DE102017114097A1 - A method of patterning a diamond wire sawn multicrystalline silicon wafer and method of making a solar cell - Google Patents
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Abstract
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren (100) zum Strukturieren eines diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers (202) folgendes aufweisen:
ein erstes nasschemisches Ätzen einer Oberfläche (202a) des diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers (202) in einer ersten sauren Ätzlösung; anschließend ein zweites nasschemisches Ätzen der Oberfläche (202a) des diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers (202) in einer zweiten sauren Ätzlösung zum Erzeugen einer Ätzgrubenstruktur an der Oberfläche (202a).
According to various embodiments, a method (100) of patterning a diamond wire sawn multicrystalline silicon wafer (202) may include:
a first wet chemical etching of a surface (202a) of the diamond wire sawn multicrystalline silicon wafer (202) in a first acidic etch solution; then a second wet chemical etching of the surface (202a) of the diamond wire sawn multicrystalline silicon wafer (202) in a second acidic etch solution to create an etch pit structure on the surface (202a).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strukturieren eines diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers und ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle.The invention relates to a method for structuring a diamond-wire sawn, multicrystalline silicon wafer and to a method for producing a solar cell.
Für eine hohe Effektivität einer Solarzelle ist eine hohe Lichtausbeute unerlässlich. Um eine hohe Lichtausbeute zu erreichen, können auf mindestens einer Oberfläche eines Siliziumwafers, welcher zur Herstellung der Solarzelle verwendet werden kann, spezielle Strukturen (d.h. raue Oberflächen bzw. Texturen) erzeugt werden. Durch die Generierung derartiger spezieller Strukturen auf einer Oberfläche der Solarzelle kann beispielsweise erreicht werden, dass einfallendes Licht nach dem Auftreffen auf die Oberfläche mehrmals auf die Solarzelle reflektiert wird. Für industriell gefertigte Solarzellen spielen beispielsweise zwei Texturen eine Rolle, nämlich zufällig verteilte Pyramiden und zufällig verteilte Gruben.For a high efficiency of a solar cell, a high light output is essential. In order to achieve high luminous efficacy, special structures (i.e., rough textures) may be formed on at least one surface of a silicon wafer which may be used to make the solar cell. By generating such special structures on a surface of the solar cell can be achieved, for example, that incident light is reflected several times after hitting the surface of the solar cell. For industrial solar cells, for example, two textures play a role, namely randomly distributed pyramids and randomly distributed pits.
Oberflächenstrukturen basierend auf zufällig verteilten Pyramiden (engl. random pyramid layout; Green, High efficiency silicon solar cells. Aedermannsdorf: Trans Tech Publ.,1987; Wang, Wang, High-efficiency solar cells: Physics, materials, and devices. Cham: Springer, 2014) können beispielsweise zum Herstellen einer monokristallinen Solarzelle mittels Behandelns des monokristallinen Siliziumwafers in Laugen (Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid oder Tetramethylammoniumhydroxid) mit oberflächenaktiven Zusätzen (i-Propanol, Tenside) bei Temperaturen (z.B. zwischen 70°C und 80°C) erzeugt werden (wie beispielsweise in
Auf einer multikristallinen Siliziumoberfläche hinterlassen herkömmlicherweise verwendete alkalische Ätzverfahren je nach Kristallorientierung unterschiedliche Oberflächen, was für eine Anwendung in der Photovoltaikindustrie nicht geeignet ist. Daher können auf einer multikristallinen Solarzelle, d.h. auf einem multikristallinen Siliziumwafer, Grubenstrukturen (sogenannte isotrope Texturen) mittels Behandelns des multikristallinen Siliziumwafers in einer salpetersäurehaltigen Flusssäurelösung (auch als HF-HNO3-haltige Ätzlösung bezeichnet) generiert werden. Dabei kann die salpetersäurehaltige Flusssäurelösung zum Teil noch weitere Mineralsäuren oder weitere Oxidationsmittel (z.B.
