DE102015104649A1

DE102015104649A1 - Solarzellenherstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102015104649A1
Application number: DE102015104649.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias JUNGHÄNEL; Peter Engelhart
Original assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Current assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2016-09-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Solarzellenherstellungsverfahren, welches die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines Halbleitersubstrates (1); Aufbringen einer Passivierschicht (2) auf eine Substratoberfläche (11) des Halbleitersubstrates (1); Bestrahlen der aufgebrachten Passivierschicht (2) mit einer elektromagnetischen Strahlung (3); und Aufbringen einer Dielektrikschicht (4) auf der bestrahlten Passivierschicht (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Solarzellenherstellungsverfahren zur Herstellung von Solarzellen mit einer Passivierschicht.
Eine Passivierschicht dient dazu, die Oberfläche eines Halbleiters im Sinne einer Oberflächenpassivierung zu passivieren. Hierzu wird die Rekombinationsaktivität von Ladungsträgern an der Halbleiteroberfläche herabgesetzt, entweder indem die Anzahl an Oberflächenfehlstellen an denen die Rekombination stattfinden kann herabgesetzt wird, oder indem die Anzahl freier Ladungsträger an oder nahe der Halbleiteroberfläche verringert wird. Derartige Passivierschichten finden insbesondere in sogenannten PERC-Solarzellen Anwendung, wobei PERC die Abkürzung ist für „Passivated Emitter Rear Cell“.
Üblicherweise wird eine solche Passivierschicht auf die Halbleiteroberfläche abgeschieden und anschließend mit einer weiteren Dielektrikschicht bedeckt. Damit die Passivierschicht als solche fungiert und eine gute Oberflächenpassivierung erreicht wird, wird die Passivierschicht erwärmt. Dies kann bereits beim Abscheiden der Dielektrikschicht erfolgen. Optional oder zusätzlich wird jedoch ein Annealschritt durchgeführt, bei dem die Passivierschicht kurzzeitig auf eine hohe Temperatur gebracht wird.
Aufgrund der notwendigen Erwärmungs- und Abkühlphase verlängert ein solcher Annealschritt die Prozessdauer bei der Solarzellenherstellung erheblich. Zudem ist der Annealschritt schwer in einem standardisierten Herstellungsprozess integrierbar, weil die Solarzellen hierzu einen Durchlaufofen passieren müssen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Solarzellenherstellungsverfahren bereitzustellen, welches die Passivierschicht sicher und effizient für eine Oberflächenpassivierung aktiviert. Das Solarzellenherstellungsverfahren sollte zudem unter möglichst geringen Änderungen aus bestehenden Herstellungsprozessen hervorgehen.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Solarzellenherstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Kern der Erfindung ist das Bestrahlen der Passivierschicht mit einer elektromagnetischen Strahlung. Eine solche Bestrahlung der Passivierschicht vor dem Aufbringen der Dielektrikschicht verbessert die Passivierwirkung deutlich. Diese Wirkung kann darauf zurückgeführt werden, dass chemische Verbindungen von Stoffen, die aufgrund des Auftragungsprozesses in der Passivierschicht eingeschlossen sind, aufgespalten werden und die Verbindungselemente aus der Passivierschicht austreten, also quasi „ausgasen“. Insbesondere kann es sich hierbei um Wasserstoffbindungen handeln, beispielsweise in Wassermolekülen oder OH-Verbindungen, die aufgrund der Bestrahlung aufgebrochen werden, so dass der Wasserstoff aus der Passivierschicht entweichen kann.
