DE102014217165A1 - Halbleiterstruktur, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterstruktur aus einem Substrat und einer Halbleiterschicht, die über einen thermisch und/oder chemisch ausgehärteten Haftvermittler miteinander stoffschlüssig verbunden sind. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung derartiger stoffschlüssiger Verbindungen. Verwendung in derartige Halbleiterstrukturen, insbesondere als Solarzelle bzw. Solarzellenmodul.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Halbleiterstruktur aus einem Substrat und einer Halbleiterschicht, die über einen thermisch und/oder chemisch ausgehärteten Haftvermittler miteinander stoffschlüssig verbunden sind. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung derartiger stoffschlüssiger Verbindungen. Verwendung in derartige Halbleiterstrukturen, insbesondere als Solarzelle bzw. Solarzellenmodul.
  • Ein Ansatz zur Senkung der Herstellungskosten von photovoltaischen Modulen ist die Verwendung einer dünnen Siliziumschicht, die zur mechanischen Stabilisierung auf einem kostengünstigen Substrat prozessiert wird. Die dünnen Schichten können auf unterschiedliche Weise hergestellt werden, wobei eine Möglichkeit der Silizium-Schichttransfer-Prozess ist. Hier wird eine dünne Siliziumschicht als Keimschicht für das epitaktische Aufwachsen der aktiven Schicht verwendet und von einem Wafer oder auch direkt einem Block abgelöst. Da freistehende Schichten die weiteren Prozesse zur Solarzelle nur mit geringer Ausbeute durchlaufen können, liegt es nahe sie durch ein stabiles Substrat zu verstärken.
  • Oft werden Solarzellen, die mittels des Schichttransfer-Prozesses hergestellt werden erst zu einem späteren Zeitpunkt des Solarzellenprozesses vom Muttersubstrat abgelöst und mit Silikon auf einem Glassubstrat befestigt.
  • Andere Möglichkeiten sind das Herstellen einer Verbindung auf atomarer Ebene zwischen der Ablöseschicht und dem Substrat („Bonden”, z. B. auf Silizium oder Glas), bei dem beide Oberflächen sehr glatt und rein sein müssen, oder mittels Aluminium-Legieren, wobei eine leitfähige Verbindung hergestellt wird.
  • Sowohl das Substrat als auch die Verbindung zwischen Substrat und Silizium-Folie müssen den folgenden Prozessschritten standhalten. Die Anforderungen an die Verbindungsschicht variieren je nach Konzept.
  • So kann z. B. das Ablösen vor oder nach dem epitaktischen Verdicken erfolgen, was unterschiedliche Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit und/oder an die Reinheit des Materials mit sich bringt. Die Ausbildung eines atomaren Bonds ist mit extrem hohen Anforderungen an die Reinheit und Oberflächenpolitur verbunden, daher wird dieser Prozess kaum die notwendigen Kostenanforderungen einer nicht-konzentrierenden PV-Technologie erfüllen.
  • Für den Einsatz insbesondere im Bereich der Herstellung von photovoltaischen Modulen muss der Haftvermittler folgende Voraussetzungen erfüllen:
    • 1. Durch den Verbindungsprozess erfolgt keine Beschädigung der in der Regel dünnen Schichten
    • 2. Der Haftvermittler muss stabil gegen hohe Temperaturen sein
    • 3. Die mechanische Stabilität des Haftvermittlers muss den Prozessbedingungen der Modulherstellung genügen
    • 4. Ein Ausgasen von Verunreinigungen im Haftvermittler bei hohen Temperaturen sollte vermieden werden
    • 5. Es sollten ebenso leitfähig wie auch elektrisch isolierende Haftvermittlerschichten ermöglicht werden.
  • Aus dem Stand der Technik sind bislang verschiedene Lösungsansätze bekannt, keiner kann jedoch die genannten Anforderungen in Gänze erfüllen.
