DE102016225120A1 - Method for reducing the optical reflection on solar cells - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der optischen Reflexion an Solarzellen, die wenigstens eine aktive Schicht aus einem Halbleitermaterial aufweisen, auf die eine Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht aufgebracht ist. Bei dem Verfahren wird nicht die Schicht aus dem Halbleitermaterial sondern die Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht mit einem Plasmaätzprozess unter Bildung von Nanostrukturen texturiert, um die optische Reflexion an der Solarzelle zu reduzieren. Das Verfahren vermeidet die Probleme der Schädigung und Verunreinigung der Schicht aus dem Halbleitermaterial und erreicht damit eine Reduzierung der optischen Reflexion ohne eine negative Beeinträchtigung des Wirkungsgrades der Solarzelle.The present invention relates to a method for reducing the optical reflection of solar cells, which comprise at least one active layer of a semiconductor material, to which a passivation and / or antireflection layer is applied. In the method, not the layer of the semiconductor material but the passivation and / or antireflection layer is textured with a plasma etching process to form nanostructures in order to reduce the optical reflection at the solar cell. The method avoids the problems of damage and contamination of the layer of the semiconductor material and thus achieves a reduction of the optical reflection without a negative impact on the efficiency of the solar cell.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der optischen Reflexion an Solarzellen, die wenigstens eine aktive Schicht aus einem Halbleitermaterial aufweisen, auf die eine Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht aufgebracht ist, wobei die optische Reflexion an der Solarzelle durch eine Texturierung unter Bildung von Nanostrukturen reduziert wird.The present invention relates to a method for reducing the optical reflection of solar cells, comprising at least one active layer of a semiconductor material, on which a passivation and / or anti-reflection layer is applied, wherein the optical reflection on the solar cell by texturing to form nanostructures is reduced.
Die Verringerung der Oberflächenreflexion an Solarzellen ist sehr wichtig, um deren Effizienz zu erhöhen. Den industriellen Standard zur Verringerung der Reflexion von kristallinen Silizium-Solarzellen stellt die nasschemische Texturierung durch HF/HNO3 oder durch KOH und IPA (IPA: Isopropylalkohol) dar. Diese nasschemischen Texturen erzeugen Oberflächenstrukturen im Mikrometer-Maßstab und verringern durch Mehrfachreflexionen an der Oberfläche der Solarzelle deren Gesamtreflexion. Diese Technologie wird durch die geometrische Optik (Strukturbreite > Lichtwellenlänge) begrenzt und erzielt daher nur eine moderate Verringerung der Reflexion. Eine vielversprechende Alternative dazu stellt die sog. maskenlose Plasmatexturierung von Silizium durch fluor- oder sauerstoffhaltige Plasmen dar, die auch unter dem Begriff Black-Silicon-Methode bekannt ist. Diese Technik ermöglicht eine nahezu perfekte Entspiegelung der Siliziumoberfläche durch Plasmatexturen, die den Siliziumwafer schwarz erscheinen lässt. Physikalische Grundlage dieser Entspiegelung sind Nanostrukturen (Strukturbreite < Lichtwellenlänge) auf der Siliziumoberfläche, welche kleiner als das Auflösungsvermögen des einfallenden Lichtes sind. Dadurch erfährt das auftreffende Licht keinen Brechungsindexsprung am Heteroübergang Luft/Silizium, was zur Verringerung der Reflexion führt.The reduction of surface reflection on solar cells is very important to increase their efficiency. The industrial standard for reducing the reflection of crystalline silicon solar cells is the wet-chemical texturing by HF / HNO 3 or by KOH and IPA (IPA: isopropyl alcohol). These wet-chemical textures produce surface structures on a micrometer scale and reduce them by multiple reflections on the surface Solar cell whose total reflection. This technology is limited by the geometric optics (structure width> light wavelength) and therefore achieves only a moderate reduction of the reflection. A promising alternative to this is the so-called maskless plasma texturing of silicon by fluorine- or oxygen-containing plasmas, which is also known by the term black-silicone method. This technique allows near-perfect reflection of the silicon surface by plasma textures that make the silicon wafer appear black. The physical basis of this antireflection coating are nanostructures (structure width <light wavelength) on the silicon surface, which are smaller than the resolution of the incident light. As a result, the incident light experiences no refractive index jump at the heterojunction of air / silicon, which leads to a reduction of the reflection.