Siliziumwafer können beispielsweise aus einem Block (auch als Ingot bezeichnet) gesägt werden. Herkömmlicherweise werden im Wesentlichen zwei Arten von Verfahren dazu verwendet, nämlich das SiC-Slurry-Verfahren und das Diamantdraht-Verfahren. Bei dem SiC-Slurry-Verfahren wird ein dünner Stahldraht zusammen mit einem Glykol-Siliziumcarbid-Gemisch (SiC-Slurry) über den Block geführt. Beim Diamantdraht-Verfahren erfolgt das Trennen der Wafer durch einen mit Diamantkristallen besetzten Draht. Das Diamantdraht-Verfahren (auch als Diamantdrahtsägen bezeichnet) bietet gegenüber dem SiC-Slurry-Verfahren deutliche Vorteile. Zum einen ist der Materialverlust deutlich geringer, da die effektive Schnittfläche (bzw. die Schnittbreite) deutlich kleiner ist. Zum anderen ist die beim Diamantdraht-Verfahren erzeugte Rauheit der gesägten Oberfläche des Siliziumwafers erheblich geringer als bei dem SiC-Slurry-Verfahren. Zudem wird das Material unter der Oberfläche weniger beschädigt (d.h. so genannte Sub-Surface-Damages werden vermieden), was die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs des Siliziumwafers bzw. der fertigen Solarzelle deutlich verringern kann.Silicon wafers can, for example, be sawn from a block (also referred to as ingot). Conventionally, essentially two types of methods are used, namely, the SiC slurry method and the diamond wire method. In the SiC slurry process, a thin steel wire is passed over the block along with a glycol-silicon carbide (SiC) slurry. In the diamond wire process, the wafers are separated by a wire filled with diamond crystals. The diamond wire process (also referred to as diamond wire saws) offers significant advantages over the SiC slurry process. On the one hand, the material loss is significantly lower, since the effective cut surface (or the cutting width) is significantly smaller. On the other hand, the roughness of the sawn surface of the silicon wafer produced in the diamond wire method is considerably lower than in the case of the SiC slurry method. In addition, the sub-surface material is less damaged (i.e., so-called sub-surface damage is avoided), which can significantly reduce the likelihood of breakage of the silicon wafer or finished solar cell.
Die verschiedenen Sägeverfahren verursachen unterschiedlich beschädigte Oberflächen. Während beim SiC-Slurry-Verfahren ein gleichmäßiger Oberflächenschaden auftritt, alternieren bei Diamantdraht-Verfahren erzeugten Oberflächen große glatte Flächen und Sägeriefen aufgrund der Drahtführung beim Sägen. Die Oberfläche des Siliziumwafers, die aus dem Diamantdraht-Verfahren resultiert, kann beispielsweise nicht durch herkömmliche Ätzverfahren, z.B. auf Basis einer HF-HNO3-haltigen Lösung, texturiert werden. Dies verhindert den Einsatz des Diamantdrahtsägens für die Herstellung von multikristallinen Wafern zur Produktion von multikristallinen Solarzellen (Meinel, Koschwitz, Blocks, Acker, Comparison of diamond wire cut and silicon carbide slurry processed silicon wafer surfaces after acidic texturization, Mater. Sci. Semicond. Process., 2014).The different sawing methods cause differently damaged surfaces. While uniform surface damage occurs in the SiC slurry process, surfaces produced in diamond wire processes alternate large smooth surfaces and sawing depths due to wire guidance during sawing. For example, the surface of the silicon wafer resulting from the diamond wire process can not be removed by conventional etching techniques, e.g. based on a HF-HNO3-containing solution, textured. This prevents the use of diamond wire saws for the production of multicrystalline wafers for the production of multicrystalline solar cells (Meinel, Koschwitz, Blocks, Acker, Comparison of diamond wire cut and silicon carbide slurry processed silicon wafer surfaces after acidic texturization, Mater. Sci. Semicond ., 2014).