  • So ist aus V. Gazuz, et al., Novel n-type silicon solar cell device by aluminium bonding to a glass substrate, in Proc. 24. European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Hamburg, Germany, 2009, p. 2206–2208 ein Legieren mit niederschmelzenden Metallen bekannt. Bei diesem Verfahren kann es allerdings bei Prozesstemperaturen von etwa 1.000°C zu einem Verlust der Verbindungswirkung kommen. Ebenso treten Probleme hinsichtlich der Verunreinigung bzw. Beschädigung der Siliziumschichten oder auch ein Ausgasen von Verunreinigungen auf.
  • Ein vergleichbares Verfahren ist in L. Wang, et al., 16.8% Efficient Ultra-Thin Silicon Solar Cells on Steel, in Proc. 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Paris, France, 2013, p. 2641–2644 beschrieben, das ebenfalls die zuvor genannten Nachteile aufweist.
  • Eine weitere Option besteht in der Verwendung von Silikon als Haftvermittler direkt auf dem Modulglas. Aufgrund der geringen thermischen Stabilität von Silikonen sind diese Systeme aber bei Hochtemperaturbehandlungsschritten oberhalb von 200°C nicht mehr einsetzbar. Diese Technologie ist in F. Dross, et al., Crystalline thin-foil silicon solar cells: where crystalline quality meets thin-film processing, Prog. Photovolt:Res.Appl. 2012, 20, p. 770–784 beschreiben.
  • Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiterstruktur bereitzustellen, die durch eine stoffschlüssige Verbindung eines Substrats mit einer Halbleiterschicht hergestellt wird, wobei die für die stoffschlüssige Verbindung verwendete Haftvermittlerschicht eine hohe Temperaturstabilität aufweist. Ebenso wäre es wünschenswert, wenn die Haftvermittlerschichten in elektrisch leitfähiger oder elektrisch isolierender Form bereitgestellt werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Halbleiterstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren zur Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Im Anspruch 16 werden erfindungsgemäße Verwendungen angegeben. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
  • Erfindungsgemäß wird eine Halbleiterstruktur aus mindestens einem Substrat und mindestens einer zumindest bereichsweise auf dem Substrat abgeschiedenen Halbleiterschicht bereitgestellt, wobei eine erste Halbleiterschicht zumindest bereichsweise mittels eines thermisch und/oder chemisch ausgehärteten Haftvermittlers mit dem Substrat stoffschlüssig verbunden ist. Der ausgehärtete Haftvermittler besitzt dabei eine thermische Stabilität bis zu einer Temperatur von mindestens 700°C.
  • Der Haftvermittler ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silicium, oxidischen, nitridischen oder carbidischen Materialien oder Mischungen hiervon, insbesondere SiOx mit x = 1–2, AlOx mit x = 1–2, SiCx mit x = 0,5–1,5, SiNx mit x = 0–2,5, ZnO:Al, TiN, besteht.
  • Besonders bevorzugt besitzt der Haftvermittler eine Temperaturstabilität bis zu Temperaturen von 800 bis 1.300°C, wobei unter Temperaturstabilität zu verstehen ist, dass in diesem Temperaturbereich im Wesentlichen keine metallischen Verunreinigungen freigesetzt werden. Hierunter ist zu verstehen, dass ein flächennormierter Strom von Verunreinigungsatomen aus dem Haftvermittler in die Halbleiterschicht von weniger als 1 × 1011 Atomen pro Minute und cm2 durch Ausgasung und/oder Diffusion freigesetzt wird.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Haftvermittler mindestens einen Füllstoff enthält. Dieser ist insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schichtsilikaten, Quarzpartikeln, Metallpartikeln, Siliciumpulver, Keramikpulver sowie Mischungen hiervon. Die Verwendung von Füllstoffen ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Oberflächen der Halbleiterstruktur oder des Substrates nicht vollständig plan sind, so dass die Füllstoffe den Ausgleich von Unebenheiten in den Oberflächen des Substrats und/oder der Halbleiterstruktur ermöglichen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Haftvermittler bzw. der mit Füllstoff versehene Haftvermittler optische Eigenschaften auf, die eine Reflektion von mindestens 50% der einfallenden Strahlung im Wellenlängenbereich von 800 bis 1.200 nm ermöglicht. Hierdurch kann die Haftvermittlerschicht als Reflektorschicht innerhalb der Halbleiterstruktur dienen.