Indem die Bestrahlung vor dem Aufbringen der Dielektrikschicht erfolgt, wird sichergestellt, dass ein Ausgasen nicht erst aufgrund einer Erwärmung der Passivierschicht während oder nach dem Aufbringen der Dielektrikschicht auftritt, was zu einer lokalen Schädigung der Dielektrikschicht und sogar der Passivierschicht selbst führen könnte. Dass eine elektromagnetische Strahlung anstelle einer Wärmebehandlung zur Aufspaltung der Verbindungen eingesetzt wird, hat den Vorteil, dass die Verbindungen gezielt aufgespalten werden können, ohne die Passivierschicht und das gesamte Halbleitersubstrat auf eine bestimmte Temperatur bringen zu müssen. Dadurch wird Prozesszeit eingespart, die ansonsten zum Erwärmen und wieder Abkühlen des Halbleitersubstrates notwendig wäre. Ein Prozessschritt mit einer kurzen Prozessdauer lässt sich einfacher in ein bestehendes Herstellungsverfahren integrieren.
Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird zunächst ein Halbleitersubstrat mit einer Substratoberfläche bereitgestellt. Hierbei kann es sich um ein Zwischenprodukt bei der Herstellung der Solarzelle handeln, insbesondere um eine annähernd fertige Solarzelle, bei dem lediglich das Kontaktieren auf der Substratoberfläche noch nicht erfolgt ist. In diesem Fall kann also eine der Substratoberfläche gegenüber liegende Seite des Halbleitersubstrates bereits fertiggestellt und gegebenenfalls kontaktiert sein. Vorzugsweise handelt es sich bei der Substratoberfläche um eine Solarzellenrückseite, also um eine Oberfläche des Halbleitersubstrates, welche bei der fertigen Solarzelle im Gebrauch einem Lichteinfall abgewandt ist. Alternativ kann es sich bei der Substratoberfläche um eine Solarzellenvorderseite handeln, also um eine lichteinfallseitige Oberfläche des Halbleitersubstrates.
Auf der Substratoberfläche wird dann eine Passivierschicht aufgebracht. Vorzugsweise wird die Passivierschicht auf der Substratoberfläche abgeschieden, beispielsweise mittels einer physikalischen oder chemischen Abscheidung aus der Gasphase (PVD – „physical vapor deposition“ oder CVP – „chemical vapor deposition“), gegebenenfalls mit einer Plasmaunterstützung (PECVD – „plasma enhanced chemical vapor deposition“), mittels einer Atomlagenabscheidung (ALD, „atomic layer deposition“) oder dergleichen. Danach, vorzugsweise unmittelbar im Anschluss an das Aufbringen der Passivierschicht wird diese mit der elektromagnetischen Strahlung bestrahlt.
Danach, vorzugsweise unmittelbar im Anschluss an den Bestrahlungsschritt, wird die Dielektrikschicht auf der Passivierschicht aufgebracht. Die Dielektrikschicht wird vorzugsweise auf der Passivierschicht abgeschieden, beispielsweise mittels PVD, CVP, PECVD, ALD oder dergleichen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Passivierschicht eine Metalloxidschicht, insbesondere eine Aluminiumoxidschicht, auf die Substratoberfläche aufgebracht wird. Aluminiumoxid in Form von Al₂O₃ oder in einer anderen Stöchiometrie (allgemein AlO_x), eignet sich aufgrund einer hohen Flächenladungsdichte hervorragend zur Oberflächenpassivierung, wenn der Abscheideprozess und eine Nachbehandlung mittels Wärme und/oder elektromagnetischer Strahlung in geeigneter Weise erfolgt.
Zwischen der Substratoberfläche und der Passivierschicht können eine oder mehrere weitere Zwischenschichten vorgesehen sein. Ebenso können zwischen der Dielektrikschicht und der Passivierschicht weitere Zwischenschichten aufgebracht werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist jedoch vorgesehen, dass die Passivierschicht unmittelbar auf die Substratoberfläche aufgebracht wird und/oder dass die Dielektrikschicht unmittelbar auf die Passivierschicht aufgebracht wird. Die Dielektrikschicht kann vorteilhafterweise derart aufgebracht werden, dass sie den Reflexionsgrad des Schichtstapels aus Passivierschicht und Dielektrikschicht verbessert.