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird hierin ein Verfahren beschrieben, welches es ermöglicht, eine gleichmäßig texturierte Oberfläche auf einem diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafer zu erzeugen. Dies erfolgt mittels nasschemischen Ätzens. Dazu wird in einem ersten Schritt, anschaulich einer Ätzvorbehandlung oder Vortexturierung, eine raue (d.h. vortexturierte) Oberfläche auf dem diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafer erzeugt. Anschaulich wird die glatte diamantdrahtgesägte Oberfläche des multikristallinen Siliziumwafers aufgeraut, z.B. mittels eines nasschemischen Ätzschrittes in einer sauren Ätzlösung. In einem sich anschließenden zweiten Ätzschritt wird mittels einer weiteren sauren Ätzlösung, z.B. einer HF-HNO3-haltigen Ätzlösung, die gewünschte finale Textur erzeugt. Somit kann beispielsweise mittels des hierin beschriebenen Verfahrens eine Oberflächentextur auf einem diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafer erzeugt werden, die herkömmlicherweise nur auf einem SiC-Slurry-gesägten Wafer erzeugt werden kann. Ferner kann durch die Kombination der zwei Ätzschritt, wie sie nachfolgend beschrieben sind, eine gegenüber der herkömmlicherweise auf einem SiC-Slurry-gesägten Wafer erzeugte Oberflächentextur verbesserte Oberflächentextur erzeugt werden.In accordance with various embodiments, a method is described herein which enables a uniformly textured surface to be formed on a diamond wire sawn multicrystalline silicon wafer. This is done by wet chemical etching. For this purpose, in a first step, illustratively an etching pretreatment or pre-texturing, a rough (ie pre-texturized) surface is produced on the diamond-wire-sawn, multicrystalline silicon wafer. Clearly, the smooth diamond-wire-sawn surface of the multicrystalline silicon wafer is roughened, for example by means of a wet-chemical etching step in an acidic etching solution. In a subsequent second etching step is by means of a further acidic etching solution, for example a HF-HNO 3 -containing etching solution, the desired final texture produced. Thus, for example, by means of the method described herein, a surface texture can be generated on a diamond-wire-sawn, multicrystalline silicon wafer, which can conventionally only be produced on a SiC slurry-sawn wafer. Further, by combining the two etching steps as described below, a surface texture improved over that conventionally produced on a SiC slurry-sawn wafer can be produced.
Dadurch wird ferner beispielsweise der Einsatz des vorteilhaften Diamantdrahtsägens bei der Herstellung von multikristallinen Solarzellen ermöglicht. Alternative Verfahren zur Erzeugung einer rauen Oberfläche auf diamantdrahtgesägten multikristallinen Siliziumwaferoberfläche sehen beispielsweise Folgendes vor:
- • den Einsatz einer Laservorbehandlung (Blattmann, Trusheim, Progress on Silicon Wafer Texturing by Hybrid Laser-Etching-Process, Proc. 31nd EU PVSEC, Hamburg, 2015),
- • eine Vorbehandlung durch Zusatz von Metallen in ein isotropes Ätzbad zur Erzeugung von porösen Siliziumoberflächen (Kumagai, Texturization using metal catalyst wet chemical etching for multicrystalline diamond wire sawn wafer, Sol. Energy Mater. Sol. Cerls, 2015), oder
- • eine Vorbehandlung durch Sandstrahlprozesse (Wang, Lih, The Influence of Surface Quality on Diamond Wire Sawn Multi-Crystalline Silicon Wafer, Proc. 32nd EU PVSEC, München, 2016).
- The use of laser pretreatment (Blattmann, Trusheim, Progress on Silicon Wafer Texturing by Hybrid Laser Etching Process, Proc. 31nd EU PVSEC, Hamburg, 2015),
- A pre-treatment by addition of metals in an isotropic etching bath for the production of porous silicon surfaces (Kumagai, Texturization using metal catalyst wet chemical etching for multicrystalline diamond wire sawn wafers, Sol Energy Mater, Sol., Cerls, 2015), or
- • Pre-treatment by sand blasting processes (Wang, Lih, The Influence of Surface Quality on Diamond Wire Sawn Multi-Crystalline Silicon Wafer, Proc. 32nd EU PVSEC, Munich, 2016).