Bisher werden zur maskenlosen Plasmatexturierung von Silizium vor allem kapazitiv gekoppelte Plasmen genutzt. Bei einer kapazitiven Einkopplung des Plasmas mit Verwendung von asymmetrischen Elektrodenoberflächen kommt es zu einer Ausbildung einer negativen Eigenvorspannung (Self-Bias) zwischen dem Plasma und der Siliziumoberfläche. Dieser negative Self-Bias von bis zu mehreren 100 V verursacht eine Beschleunigung der im Plasma befindlichen positiven Ionen in Richtung der Siliziumoberfläche, wodurch diese geschädigt wird. Die Oberflächenschäden induzieren Rekombinationszentren für Ladungsträger, durch die der Wirkungsgrad von Solarzellen beträchtlich verringert wird.Up to now, capacitively coupled plasmas have been used for maskless plasma texturing of silicon. Capacitive coupling of the plasma using asymmetric electrode surfaces results in the formation of a negative self-bias between the plasma and the silicon surface. This negative self-bias of up to several 100 V causes an acceleration of the positive ions in the plasma in the direction of the silicon surface, whereby it is damaged. The surface damage induces carrier recombination centers, which significantly reduces the efficiency of solar cells.
Ein wichtiger Prozessschritt während der Solarzellenprozessierung ist die Passivierung der SiliziumOberfläche, um offene Bindungen abzusättigen, welche als Rekombinationszentren für die lichterzeugten Ladungsträger agieren und damit die Effizienz der Solarzelle deutlich reduzieren können. Eine industriell abgeschiedene SiN Passivierungsschicht hat eine typische Dicke von ca. 70-80 nm. Die mit der Black-Silicon-Methode generierten Nanostrukturen weisen eine Strukturbreite von ca. 100 nm auf. Daher ist eine ganzflächige homogene Bedeckung der Plasmatextur durch eine SiN Schicht, wie sie bei der Solarzellenprozessierung zur Passivierung erzeugt wird, nicht ohne weitere Prozessschritte möglich. Zusätzlich reduzieren plasmainduzierte Defekte und Verunreinigungen an der Grenzfläche von Silizium und dem SiN den Wirkungsgrad der Solarzellen.An important process step during the solar cell processing is the passivation of the silicon surface in order to saturate open bonds, which act as recombination centers for the light-generated charge carriers and thus can significantly reduce the efficiency of the solar cell. An industrially deposited SiN passivation layer has a typical thickness of approx. 70-80 nm. The nanostructures generated with the black-silicon method have a structure width of approx. 100 nm. Therefore, a homogeneous homogeneous coverage of the plasma texture by a SiN layer, as it is produced in the solar cell processing for passivation, not possible without further process steps. In addition, plasma-induced defects and impurities at the interface of silicon and SiN reduce the efficiency of solar cells.
