhnlich und ist höchstwahrscheinlich auf die besonderen Diffusionsbedingungen zurückzuführen, wie sie bei dem oben beschriebenen Eindiffundieren von Phosphor bei gleichzeitiger Präsenz einer als Bor-Quelle dienenden BSG-Schicht 7 auftreten.
  • Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „umfassen“, „aufweisen“ etc. das Vorhandensein weiterer zusätzlicher Elemente nicht ausschließen sollen. Der Begriff „ein“ schließt auch das Vorhandensein einer Mehrzahl von Elementen bzw. Gegenständen nicht aus. Ferner können zusätzlich zu den in den Ansprüchen genannten Verfahrensschritten weitere Verfahrensschritte nötig oder vorteilhaft sein, um z.B. eine Solarzelle endgültig fertig zu stellen. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen lediglich der besseren Lesbarkeit und sollen den Schutzbereich der Ansprüche in keiner Weise einschränken.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Siliziumsubstrat
    3
    erster Teilbereich
    5
    zweiter Teilbereich
    7
    BSG-Schicht
    9
    erste Teilfläche
    11
    zweite Teilfläche
    13
    rückseitige Oberfläche
    15
    dritter Teilbereich
    17
    als Diffusionsbarriere wirkende Schicht
    19
    Phosphor-Dotierprofil im Teilbereich 3
    21
    Bor-Dotierprofil im Teilbereich 3
    23
    Bor-Dotierprofil im Teilbereich 15
    25
    oberflächennaher Gradient des Bor-Dotierprofils im Teilbereich 15
    27
    oberflächenferner Gradient des Bor-Dotierprofils im Teilbereich 15
    29
    oberflächennaher Gradient des Bor-Dotierprofils im Teilbereich 3
    31
    oberflächenferner Gradient des Bor-Dotierprofils im Teilbereich 3
    33
    dielektrische Schicht
    35
    dielektrische Schicht
    37
    Metallkontakte

Claims (14)

  1. Verfahren zum Erzeugen von wenigstens zwei unterschiedlich stark überwiegend mit einem ersten Dotanden-Typ dotierten Teilbereichen (3, 5) in einem Siliziumsubstrat (1), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: Bedecken wenigstens eines ersten Teilbereichs (3) des Siliziumsubstrats (1), in dem eine stärkere Dotierung mit dem ersten Dotanden-Typ erzeugt werden soll, mit einer dotierenden Schicht (7) aus Borsilikatglas, wobei wenigstens ein zweiter Teilbereich (5) des Siliziumsubstrats (1), in dem eine schwächere Dotierung mit dem ersten Dotanden-Typ erzeugt werden soll, nicht mit der dotierenden Schicht (7) bedeckt wird, und wobei in die dotierende Schicht (7) Bor als Dotand eines zweiten Dotanden-Typs, der sich von dem ersten Dotanden-Typ unterscheidet und diesem entgegengesetzt polarisiert ist, eingelagert ist; Erhitzen des derart vorbereiteten Siliziumsubstrates (1) auf Temperaturen oberhalb von 800 °C, vorzugsweise oberhalb von 900 °C, in einem Ofen in einer Atmosphäre, welche signifikante Mengen des ersten Dotanden-Typs enthält, wobei die wenigstens zwei unterschiedlich stark überwiegend mit dem ersten Dotanden-Typ dotierten Teilbereiche (3, 5) durch die genannten Verfahrensschritte erzeugt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Dotanden-Typ Phosphor ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die dotierende Schicht (7) mit einer Dicke von weniger als 400 nm, vorzugsweise weniger als 100 nm, erzeugt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Erhitzen des Siliziumsubstrates (1) innerhalb eines Glasrohres in einem Ofen durchgeführt wird, wobei das Glasrohr im Innern mit einer Phosphor-haltigen Schicht, beispielsweise einer Schicht aus Phosphorglas, belegt ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Erhitzen des Siliziumsubstrates (1) in einer Atmosphäre durchgeführt wird, in welche der erste Dotanden-Typ und/oder Verbindungen, welche den ersten Dotanden-Typ enthalten, zugegeben werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in dem Siliziumsubstrat (1) ergänzend wenigstens ein dritter dotierter Teilbereich (15) erzeugt wird, der mit dem zweiten Dotanden-Typ dotiert ist, indem das Verfahren vor dem Erhitzen ergänzend ein Bedecken der dotierenden Schicht (7) oberhalb des zu erzeugenden dritten dotierten Teilbereichs (15) mit einer weiteren Schicht (17), welche als Diffusionsbarriere für den ersten Dotanden-Typ wirkt, umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die weitere Schicht (17), welche als Diffusionsbarriere für den ersten Dotanden-Typ wirkt, eine dielektrische Schicht, insbesondere eine Siliziumnitridschicht, ist.