Die Verwendung dieser herkömmlichen Verfahren im industriellen Maßstab erhöhen jedoch die Produktionskosten erheblich, was beispielsweise deren Verwendung zur Herstellung von diamantdrahtgesägten, multikristallinen Wafer in der Solarzellenfertigung nicht wirtschaftlich machen kann.However, the use of these conventional industrial-scale methods significantly increases production costs, which, for example, can not make their use in the production of diamond-wire-sawn, multicrystalline wafers in solar cell production economically viable.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wurde beispielsweise erkannt, dass auf einem diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafer eine gleichmäßig raue (z.B. vortexturierte) Oberfläche dadurch erzeugt werden kann, dass die Oberfläche mit einem Gemisch von Flusssäure und einer Chlorquelle (z.B. Chlorgas und/oder Salzsäure) behandelt wird. Diese so vorbehandelte (vortexturierte) Oberfläche des diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers ermöglicht es beispielsweise, ein HF-HNO3-Gemisch zur Generierung einer gleichmäßigen, dichten Grubentextur (auch als Ätzgrubenstruktur bezeichnet) zu verwenden.For example, according to various embodiments, it has been recognized that on a diamond wire sawn, multicrystalline silicon wafer, a uniformly rough (e.g., pre-texturized) surface can be formed by treating the surface with a mixture of hydrofluoric acid and a chlorine source (e.g., chlorine gas and / or hydrochloric acid). This pretreated (pre-texturized) surface of the diamond-wire-sawn, multicrystalline silicon wafer makes it possible, for example, to use an HF-HNO 3 mixture for generating a uniform, dense pit texture (also referred to as etch pit structure).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird unabhängig von der Kristallorientierung der Kristallite an der Oberfläche des diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers jeweils eine im Wesentlichen gleiche Oberflächentextur erzeugt. Anschaulich wird auf der gesamten behandelten Oberfläche des diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers, die gleiche Textur erzeugt.According to various embodiments, regardless of the crystal orientation of the crystallites, a substantially identical surface texture is generated on the surface of the diamond-wire-sawn, multicrystalline silicon wafer. Clearly, the same texture is produced on the entire treated surface of the diamond-wire sawn, multicrystalline silicon wafer.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wurde erkannt, dass mittels zweier Ätzschritte, die unter Verwendung zweier voneinander verschiedener saurer Ätzlösungen erfolgen, eine Ätzgrubenstruktur auf einem diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafer erzeugt werden kann, die für die Herstellung einer Solarzelle vorteilhaft ist. Die Ätzgrubenstruktur kann beispielsweise mittels des hierin beschriebenen Verfahrens derart erzeugt werden, dass die Reflektivität der Oberfläche (zumindest im sichtbaren Bereich des Lichts) wesentlich (z.B. mehr als 10%, mehr als 20%, oder sogar mehr als 30%) verringert wird (verglichen mit der Reflektivität einer Oberfläche eines unbehandelten, diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers). According to various embodiments, it has been recognized that an etching pit structure can be produced on a diamond-wire-sawn, multicrystalline silicon wafer, which is advantageous for the production of a solar cell, by means of two etching steps which are carried out using two mutually different acid etching solutions. For example, the etch pit structure may be formed by the method described herein such that the reflectivity of the surface (at least in the visible region of the light) is substantially reduced (eg, more than 10%, more than 20%, or even more than 30%) with the reflectivity of a surface of an untreated, diamond-wire-sawn, multicrystalline silicon wafer).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden zum Texturieren der Oberfläche des diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers nur saure Ätzlösungen verwendet. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, da saure Ätzlösungen stabiler gegenüber Metallverunreinigungen sind, als basische Ätzlösungen. Insbesondere das Drahtsägen erzeugt eine wesentliche Metallverunreinigung auf der gesägten Oberfläche. Mittels des hierin beschriebenen Verfahrens zum Texturieren einer Oberfläche eines diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers kann beispielsweise ermöglicht werden, dass die Standzeit einer Ätzanlage wirtschaftlich effizient ist, z.B. länger als eine Woche, so dass diese Verfahren großtechnisch eingesetzt werden kann.According to various embodiments, only acidic etch solutions are used to texturize the surface of the diamond wire sawn multicrystalline silicon wafer. This may be advantageous, for example, since acid etching solutions are more stable to metal contaminants than basic etching solutions. In particular, wire sawing produces significant metal contamination on the sawn surface. For example, by means of the method described herein of texturing a surface of a diamond-wire-sawn, multicrystalline silicon wafer, the life of an etch line may be allowed to be economically efficient, e.g. longer than a week, so that these methods can be used on an industrial scale.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the figures and are explained in more detail below.