Dies ist einer der wesentlichen Gründe, warum die Black-Silicon-Methode bis heute nicht in vorhandene Herstellungsprozesse integriert werden konnte. Zusätzlich vergrößert die Plasmatextur die effektive Oberfläche des Siliziums, wodurch der Beitrag der Oberflächenrekombination an der gesamten Kombination der Ladungsträger ansteigt. Darüber hinaus ist auch eine effiziente Passivierung der durch den oben beschriebenen Ionenbeschuss erzeugten plasmainduzierten Effekte mittels SiN bisher nicht möglich.This is one of the main reasons why the black silicone method has not been integrated into existing manufacturing processes until today. In addition, the plasma texture increases the effective surface area of the silicon, thereby increasing the contribution of surface recombination to the overall charge carrier combination. In addition, an efficient passivation of the plasma-induced effects generated by the ion bombardment described above by means of SiN is not yet possible.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass die dem Plasma ausgesetzten metallischen Oberflächen innerhalb der Prozesskammer zu einer Oberflächenverunreinigung der Siliziumoberfläche führen, durch die die Ladungsträgerlebensdauer ebenfalls reduziert wird. Je nach Beschaffung der Prozesskammer ist die Siliziumoberfläche nach der Texturierung mit Eisen, Chrom, Zink und Aluminium verunreinigt. Diese Verunreinigungen können zwar nach dem Plasmatexturschritt durch einen nasschemischen HF/HCl oder HF/HNO3 Dip bzw. einer RCA Reinigung entfernt werden. Dieser zusätzliche nasschemische Prozessschritt gehört jedoch nicht zum Stand der Technik in der Solarzellenproduktion und verursacht zusätzliche Kosten bei der Solarzellenfertigung. Aufgrund der vorgenannten Problematik wird daher bisher die maskenlose anisotrope Plasmatexturierung nicht zur Verringerung der optischen Reflexionen bei Silizium-Solarzellen in industriellem Maßstab eingesetzt.Another problem is that the plasma-exposed metallic surfaces within the process chamber result in surface contamination of the silicon surface, which also reduces carrier lifetime. Depending on the procurement of the process chamber, the silicon surface after texturing is contaminated with iron, chromium, zinc and aluminum. Although these impurities can be removed after the plasma texture step by a wet chemical HF / HCl or HF / HNO 3 Dip or RCA cleaning. However, this additional wet-chemical process step does not belong to the state of the art in solar cell production and causes additional costs in solar cell production. Because of the aforementioned problem, therefore, the maskless anisotropic plasma texturing is not used to reduce the optical reflections in silicon solar cells on an industrial scale so far.
Stand der TechnikState of the art
Einige der obigen Probleme konnten bisher nur im Labormaßstab mit erheblichem Zeit- und Kostenaufwand bei der Herstellung verringert oder gelöst werden.Some of the above problems have heretofore been reduced or eliminated only on a laboratory scale with considerable time and expense in manufacturing.
Bei einer kapazitiven Einkopplung des Plasmas kann der Self-Bias bei asymmetrischen Elektrodenflächen technisch nicht vermieden werden. Es gibt jedoch Ansätze, durch eine möglichst geringe kapazitiv eingekoppelte Leistung und durch Kombination mit induktiven Plasmaquellen den Self-Bias und damit auch die Oberflächenschäden zu verringern.With a capacitive coupling of the plasma, the self-bias can not be technically avoided with asymmetrical electrode surfaces. However, there are approaches through the lowest possible capacitively coupled power and through Combination with inductive plasma sources to reduce the self-bias and thus also the surface damage.