  • Im Falle eines elektrisch isolierenden Substrates kann der Haftvermittler elektrisch isolierend oder elektrisch leitfähig sein. Im Falle eines elektrisch leitenden Substrats ist der Haftvermittler bevorzugt elektrisch leitfähig. Der elektrisch leitfähige Haftvermittler ist dabei vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus SiCx mit x = 0,5–1,5, ZnO:Al, TiN und Silicium. Der elektrisch isolierende Haftvermittler ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus SiOx mit x = 1–2, AlOx mit x = 1–2, SiCx mit x = 0,5–1,5, SiNx mit x = 0,1–2,5.
  • Es ist ebenso möglich, dass auf dem Substrat mehr als eine Halbleiterschicht aufgebracht ist. Eine bevorzugte Variante sieht beispielsweise vor, dass auf der ersten Halbleiterschicht – auf der vom Substrat abgewandten Seite – zumindest bereichsweise ein Haftvermittler und anschließend mindestens eine weitere Halbleiterschicht aufgebracht ist. Dieser Prozess kann mit beliebig vielen Halbleiterschichten fortgeführt werden.
  • Im Falle mehrerer Halbleiterschichten ist es bevorzugt, dass die Halbleiterschichten unterschiedliche, physikalische Eigenschaften aufweisen können. Zu diesen physikalischen Eigenschaften zählen z. B. unterschiedliche spektrale Eigenschaften für die Absorption von einfallender Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen oder eine unterschiedliche Leitfähigkeit.
  • Das mindestens eine Substrat und/oder die mindestens eine Halbleiterschicht weisen vorzugsweise zumindest bereichsweise eine Porosität auf, die einen Abtransport von bei einer thermischen Behandlung entstehenden Ausgasung ermöglicht. Diese Porosität von Substrat bzw. Halbleiterschicht kann vorzugsweise im Bereich von 5 bis 60% liegen.
  • Das Material des mindestens einen Substrats ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silicium, Sinter-Silicium, Graphit, Quarz, Borsilicatglas, Glas, keramische Materialien, insbesondere ZrSO4, SiN, Al2O3 oder SiC sowie Materialverbunde hiervon.
  • Die Halbleiterstruktur ist vorzugsweise eine Solarzelle, insbesondere eine Wafer-Äquivalent-Solarzelle, eine Mehrfach-Solarzelle oder ein Dünnschicht-Solarmodul.
  • Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur aus mindestens einem Substrat und mindestens einer Halbleiterschicht bereitgestellt, die den zuvor beschriebenen Aufbau besitzt. Bei dem Verfahren wird auf dem Substrat und/oder auf der Halbleiterschicht zumindest bereichsweise ein Haftvermittler und anschließend eine Halbleiterschicht aufgebracht und anschließend der Haftvermittler thermisch und/oder chemisch ausgehärtet, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Substrat und Halbleiterschicht erzeugt wird. Als Haftvermittler wird eine Verbindung verwendet, die eine thermische Stabilität bis zu einer Temperatur von mindestens 700°C aufweist.
  • Auch die Aufbringung von mehreren Halbleiterschichten ist möglich, indem zwischen jeder weiteren Halbleiterschicht ein Haftvermittler aufgebracht wird.