Es zeigen
-
1 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Strukturieren eines diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; -
2A und2B eine schematische Darstellung und eine Elektronenmikroskopie-Aufnahme eines diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers nach einem ersten Schritt des Strukturierens, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; -
2C und2D eine schematische Darstellung und eine Elektronenmikroskopie-Aufnahme eines diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers nach einem zweiten Schritt des Strukturierens, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; -
3A und3B jeweils ein Bild der Oberfläche eines diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers während des Strukturierens, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; -
3C ein Bild der Oberfläche eines ohne diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers, der ohne Vortexturierung in nur einem Schritt strukturiert wurde, als Vergleichsbeispiel; -
3D ein Bild einer texturierten Oberfläche eines SiC-Slurry-gesägten multikristallinen Siliziumwafers, der ohne Vortexturierung in nur einem Schritt strukturiert wurde, als Vergleichsbeispiel; -
4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Solarzelle, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und -
5 einen schematischen Aufbau einer Solarzelle basierend auf dem strukturierten, diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafer, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
-
1 12 is a schematic flow diagram of a method of patterning a diamond wire sawn, multicrystalline silicon wafer, according to various embodiments; -
2A and2 B a schematic representation and an electron micrograph of a diamond wire sawn, multicrystalline silicon wafer after a first step structuring, according to various embodiments; -
2C and2D a schematic representation and an electron micrograph of a diamond wire sawn, multicrystalline silicon wafer after a second step of structuring, according to various embodiments; -
3A and3B an image of the surface of a diamond wire sawn, multicrystalline silicon wafer during patterning, according to various embodiments; -
3C an image of the surface of a diamond wire sawed, multicrystalline silicon wafer, which was structured without pre-texturing in only one step, as a comparative example; -
3D an image of a textured surface of a SiC slurry sawn multicrystalline silicon wafer, which was structured in one step without pre-texturing, as a comparative example; -
4 a schematic flow diagram of a method for manufacturing a solar cell, according to various embodiments; and -
5 12 shows a schematic structure of a solar cell based on the structured, diamond-wire-sawn, multicrystalline silicon wafer, according to various embodiments.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings, which form a part hereof, and in which is shown by way of illustration specific embodiments in which the invention may be practiced. It should be understood that other embodiments may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the scope of the present invention. It should be understood that the features of the various exemplary embodiments described herein may be combined with each other unless specifically stated otherwise. The following detailed description is therefore not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is defined by the appended claims.