Dazu wird meist eine Kombination aus einer kapazitiven und einer induktiven Plasmaquelle genutzt. Dadurch lässt sich der Self-Bias von mehreren hundert Volt auf unter 100 Volt verringern, wie dies beispielsweise in
Die ungenügende PECVD SiN-Oberflächenpassivierung von Plasmatexturen wird derzeit durch zeit- und kostenaufwändigere Technologien im Labormaßstab umgangen. Dazu wird als Alternative eine Al2O3 Atomlagenabscheidung (ALD) verwendet, welche deutlich teurer und zeitintensiver als eine PECVD SiN-Abscheidung ist. Diese Technik ist beispielsweise in
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Reduzierung der optischen Reflexion an Solarzellen bereitzustellen, dass die oben beschriebenen Probleme vermeidet und sich kostengünstiger als die bisher im Labormaßstab eingesetzten Techniken realisieren lässt.The object of the present invention is to provide a method for reducing the optical reflection on solar cells, which avoids the problems described above and can be realized more cost-effectively than the techniques previously used on a laboratory scale.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen. Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich mit Solarzellen durchführen, die wenigstens eine aktive Schicht aus einem vorzugsweise kristallinen Halbleitermaterial aufweisen, auf die eine Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht aufgebracht ist. Bei dieser Schicht handelt es sich vorzugsweise um eine SiN-Schicht. Es können jedoch auch andere Schichten als Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht eingesetzt werden, beispielsweise die weiter oben genannte Al2O3-Schicht oder eine Schicht aus Siliziumdioxid. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die optische Reflexion in bekannter Weise durch eine Texturierung dieser Schicht unter Bildung von Nanostrukturen reduziert. Diese Texturierung erfolgt mit einem Plasmaätzprozess, vorzugsweise mit einem maskenlosen anisotropen Plasmaätzprozess. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren des Standes der Technik wird beim vorliegenden Verfahren jedoch nicht die Schicht aus dem Halbleitermaterial sondern die darüber liegende Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht texturiert. Vorzugsweise wird das Verfahren an fertig prozessierten Solarzellen angewendet.The object is achieved by the method according to
Damit wird die Grenzfläche zwischen der Schicht aus dem Halbleitermaterial und der darüber liegenden Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht durch den Texturierungsschritt nicht vergrößert und auch keinem Ionenbeschuss ausgesetzt. Es können auch keine plasmainduzierten Verunreinigungen auf die Schicht mit dem Halbleitermaterial gelangen, da diese während des Plasmatexturierungsprozesses mit der Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht bedeckt ist. Somit werden mit dem vorgeschlagenen Verfahren sämtliche der oben beschriebenen Probleme gelöst. Die Reflexion an der Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht wird jedoch signifikant reduziert.Thus, the interface between the layer of the semiconductor material and the overlying passivation and / or antireflection layer is not increased by the texturing step and is also not exposed to ion bombardment. Nor can plasma-induced impurities reach the layer containing the semiconductor material since it is covered with the passivation and / or antireflection layer during the plasma texturing process. Thus, the proposed method solves all the problems described above. However, the reflection at the passivation and / or antireflection layer is significantly reduced.
Der anisotrope Plasmaätzprozess zur Plasmatexturierung erfolgt dabei vorzugsweise mit einem fluor-, wasserstoff-, kohlenstoff- und/oder sauerstoffhaltigen Gasgemisch, beispielsweise mit einem SF6/O2-Ätzgas. Auch andere fluor- und/oder sauerstoffhaltige Gase können eingesetzt werden. Die Plasmatexturierung ist auch nicht auf fluor- und sauerstoffhaltige Gase beschränkt. Die Prozessführung kann in gleicher Weise erfolgen wie bei dem bekannten Black-Silicon-Prozess, wobei beim vorgeschlagenen Verfahren jedoch nicht die Halbleiterschicht sondern die auf der Halbleiterschicht aufgebrachte Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht texturiert wird.The anisotropic plasma etching process for plasma texturing preferably takes place with a fluorine-, hydrogen-, carbon- and / or oxygen-containing gas mixture, for example with an SF 6 / O 2 etching gas. Other fluorine and / or oxygen-containing gases can be used. Plasma texturing is also not limited to fluorine- and oxygen-containing gases. The process can be carried out in the same way as in the known black-silicon process, wherein in the proposed method, however, not the semiconductor layer but the applied on the semiconductor layer passivation and / or anti-reflection layer is textured.
Die Texturierung der Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht kann nach dem Ende der herkömmlichen Prozesskette bei der Solarzellenproduktion erfolgen. Die Texturierung der Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht erfolgt dann mit einer bereits vollständig prozessierten Solarzelle, die also bereits die Front- und Rückseitenkontakte aufweist.The texturing of the passivation and / or antireflection coating can take place after the end of the conventional process chain in solar cell production. The texturing of the passivation and / or antireflection layer then takes place with an already completely processed solar cell, which thus already has the front and rear side contacts.