  • Nach der stoffschlüssigen Verbindung von Substrat und mindestens einer Halbleiterschicht können dann weitere Prozessschritte in der Prozesskette für die Herstellung von Halbleiterbauelementen erfolgen. Hierzu zählen zum Beispiel eine Temperung, eine nasschemische, trockenchemische oder physikalische Reinigung, eine epitaktische Verdickung, eine Emitterdiffusion, eine Oberflächen- und/oder Bulkpassivierung, die Aufbringung einer Antireflexionsschicht, eine Vorder- oder Rückseitenkontaktierung, trockene oder nasse Ätzprozesse oder eine Kombination hiervon.
  • Hinsichtlich der Verfahrensführung ist es bevorzugt, dass die Auftragung und Aushärtung des Haftvermittlers in einem kontinuierlichen Prozess erfolgt.
  • Die zuvor beschriebene Halbleiterstruktur wird vorzugsweise in Solarzellen oder einem Solarzellenmodul verwendet.
  • Anhand der nachfolgenden Figur soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
  • Die Figur zeigt die spektral aufgelöste direkte Reflektion einer mehrere 10 μm dicken Siliciumfolie vor („free-standing foil”) bzw. nach dem Kleben mit SiO2 („attached”).
  • Aus der Figur ist zu erkennen, dass im Wellenlängenbereich bis ca. 800 nm das gesamte in die Folie transmittierte Licht absorbiert wird. Gemessen wird das an der beleuchteten Seite („Vorderseite”) direkt reflektierte Licht. Es ist kein Unterschied zwischen den einzelnen Behandlungsstufen zu erkennen.
  • Ab ca. 870 nm streben die Kurven vor/nach Klebung auseinander. Die Kurve ohne Klebung zeigt die typische Rückreflektion des Lichts an der Rückseite einer Siliciumfolie, welches dann nach Durchlaufen durch die Folie von der Rückseite zur Vorderseite wieder vorne austritt und dort detektiert wird (im Fachjargon „escape peak” genannt). Licht, das ohne Absorption und Rückreflektion transmittiert wird, tritt aus der Rückseite aus und wird nicht gemessen.
  • Bei der geklebten Folie ist der „escape peak” Anteil stark erhöht. Grund ist die Rückreflektion eines Teils des transmittierten Lichts von der Klebeschicht in die Folie und weiter zur Vorderseite, wo es austritt und gemessen wird.
  • Zwischen 800 nm und 870 nm wird auch schon transmittiertes Licht von der Klebeschicht rückreflektiert. Die dann nochmals durchlaufene Siliciumschichtdicke ist jedoch groß genug, um den Großteil dieses Lichts zu absorbieren, so dass es nicht zu einer erhöhten Reflektion an der Vorderseite beiträgt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • V. Gazuz, et al., Novel n-type silicon solar cell device by aluminium bonding to a glass substrate, in Proc. 24. European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Hamburg, Germany, 2009, p. 2206–2208 ein Legieren mit niederschmelzenden Metallen [0009]
    • L. Wang, et al., 16.8% Efficient Ultra-Thin Silicon Solar Cells on Steel, in Proc. 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Paris, France, 2013, p. 2641–2644 [0010]
    • F. Dross, et al., Crystalline thin-foil silicon solar cells: where crystalline quality meets thin-film processing, Prog. Photovolt:Res.Appl. 2012, 20, p. 770–784 [0011]

Claims (16)

  1. Halbleiterstruktur aus mindestens einem Substrat und mindestens einer zumindest bereichsweise auf dem Substrat abgeschiedenen Halbleiterschicht, wobei eine erste Halbleiterschicht zumindest bereichsweise mittels eines thermisch und/oder chemisch ausgehärteten Haftvermittlers mit dem Substrat stoffschlüssig verbunden ist und der ausgehärtete Haftvermittler eine thermische Stabilität bis zu einer Temperatur von mindestens 700°C aufweist.
  2. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Silicium, oxidischen, nitridischen oder carbidischen Materialien oder Mischungen hiervon, insbesondere SiOx mit x = 1–2, AlOx mit x = 1–2, SiCx mit x = 0,5–1,5, SiNx mit x = 0–2,5, ZnO:Al mit x = ..., TiN.