Die Dielektrikschicht kann vorzugsweise aus Siliziumnitrid gebildet sein. Dieses Material eignet sich besonders gut zum Schutz der darunter liegenden Passivierschicht. Zudem ist das Material gut geeignet, um den Reflexionsgrad der Dielektrikschicht einzustellen, beispielsweise damit der Schichtstapels gleichzeitig als Reflexionsschicht oder Antireflexionsschicht wirkt.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Bestrahlen der Passivierschicht ein Positionieren des Substrates an eine Strahlungsquelle oder ein Vorbeiführen des Substrates an die Strahlungsquelle umfasst. In beiden Fällen geschieht dies so, dass die Passivierschicht auf der Substratoberfläche im Wesentlichen vollflächig der elektromagnetischen Strahlung aus der Strahlungsquelle ausgesetzt wird. Im ersten Fall sind die Strahlungsquelle und das Substrat im Raum fixiert. Die Strahlungsquelle sollte dann vorzugsweise so ausgebildet sein, insbesondere groß genug sein, damit das gesamte Substrat ausgeleuchtet werden kann. Vorzugsweise sollte dies mit einer gleichmäßigen Intensitätsverteilung über der gesamten Substratoberfläche erfolgen. Im zweiten Fall ist die Strahlungsquelle im Raum fixiert, während das Substrat entweder kontinuierlich oder schrittweise vorzugsweise unter- oder oberhalb der Strahlungsquelle (je nach Orientierung der Strahlungsquelle) vorbeigeführt wird. Alternativ kann natürlich auch das Substrat im Raum fixiert sein, während die Strahlungsquelle am Substrat vorbei bewegt wird. Schließlich kann die Strahlungsquelle ausgebildet sein, das Substrat mittels eines Scannverfahrens bzw. Abtastverfahrens auszuleuchten, beispielsweise indem ein optisches Strahlablenksystem vorgesehen ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Bestrahlen der Passivierschicht unter Vakuum durchgeführt wird. Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Substratoberfläche während der Schritte des Aufbringens der Passivierschicht, des Bestrahlens der Passivierschicht und des Aufbringens der Dielektrikschicht unter Vakuum gehalten wird. Anders ausgedrückt, wird das Vakuum nach dem Aufbringen der Passivierschicht nicht gebrochen, so dass das Bestrahlen der Passivierschicht ebenfalls im Vakuum erfolgt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind ein Aufbringen einer Metallpaste auf der aufgebrachten Dielektrikschicht und ein nachfolgender Feuerschritt vorgesehen, bei dem das Substrat erwärmt wird, um aus der Metallpaste eine Metallisierung oder eine Kontaktmetallisierung herzustellen. Nach einem Ausgasen der Passivierschicht aufgrund der Bestrahlung, ist die Passivierschicht während eines solchen Feuerschrittes besonders gut vor Beschädigung geschützt. Alternativ kann als Kontaktmetallisierung eine Metallschicht auf der Dielektrikschicht abgeschieden werden. In jedem Fall werden vorteilhafterweise lokale Kontakte, beispielsweise laserinduzierte Kontakte (LFC – „laser fired contacts“), zwischen der Halbleiterschicht und der Kontaktmetallisierung durch die Passivierschicht und die Dielektrikschicht hindurch erzeugt. Die Metallpaste ist vorzugsweise eine aluminiumhaltige oder eine silberhaltige Paste.
Die Passivierschicht, die Dielektrikschicht und/oder die Kontaktmetallisierung werden vorzugsweise auf der gesamten Substratoberfläche aufgebracht bzw. erzeugt. Alternativ können die Passivierschicht, die Dielektrikschicht und/oder die Kontaktmetallisierung auch strukturiert aufgebracht oder nachträglich strukturiert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Passivierschicht mit einer Passivierschichtdicke von mehr als 10 nm (Nanometern) aufgebracht wird, insbesondere mit einer Passivierschichtdicke von zwischen 10 nm und 50 nm. Unabhängig davon ist es vorteilhaft, wenn die Dielektrikschicht mit einer Dielektrikschichtdicke von mehr als 30 nm oder 50 nm aufgebracht wird, insbesondere mit einer Dielektrikschichtdicke von zwischen 50 nm und 300 nm.