Weiterhin kann die Texturierung der Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht auch innerhalb der Prozesskette für die Solarzellenproduktion nach dem Aufbringen der Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht und noch vor dem Aufbringen der Front- und Rückseitenkontakte erfolgen.Furthermore, the texturing of the passivation and / or antireflection coating can also take place within the process chain for the solar cell production after the application of the passivation and / or antireflection coating and before the application of the front and rear contacts.
Bei der bekannten Black-Silicon-Methode zur Reduzierung der optischen Reflexion an Silizium-Solarzellen gemäß dem Stand der Technik, wird das kristalline Silizium direkt durch ein kapazitiv eingekoppeltes Plasma texturiert. Dabei wird die Siliziumoberfläche beschleunigten Ionen ausgesetzt, welche die Siliziumoberfläche schädigen können. Dies führt dann zu einer geringeren effektiven Lebensdauer der während des Betriebs der Solarzelle generierten Ladungsträger, wodurch der Wirkungsgrad der Solarzelle verringert wird. Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei Silizium-Solarzellen jedoch zunächst auf der Siliziumoberfläche eine Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht, beispielsweise eine SiN-Schicht, abgeschieden. Hierbei finden wohldefinierte und bekannte Standardverfahren Verwendung, welche hohe Ladungsträgerlebensdauern gewährleisten. So kann die Abscheidung beispielsweise mit einem PECVD-Verfahren ohne Ionenbeschuss (kein Self-Bias) erfolgen. Anschließend wird nur die abgeschiedene Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht durch einen vorzugsweise maskenlosen Plasmaätzschritt texturiert, so dass es zu keiner Schädigung der darunter liegenden Siliziumoberfläche kommt. Weder die Passivierungseigenschaften der Passivierungsschicht noch die elektrischen Eigenschaften der Solarzelle werden durch diesen Schritt beeinträchtigt. Daher sind durch das hier vorgeschlagene Verfahren höhere effektive Lebensdauern zu erreichen im Vergleich zu Verfahren, bei denen die Siliziumoberfläche texturiert wird.In the known black-silicon method for reducing the optical reflection of silicon solar cells according to the prior art, the crystalline silicon is directly textured by a capacitively coupled plasma. The silicon surface is exposed to accelerated ions, which damage the silicon surface. This then leads to a lower effective life of the charge carriers generated during operation of the solar cell, whereby the efficiency of the solar cell is reduced. In the method according to the present invention, however, in silicon solar cells, first a passivation and / or antireflection layer, for example a SiN layer, is deposited on the silicon surface. This well-defined and well-known standard methods are used, which ensure high carrier lifetimes. For example, the deposition can be carried out with a PECVD process without ion bombardment (no self-bias). Subsequently, only the deposited passivation and / or antireflection layer is textured by a preferably maskless plasma etching step, so that there is no damage to the underlying silicon surface. Neither the passivation properties of the passivation layer nor the electrical properties of the solar cell are impaired by this step. Therefore, by the method proposed here, higher effective lifetimes can be achieved compared to methods in which the silicon surface is textured.