  3. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler eine Temperaturstabilität von 800 bis 1300°C aufweist und vorzugsweise in diesem Temperaturbereich ein Strom von Verunreinigungsatomen aus dem Haftvermittler in die Halbleiterschicht von weniger als 1 × 1011 Atomen pro Minute und cm2 durch Ausgasung und/oder Diffusion freigesetzt wird.
  4. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler mindestens einen Füllstoff enthält, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schichtsilikaten, Quarzpartikeln, Metallpartikeln, Siliciumpulver, Keramikpulver sowie Mischungen hiervon.
  5. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler mindestens 50% der einfallenden Strahlung im Wellenlängenbereich von 800 bis 1200 nm reflektiert.
  6. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines elektrisch isolierenden Substrats der Haftvermittler elektrisch isolierend oder elektrisch leitfähig ist, und im Falle eines elektrisch leitenden Substrats der Haftvermittler elektrisch leitfähig oder elektrisch isolierend ist, wobei der elektrische leitfähige Haftvermittler vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus SiCx mit x = 0,5–1,5, ZnO:Al, TiN und Silicium und der elektrische isolierende Haftvermittler vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus SiOx mit x = 1–2, AlOx mit x = 1–2, SiCx mit x = 0,5–1,5, SiNx mit x = 0–2,5.
  7. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der ersten Halbleiterschicht zumindest bereichsweise ein Haftvermittler und anschließend mindestens eine weitere Halbleiterschicht aufgebracht wird.
  8. Halbleiterstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschichten unterschiedliche physikalische Eigenschaften, insbesondere unterschiedliche spektrale Eigenschaften für die Absorption von einfallender Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen oder eine unterschiedliche Leitfähigkeit aufweisen.
  9. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Substrat und oder die mindestens eine Halbleiterschicht zumindest bereichsweise eine zum Abtransport von bei einer thermischen Behandlung entstehenden Ausgasungen geeignete offene Porosität aufweist, vorzugsweise eine Porosität von 5 bis 60%.
  10. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des mindestens einen Substrats ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Silicium, Sinter-Silicium, Graphit, Quarz, Borsilicatglas, Glas, keramische Materialien, insbesondere ZrSO4, SiN, Al2O3 oder SiC sowie Materialverbunde hiervon.
  11. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterstruktur eine Solarzelle, insbesondere eine Waferäquivalent-Solarzelle, eine Mehrfach-Solarzelle, oder ein Dünnschicht-Solarmodul ist.
  12. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur aus mindestens einem Substrat und mindestens einer Halbleiterschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem a) auf dem Substrat zumindest bereichsweise ein Haftvermittler und anschließend eine erste Halbleiterschicht aufgebracht wird, b) der Haftvermittler thermisch und/oder chemisch ausgehärtet und damit eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Substrat und Halbleiterschicht erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler eine thermische Stabilität bis zu einer Temperatur von mindestens 700°C aufweist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich auf der ersten Halbleiterschicht zumindest bereichsweise ein Haftvermittler und anschließend mindestens eine weitere Halbleiterschicht aufgebracht wird, wobei zwischen den einzelnen Halbleiterschichten eine stoffschlüssige Verbindung durch einen Haftvermittler erzeugt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich nach der stoffschlüssigen Verbindung weitere Prozessschritte anschließen, insbesondere eine Temperung, eine nasschemische, trockenchemische oder physikalische Reinigung, eine epitaktische Verdickung, eine Emitterdiffusion, eine Oberflächen- und/oder Bulkpassivierung, die Aufbringung einer Antireflexionsschicht, eine Vorder- oder Rückseitenkontaktierung, trockene oder nasse Ätzprozesse oder eine Kombination hiervon.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragung und Aushärtung des Haftvermittlers in einem kontinuierlichen Prozess durchgeführt werden.
  16. Verwendung der Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einer Solarzelle oder einem Solarzellenmodul.
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