Vorzugsweise erfolgt das Bestrahlen der Passivierschicht mit Infrarotstrahlung, insbesondere im mittleren Infrarotbereich. Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Bestrahlen der Passivierschicht mit einer elektromagnetischen Strahlung mit einer Wellenzahl zwischen 2600 cm^–1 und 3600 cm^–1 durchgeführt wird. Das OH-Schwingungsband liegt in diesem Wellenzahlbereich, so dass OH-Bindungen hierdurch besonders effizient aufgespalten werden können. Auch Wasser, insbesondere Wasser im Aluminiumoxid hat Absorptionsbänder in diesem Wellenzahlbereich.
Vorzugsweise wird die elektromagnetische Strahlung mittels eines Lasers erzeugt. Mittels eines Lasers lässt sich eine besonders kohärente erzeugen. Zudem lässt sich die Wellenlänge der Strahlung auf diese Weise sehr genau einstellen, um beispielsweise OH-Bindungen aufzubrechen, ohne andere Funktionsschichten der Solarzelle zu beschädigen.
Die elektromagnetische Strahlung kann kontinuierlich oder vorzugsweise gepulst sein.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Bestrahlen der Passivierschicht über eine Bestrahlungsdauer von maximal 5 min, 3 min, 2 min oder 1 min durchgeführt wird. Derart kurze Bestrahlungsdauern eignen sich besonders dazu, den Bestrahlungsschritt in ein bestehendes Solarzellenherstellungsverfahren zu integrieren.
Mittels des Solarzellenherstellungsverfahrens wird vorzugsweise eine doppelseitig kontaktierte Solarzelle hergestellt, also eine Solarzelle, bei welcher der Emitterkontakt und der Basiskontakt auf gegenüberliegenden Seiten der Halbleiterschicht angeordnet sind. Vorzugsweise handelt es sich um die Herstellung einer PERC-Solarzelle.
Bei der hergestellten Solarzelle kann es sich auch um eine Dünnschichtsolarzelle handeln. Insbesondere handelt es sich dann bei dem Halbleitersubstrat eigentlich um eine Halbleiterschicht, welche auf einem Träger aufgebracht, insbesondere abgeschieden ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Halbleitersubstrat jedoch um einen Halbleiterwafer. Das Halbleitersubstrat ist in jedem Fall vorzugsweise aus Silizium gebildet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen
1 bis 5 fünf verschiedene Stadien eines Halbleitersubstrates beim Durchlaufen eines erfindungsgemäßen Solarzellenherstellungsverfahrens.
Die 1–5 zeigen anhand von schematischen Querschnittszeichnungen eines Halbleitersubstrates 1 fünf unterschiedliche Stadien eines Solarzellenherstellungsverfahrens. Es handelt sich hierbei um Teilansichten, da immer lediglich eine Substratoberfläche 11 gezeigt wird, was mittels einer Bruchlinie auf der unteren Seite angedeutet ist. Die in den Figuren nicht dargestellte (untere) Substratseite kann jede geeignete Form für ein Zwischenprodukt einer Solarzelle oder für eine fertige Solarzelle aufweisen. Insbesondere können dort Dotierschichten, Funktionsschichten, Kontaktschichten und Metallisierungsschichten gebildet sein, die hier nicht besprochen sind.
Gemäß 1 wird zunächst das Halbleitersubstrat 1 mit einer Substratoberfläche 11 bereitgestellt. Unmittelbar auf die Substratoberfläche 11 wird, wie in 2 gezeigt, eine Passivierschicht 2 aus Aluminiumoxid abgeschieden. In einem nachfolgenden Schritt wird, wie in der 3 dargestellt, die Passivierschicht 2 mit einer elektromagnetischen Strahlung 3 aus einer Strahlungsquelle 31 bestrahlt. Vorliegend sind mehrere Strahlungsquellen 31 entlang einer mittels eines breiten Pfeils angedeuteten Bewegungsrichtung des Halbleitersubstrates 1 angeordnet.