Bei der bekannten Black-Silicon-Methode gemäß dem Stand der Technik wird die Siliziumoberfläche durch den maskenlosen Plasmaätzschritt im Sub-Mikrometerbereich texturiert. Dadurch vergrößert sich aber die effektive Oberfläche des Siliziums um ein Vielfaches, was wiederum zu einem erhöhten Beitrag der Oberflächenrekombination an der gesamten Rekombinationsrate führt. Dies resultiert in einem geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei Silizium-Solarzellen hingegen die zuvor auf der planen Siliziumoberfläche abgeschiedene Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht durch den Plasmaschritt texturiert. Dadurch kommt es zu keiner Oberflächenvergrößerung des Siliziums, was zu einem geringeren Beitrag der Oberflächenrekombinationsrate führt. Dies wiederum resultiert in einem besseren Solarzellen-Wirkungsgrad.In the known black-silicon method according to the prior art, the silicon surface is textured by the maskless plasma etching step in the sub-micron range. As a result, however, the effective surface area of the silicon increases by a multiple, which in turn leads to an increased contribution of the surface recombination to the total recombination rate. This results in a lower efficiency of the solar cell. In the method according to the invention, however, in the case of silicon solar cells, the passivating and / or antireflection layer previously deposited on the planar silicon surface is textured by the plasma step. As a result, there is no surface enlargement of the silicon, which leads to a lower contribution of the surface recombination rate. This in turn results in a better solar cell efficiency.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind auch geringere plasmainduzierte Verunreinigung des Siliziums bzw. Halbleitermaterials zu erwarten, da die Silizium- bzw. Halbleiteroberfläche während des bevorzugten Plasmatexturschrittes durch die Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht selbst geschützt wird. Die Grenzfläche zwischen dem Halbleitermaterial und der Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht bleibt vom Plasmaprozess unberührt. Daher kommt die Silizium- bzw. Halbleiteroberfläche mit keinen Verunreinigungen aus dem Plasma bzw. der Prozesskammer in Kontakt. Dies verringert wiederum die Gesamtrekombinationsrate der generierten Ladungsträger.In the method according to the invention, lower plasma-induced contamination of the silicon or semiconductor material is also to be expected since the silicon or semiconductor surface itself is protected by the passivation and / or antireflection layer itself during the preferred plasma texture step. The interface between the semiconductor material and the passivation and / or antireflection layer remains unaffected by the plasma process. Therefore, the silicon or semiconductor surface comes with no contaminants from the plasma or the process chamber in contact. This in turn reduces the overall recombination rate of the generated charge carriers.
Ein wesentlicher Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist die Entkoppelung der Plasmatextur und der Oberflächenpassivierung der Halbleiterschicht. Im Gegensatz zur klassischen Black-Silicon-Methode wird nicht die Siliziumoberfläche, sondern die darauf abgeschiedene Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht, insbesondere die Siliziumnitrid-Schicht, plasmatexturiert. Dadurch kommt es zu keiner Oberflächenvergrößerung, Verunreinigung oder einem Ionenbeschuss des Siliziums. Die elektrischen Eigenschaften der Solarzelle bleiben unberührt. Die optischen Eigenschaften werden aufgrund der Reduzierung der optischen Reflexion der Grenzfläche zwischen Luft und der Passivierungs- und/oder Antireflexionsschicht verbessert.An essential advantage of the proposed method is the decoupling of the plasma texture and the surface passivation of the semiconductor layer. In contrast to the classic black-silicon method, not the silicon surface but the passivating and / or antireflection layer deposited thereon, in particular the silicon nitride layer, is plasma-textured. As a result, there is no surface enlargement, contamination or ionic bombardment of the silicon. The electrical properties of the solar cell remain unaffected. The optical properties are improved due to the reduction of the optical reflection of the interface between air and the passivation and / or antireflection layer.
Das vorgeschlagene Verfahren findet vor allem bei der Herstellung von Solarzellen Anwendung, deren Oberflächenreflektivität durch eine Texturierung verringert werden soll. Das Verfahren lässt sich dabei sowohl in der industriellen Massenproduktion von Solarzellen als auch im Laborbereich in Forschungseinrichtungen einsetzen, da das Verfahren frei skalierbar ist.The proposed method is mainly used in the manufacture of solar cells whose surface reflectivity is to be reduced by texturing. The method can be used both in the industrial mass production of solar cells as well as in the laboratory in research institutions, since the method is freely scalable.
Figurenlistelist of figures
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Beschreibung nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer gemäß dem Stand der Technik entspiegelten (links) im Vergleich zu einer gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren (rechts) entspiegelten Solarzelle; -
2 ein erstes Beispiel für die Durchführung der vorgeschlagenen Plasmatexturierung bei der Herstellung einer Solarzelle; -
3 ein zweites Beispiel für die Durchführung der vorgeschlagenen Plasmatexturierung bei der Herstellung einer Solarzelle; und -
4 eine Darstellung eines schematischen Aufbaus einer Plasmaanlage, die für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens geeignet ist.