In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.In the figures, identical or similar elements are provided with identical reference numerals, as appropriate.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden ein Verfahren zum Strukturieren eines diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers und ein strukturierter diamantdrahtgesägter, multikristalliner Siliziumwafer bereitgestellt, wobei die Oberfläche des diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers derart strukturiert ist bzw. wird, dass Licht optimal von dieser absorbiert werden kann. Somit können der strukturierte diamantdrahtgesägte, multikristalline Siliziumwafer bzw. das Verfahren zum Strukturieren des diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers in der Photovoltaik-Industrie verwendet werden, beispielsweise zum Bereitstellen einer hocheffizienten und kostengünstigen Solarzelle.According to various embodiments, there is provided a method of patterning a diamond wire sawn multicrystalline silicon wafer and a patterned diamond wire sawn multicrystalline silicon wafer, wherein the surface of the diamond wire sawn multicrystalline silicon wafer is patterned such that light can be optimally absorbed by it. Thus, the patterned diamond wire sawn polycrystalline silicon wafer or the method of patterning the diamond wire sawn multicrystalline silicon wafer may be used in the photovoltaic industry, for example to provide a highly efficient and inexpensive solar cell.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird der diamantdrahtgesägte, multikristalline Siliziumwafer mindestens zwei nasschemischen Ätzschritten unterzogen, welche beide sauer sind, d.h. die mindestens zwei Ätzlösungen, die bei den mindestens zwei nasschemischen Ätzschritten verwendet werden, weisen beide eine PH-Wert von weniger als 7 auf, z.B. weniger als 6, oder weniger als 5.According to various embodiments, the diamond wire sawn multicrystalline silicon wafer is subjected to at least two wet chemical etching steps, both of which are acidic, i. the at least two etch solutions used in the at least two wet chemical etch steps both have a PH of less than 7, e.g. less than 6, or less than 5.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann zwischen den beiden Ätzschritten kein weiterer Ätzschritt notwendig sein. Mit anderen Worten können die beiden Ätzschritte direkt aufeinanderfolgen.According to various embodiments, no further etching step may be necessary between the two etching steps. In other words, the two etching steps can follow each other directly.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist das erste nasschemische Ätzen, in Schritt
Bei dem ersten nasschemischen Ätzen, in Schritt
Anschaulich kann beispielsweise ein Flusssäure/Salzsäure-Gemisch als erste Ätzlösung verwendet werden. In ähnlicher Weise kann gasförmiges Chlor in die erste Ätzlösung eingeleitet werden und, in wässriger Lösung zu Salzsäure und hypochloriger Säure disproportioniert, ein Flusssäure/Salzsäure-Gemisch bilden.Illustratively, for example, a hydrofluoric acid / hydrochloric acid mixture can be used as the first etching solution. Similarly, gaseous chlorine may be introduced into the first etching solution and, in aqueous solution, to hydrochloric acid and disproportionated hypochlorous acid, form a hydrofluoric acid / hydrochloric acid mixture.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste saure Ätzlösung ferner ein Oxidationsmittel aufweisen. Das Oxidationsmittel kann beispielsweise mindestens eines aus der folgenden Gruppe von Oxidationsmitteln aufweisen oder sein: Wasserstoffperoxid (H2O2); Chlor (Cl2, HOCL, etc.); Kupferionen (Cu2+) . Gasförmiges Chlor kann beispielsweise in die erste Ätzlösung eingeleitet werden und, in wässriger Lösung zu Salzsäure und hypochloriger Säure disproportioniert, hypochlorige Säure als Oxidationsmittel bilden. Dabei kann das gasförmige Chlor auch zum Teil physikalisch in der Ätzlösung gelöst sein oder werden.According to various embodiments, the first acid etching solution may further comprise an oxidizing agent. The oxidizing agent may for example comprise or be at least one of the following group of oxidizing agents: hydrogen peroxide (H 2 O 2 ); Chlorine (Cl 2 , HOCL, etc.); Copper ions (Cu 2+ ). For example, gaseous chlorine may be introduced into the first etching solution and, when disproportionated in aqueous solution to hydrochloric acid and hypochlorous acid, form hypochlorous acid as an oxidizing agent. In this case, the gaseous chlorine may also be partially or physically dissolved in the etching solution.
Bei dem zweiten nasschemischen Ätzen, in Schritt
Dabei werden die beiden Ätzschritte nacheinander durchgeführt, z.B. in zwei voneinander verschiedenen Ätzbädern. Die Oberfläche des diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers kann beispielsweise zwischen dem ersten nasschemischen Ätzen und dem zweiten nasschemischen Ätzen gespült werden, z.B. mit deionisiertem Wasser oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit.The two etching steps are carried out successively, e.g. in two different etching baths. For example, the surface of the diamond wire sawn multicrystalline silicon wafer may be rinsed between the first wet chemical etch and the second wet chemical etch, e.g. with deionized water or other suitable liquid.