Nach dem Bestrahlungsschritt wird eine Dielektrikschicht 4 auf die bestrahlte Passivierschicht 2 abgeschieden. Das Ergebnis dieses Schrittes ist in der 4 dargestellt. Schließlich zeigt die 5 die Substratoberfläche 11, nachdem eine Metallpaste auf die Dielektrikschicht 4 aufgebracht und das Halbleitersubstrat 1 anschließend einem Feuerschritt unterzogen wurde. Hierdurch ist aus der Metallpaste eine Kontaktmetallisierung 5 hervorgegangen. Zudem wurden mittels eines LFC-Verfahrens („laser fired contacts“) Kontakte 6 zwischen der Kontaktmetallisierung 5 und dem Halbleitersubstrat 1 gebildet, die sich durch die Passivierschicht 2 und die Dielektrikschicht 4 erstrecken.
Bezugszeichenliste

1: Halbleitersubstrat
11: Substratoberfläche
2: Passivierschicht
3: elektromagnetischen Strahlung
31: Strahlungsquelle
4: Dielektrikschicht
5: Kontaktmetallisierung
6: Kontakte

Claims

Solarzellenherstellungsverfahren, aufweisend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines Halbleitersubstrates (1); – Aufbringen einer Passivierschicht (2) auf eine Substratoberfläche (11) des Halbleitersubstrates (1); – Bestrahlen der aufgebrachten Passivierschicht (2) mit einer elektromagnetischen Strahlung (3); und – Aufbringen einer Dielektrikschicht (4) auf der bestrahlten Passivierschicht (2).
Solarzellenherstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Passivierschicht (2) eine Metalloxidschicht, insbesondere eine Aluminiumoxidschicht, auf die Substratoberfläche (11) aufgebracht wird.
Solarzellenherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierschicht (2) unmittelbar auf die Substratoberfläche (11) aufgebracht wird und/oder dass die Dielektrikschicht (4) unmittelbar auf die Passivierschicht (2) aufgebracht wird.
Solarzellenherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestrahlen der Passivierschicht (2) umfasst: – ein Positionieren des Substrates oder – ein Vorbeiführen des Substrates oder – Abtasten des Substrates mittels eines optischen Ablenksystems an eine Strahlungsquelle (31) derart, dass die Passivierschicht (2) auf der Substratoberfläche (11) im Wesentlichen vollflächig der elektromagnetischen Strahlung (3) aus der Strahlungsquelle (31) ausgesetzt wird.
Solarzellenherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestrahlen der Passivierschicht (2) unter Vakuum durchgeführt wird.
Solarzellenherstellungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratoberfläche (11) während der Schritte des Aufbringens der Passivierschicht (2), des Bestrahlens der Passivierschicht (2) und des Aufbringens der Dielektrikschicht (4) unter Vakuum gehalten wird.
Solarzellenherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Aufbringen einer Metallpaste auf der aufgebrachten Dielektrikschicht (4) und durch einen nachfolgenden Feuerschritt, bei dem das Halbleitersubstrat (1) erwärmt wird, um aus der Metallpaste eine Kontaktmetallisierung (5) herzustellen.
Solarzellenherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierschicht (2) mit einer Passivierschichtdicke von zwischen 10 nm und 50 nm aufgebracht wird und/oder dass die Dielektrikschicht (4) mit einer Dielektrikschichtdicke von zwischen 50 nm und 300 nm aufgebracht wird.
Solarzellenherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestrahlen der Passivierschicht (2) mit einer elektromagnetischen Strahlung (3) mit einer Wellenzahl zwischen 2600 cm^–1 und 3600 cm^–1 durchgeführt wird.
Solarzellenherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestrahlen der Passivierschicht (2) über eine Bestrahlungsdauer von maximal 5 min, 3 min, 2 min oder 1 min durchgeführt wird.
Solarzellenherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung (3) mittels eines Lasers erzeugt wird.
Solarzellenherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung (3) gepulst ist.