-
1 a schematic representation of a coated according to the prior art (left) compared to a according to the proposed method (right) coated solar cell; -
2 a first example of the implementation of the proposed plasma texturing in the manufacture of a solar cell; -
3 a second example of the implementation of the proposed plasma texturing in the manufacture of a solar cell; and -
4 a representation of a schematic structure of a plasma system, which is suitable for carrying out the proposed method.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand der Reduzierung der optischen Reflexion an Silizium-Solarzellen nochmals erläutert, bei denen auf der kristallinen Siliziumschicht eine SiN-Passivierungsschicht aufgebracht ist. Im Gegensatz zu der bisher verwendeten Technik zur Entspiegelung einer derartigen Solarzelle mit Hilfe der bereits beschriebenen Black-Silicon-Methode wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren nicht die Oberfläche der kristallinen Silizium-Schicht plasmatexturiert, sondern die darauf abgeschiedene SiN-Passivierungsschicht.The proposed method will be explained below with reference to the reduction of the optical reflection on silicon solar cells, in which on the crystalline silicon layer, an SiN passivation layer is applied. In contrast to the technique used to date for the antireflective coating of such a solar cell with the aid of the already described black-silicone method, the proposed method does not use the Surface of the crystalline silicon layer plasma-textured, but the deposited on SiN passivation layer.
Demgegenüber wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Silizium-Halbleiterschicht nicht plasmatexturiert. Vielmehr wird auf die Oberfläche dieser Silizium-Schicht, also auf die nicht texturierte Silizium-Emitterschicht
Grundsätzlich kann die Plasmatexturierung der Passivierungsschicht als nachgelagerter Prozessschritt nach der Solarzellenproduktion oder auch innerhalb der Prozesskette der Solarzellenproduktion durchgeführt werden.
Prinzipiell kann die SiN-Schicht oder auch jede andere bei dem Verfahren eingesetzte Passivierungsschicht auf elektrische Eigenschaften hin optimiert werden, beispielsweise über den Wasserstoffgehalt für ein besseres Passivierungs- und Regenerationsverhalten oder zur Reduzierung des spezifischen Widerstands zur Verringerung der potentialinduzierten Degradationsanfälligkeit (PID). Darüber hinaus können auch die optischen Eigenschaften der Passivierungsschicht optimiert werden. Dabei wird der Brechungsindex der Passivierungsschicht dem Brechungsindex der darunter liegenden Halbleiterschicht angepasst, um die interne Reflexion an der Grenzfläche der Passivierungsschicht zur Halbleiterschicht zu reduzieren.In principle, the SiN layer or any other passivation layer used in the method can be optimized for electrical properties, for example via the hydrogen content for a better passivation and regeneration behavior or for reducing the specific resistance to reduce the potential-induced degradation susceptibility (PID). In addition, the optical properties of the passivation layer can also be optimized. In this case, the refractive index of the passivation layer is adapted to the refractive index of the underlying semiconductor layer in order to reduce the internal reflection at the interface of the passivation layer to the semiconductor layer.