Die Rückseite des diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers
Der diamantdrahtgesägte, multikristalline Siliziumwafer
Die Oberfläche
In
Die Oberflächenstruktur
Die räumliche Verteilung der Ätzgruben sowie deren Geometrie können beispielsweise optisch ausgewertet werden, z.B. mittels Rasterelektronenmikroskopie.The spatial distribution of the etching pits and their geometry can be evaluated optically, e.g. by scanning electron microscopy.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können das erste nasschemische Ätzen und das zweite nasschemische Ätzen derart erfolgen, dass die Ätzgruben der erzeugten Ätzgrubenstruktur
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können das erste nasschemische Ätzen und das zweite nasschemische Ätzen derart erfolgen, dass die Ätzgruben der erzeugten Ätzgrubenstruktur
Wie beispielsweise in
Anschaulich kann die Ätzgrubenstruktur
Mittels der Ätzgrubenstruktur
In
In
In
Im Folgenden werden beispielhaft einige Ätzlösungen beschrieben, mittels derer die Oberflächenstruktur
Gemäß einem ersten Beispiel, kann die erste Ätzlösung im ersten Schritt
- • Flusssäure (HF), z.B. mit einer Konzentration von 0,2 mol/L,
- • Salzsäure (HCl), z.B. mit einer Konzentration von 11,7 mol/L), und
- • Wasserstoffperoxid (H2O2), z.B. mit einer Konzentration von 0,2 mol/L.
- Hydrofluoric acid (HF), eg with a concentration of 0.2 mol / L,
- Hydrochloric acid (HCl), eg with a concentration of 11.7 mol / L), and
- • Hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), eg with a concentration of 0.2 mol / L.
Dabei wurde die erste Ätzlösung während des ersten nasschemischen Ätzens (im Schritt
Ferner wurde anschließend (im Schritt
- • Flusssäure (HF), z.B. mit einer Konzentration von 3,2 mol/L, und
- • Salpetersäure (HNO3), z.B. mit einer Konzentration von 5,6 mol/L.
- Hydrofluoric acid (HF), eg at a concentration of 3.2 mol / L, and
- • Nitric acid (HNO 3 ), eg at a concentration of 5.6 mol / L.
Gemäß einem zweiten Beispiel, kann die erste Ätzlösung im ersten Schritt
- • Flusssäure (HF), z.B. mit einer Konzentration von 5,5 mol/L,
- • Salzsäure (HCl), z.B. mit einer Konzentration von 9,6 mol/L), und
- • Chlor (Cl2), das in die erste Ätzlösung während des Ätzens eingeleitet wird.
- Hydrofluoric acid (HF), eg with a concentration of 5.5 mol / L,
- Hydrochloric acid (HCl), eg with a concentration of 9.6 mol / L), and
- • Chlorine (Cl 2 ), which is introduced into the first etching solution during the etching.
Ferner wurde anschließend (im Schritt
- • Flusssäure (HF), z.B. mit einer Konzentration von 3,2 mol/L, und
- • Salpetersäure (HNO3), z.B. mit einer Konzentration von 5,6 mol/L.
- Hydrofluoric acid (HF), eg at a concentration of 3.2 mol / L, and
- • Nitric acid (HNO 3 ), eg at a concentration of 5.6 mol / L.
Gemäß einem dritten Beispiel, kann die erste Ätzlösung im ersten Schritt
- • Flusssäure (HF), z.B. mit einer Konzentration von 1,4 mol/L,
- • Salzsäure (HCl), z.B. mit einer Konzentration von 9,6 mol/L), und
- • Chlor (Cl2), das in die erste Ätzlösung während des Ätzens eingeleitet wird.
- Hydrofluoric acid (HF), eg with a concentration of 1.4 mol / L,
- Hydrochloric acid (HCl), eg with a concentration of 9.6 mol / L), and
- • Chlorine (Cl 2 ), which is introduced into the first etching solution during the etching.