  8. Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle (100), umfassend: Bereitstellen eines des Siliziumsubstrates (1); Erzeugen von wenigstens zwei unterschiedlich stark mit einem ersten Dotanden-Typ dotierten Teilbereichen (3, 5) in dem Siliziumsubstrat (1) mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5; Erzeugen von Metallkontakten (37) zum elektrischen Kontaktieren verschiedener dotierter Teilbereiche (3, 15) des Siliziumsubstrats (1).
  9. Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle (100), umfassend: Bereitstellen eines des Siliziumsubstrates (1); Erzeugen von wenigstens zwei unterschiedlich stark mit einem ersten Dotanden-Typ dotierten Teilbereichen (3, 5) sowie wenigstens einem mit einem zweiten Dotanden-Typ dotierten Teilbereich (15) in dem Siliziumsubstrat (1) mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei der erste und der zweite Dotanden-Typ entgegengesetzte Polaritäten aufweisen; Erzeugen von Metallkontakten (37) zum elektrischen Kontaktieren entgegengesetzt dotierter Teilbereiche (3, 15) des Siliziumsubstrats (1).
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, wobei die Solarzelle eine Rückkontaktsolarzelle ist.
  11. Siliziumsolarzelle (100), aufweisend: wenigstens zwei unterschiedlich stark überwiegend n-Typ dotierte Teilbereiche (3, 5) in einem Siliziumsubstrat angrenzend an eine Oberfläche des Siliziumsubstrats (1), wobei die beiden Teilbereiche (3, 5) mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 erzeugt sind; wobei in einem ersten Teilbereich (3) des Siliziumsubstrats (1), in dem eine stärkere n-Typ Dotierung eingebracht ist, zusätzlich eine schwache p-Typ Dotierung eingebracht ist, welche durch die n-Typ Dotierung überkompensiert ist; und wobei in einem zweiten Teilbereich (5) des Siliziumsubstrats (1), in dem eine schwächere n-Typ Dotierung eingebracht ist, im Wesentlichen keine p-Typ Dotierung eingebracht ist, wobei die in dem ersten Teilbereich (3) eingebrachte p-Typ Dotierung ein Dotierprofil (21) aufweist, welches nahe einer Oberfläche des Siliziumsubstrats eine wesentlich steilere exponentielle Abnahme (29) einer Dotierkonzentration aufweist als entfernter (31) von der Oberfläche des Siliziumsubstrats (1).
  12. Siliziumsolarzelle nach Anspruch 11, ferner aufweisend einen dritten Teilbereich (15) angrenzend an die Oberfläche des Siliziumsubstrats (1), in welchen im Wesentlichen ausschließlich eine p-Typ Dotierung eingebracht ist.
  13. Siliziumsolarzelle nach Anspruch 12, wobei die in dem dritten Teilbereich (15) eingebrachte p-Typ Dotierung ein Dotierprofil (23) aufweist, welches nahe einer Oberfläche des Siliziumsubstrats (1) eine wesentlich flachere exponentielle Abnahme (25) einer Dotierkonzentration aufweist als entfernter (27) von der Oberfläche des Siliziumsubstrats (1).
  14. Siliziumsolarzelle nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Solarzelle eine Rückkontaktsolarzelle ist.
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