Bei dem nachfolgenden Beispiel wird die Oberfläche einer SiN-Schicht, welche zuvor auf einem Siliziumwafer abgeschieden wurde, maskenlos durch eine anisotrope Plasmaätze texturiert, um die Reflexion der Oberfläche zu verringern. Diese SiN-Plasmatexturierung erfolgt in einem einstufigen Prozess durch ein fluor-, wasserstoff-, kohlenstoff- und/oder sauerstoffhaltiges Gasgemisch. Hierzu wird eine Kombination aus einer induktiven (ICP) und kapazitiven Plasmaquelle (CCP) genutzt. Mögliche Prozessgase zur SiN Plasmatexturierung sind SF6, H2, CHF3 und O2. Durch die maskenlose anisotrope SiN Ätze werden Nanostrukturen in die SiN Oberfläche geätzt, wodurch die Reflexion der Oberfläche verringert wird. Die Prozesszeit der Texturierung beträgt unter 10 Minuten. Der Prozessdruck ist kleiner 15 Pa (150 µbar) und die Prozesstemperatur ist kleiner 50 °C. Im Folgenden sind beispielhaft Prozessparameter für die Durchführung der SiN Plasmatexturierung angegeben, welche jedoch in Abhängigkeit der Randbedingungen auch anderweitig ausfallen können:
- - Prozesszeit: < 10 Minuten
- - ICP Leistung: > 200 Watt
- - CCP Leistung: < 100 Watt
- - Substrattemperatur: 20 °C
- - Prozessdruck: < 15 Pa
- - CHF3/O2 Fluss: < 100 sccm
- - Process time: <10 minutes
- - ICP power:> 200 watts
- - CCP power: <100 watts
- - Substrate temperature: 20 ° C
- - Process pressure: <15 Pa
- - CHF 3 / O 2 flow: <100 sccm
Für die Plasmatexturierung kann beispielsweise eine Plasmaanlage mit einem hochvakuumtauglichen Rezipienten eingesetzt werden, die die Erzeugung eines induktiv- und/oder kapazitiv eingekoppelten Plasmas ermöglicht. In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Silizium-BasisSilicon-based
- 22
- Silizium-EmitterSilicon emitter
- 33
- SiN-PassivierungsschichtSiN passivation
- 44
- Solarzellenherstellungsolar cell production
- 55
- SiN-PlasmatexturierungSiN Plasmatexturierung
- 66
- SägeschadensätzeSägeschadensätze
- 77
- Phosphordiffusion und PhosphorglasätzePhosphorus diffusion and phosphorous glass etchings
- 88th
- SiN-AbscheidungSiN deposition
- 99
- restliche Produktionsschritteremaining production steps
- 1010
- Plasmaplasma
- 1111
- Prozesskammerprocess chamber
- 1212
- Waferauflagewafer support
- 1313
- Temperiereinrichtungtempering
- 1414
- Spulenanordnungcoil assembly
- 1515
- HochfrequenzgeneratorHigh-frequency generator
- 1616
- Gaseinlassgas inlet
- 1717
- GaszufuhreinrichtungGas supply means
- 1818
- HochvakuumpumpeinrichtungHigh vacuum pump device
- 1919
- Waferwafer
- 2020
- DruckmesseinrichtungPressure measuring device
- 2121
- Drosselventilthrottle valve
- 2222
- Halteklammernretaining clips
- 2323
- kapazitive Plasmaquellecapacitive plasma source
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- M. Gaudig et al., „Investigation of the optoelectronic properties of crystalline silicon textured by maskless plasma etching at different ignition modes“, EU-PVSEC, 2014, Seiten 885-888 [0009]Gaudig et al., "Investigation of the optoelectronic properties of crystalline silicon by maskless plasma etching at different ignition modes", EU-PVSEC, 2014, pp. 885-888 [0009]
- M. Otto et al., „Conformal Al2O3 coatings on black silicon by thermal ALD for surface passivation“, Energy Procedia 27, Seiten 361 bis 364, 2012 [0010]M. Otto et al., "Conformal Al 2 O 3 coatings on black silicon by thermal ALD for surface passivation", Energy Procedia 27, pages 361 to 364, 2012 [0010]
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Applications Claiming Priority (1)
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Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20110146779A1 (en) * | 2009-12-22 | 2011-06-23 | National Chiao Tung University | Sub-wavelength structure layer, method for fabricating the same and photoelectric conversion device applying the same |
US20150162460A1 (en) * | 2010-09-16 | 2015-06-11 | Maria Faur | Methods, process and fabrication technology for high-efficiency low-cost crystalline silicon solar cells |
-
2016
- 2016-12-15 DE DE102016225120.1A patent/DE102016225120A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (2)
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