Dabei wurde die erste Ätzlösung während des ersten nasschemischen Ätzens (im Schritt
Ferner wurde anschließend (im Schritt
- • Flusssäure (HF), z.B. mit einer Konzentration von 3,2 mol/L,
- • Salpetersäure (HNO3), z.B. mit einer Konzentration von 5,6 mol/L, und
- • Hexafluorokieselsäure (H2SiF6), z.B. mit einer Konzentration von 0,8 mol/L.
- Hydrofluoric acid (HF), eg with a concentration of 3.2 mol / L,
- • nitric acid (HNO 3 ), eg at a concentration of 5.6 mol / L, and
- Hexafluorosilicic acid (H 2 SiF 6 ), eg with a concentration of 0.8 mol / L.
Die so gebildeten ersten Ätzstrukturen
Die erste Ätzlösung, in welcher der diamantdrahtgesägte, multikristalline Siliziumwafer
Sofern beispielsweise Chlor als Oxidationsmittel verwendet wurde, kann das Chlor dadurch bereitgestellt sein oder werden, dass Chlorgas in die wässrige erste Ätzlösung eingeleitet wurde. Dabei kann die erste Ätzlösung beispielsweise auch mittels eines kontinuierlichen Zuführens von Chlorgas (Cl2) in Strömung versetzt werden, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.For example, if chlorine was used as the oxidizing agent, the chlorine may be provided by bubbling chlorine gas into the aqueous first etching solution. In this case, for example, the first etching solution can also be caused to flow by means of a continuous supply of chlorine gas (Cl 2 ), according to various embodiments.
Ferner kann Chlor als Oxidationsmittel bereitgestellt werden, indem der ersten Ätzlösung Chlorgas oder zumindest ein chlorhaltiges Gas zugeführt wird. Das Gas kann beispielsweise mit einem Volumenstrom (angegeben in Litern pro Minute, L/min) in einem Bereich von ungefähr 0,1 L/min bis ungefähr 10 L/min zugeführt werden. Durch Einstellen oder Regeln des Volumenstroms des Gases (z.B. des Chlorgases) können/kann die Abtragsrate und/oder die erzeugte Oberflächenmorphologie beeinflusst werden.Further, chlorine may be provided as an oxidizing agent by supplying chlorine gas or at least a chlorine-containing gas to the first etching solution. For example, the gas may be supplied at a volumetric flow rate (in liters per minute, L / min) in a range of about 0.1 L / min to about 10 L / min. By adjusting or controlling the volumetric flow of the gas (e.g., the chlorine gas), the rate of removal and / or surface morphology generated can be influenced.
Beispielsweise kann ein Flusssäure/Salzsäure-Gemisch als (z.B. erste) Ätzlösung verwendet werden. In ähnlicher Weise kann gasförmiges Chlor in eine flusssäurehaltige Ätzlösung eingeleitet werden und, in wässriger Lösung zu Salzsäure und hypochloriger Säure disproportioniert, ein Flusssäure/Salzsäure-Gemisch bilden. Dabei kann das gasförmige Chlor gleichzeitig als Oxidationsmittel fungieren.For example, a hydrofluoric acid / hydrochloric acid mixture may be used as (e.g., first) etching solution. Similarly, gaseous chlorine may be introduced into a hydrofluoric acid etching solution and, disproportionated in aqueous solution to hydrochloric acid and hypochlorous acid, form a hydrofluoric acid / hydrochloric acid mixture. The gaseous chlorine can act as an oxidant at the same time.
Alternativ dazu kann der ersten Ätzlösung mindestens ein Feststoff zugesetzt sein oder werden, z.B. Hypochlorit, Chlorat, Perchlorat oder ein chloridhaltiges Salz (wie z.B. Natriumchlorid (NaCl), Kaliumchlorid (KCl) und/oder Ammoniumchlorid (NH4Cl)). Der Feststoff kann sich in der Lösung beispielsweise auflösen und/oder im Kontakt mit der Lösung beispielsweise zerfallen und/oder reagieren und dabei Chlor bzw. Chlorid freigeben und so als Chlorquelle wirken. Je nachdem welche Oberflächenmorphologie erzeugt werden soll, kann ein passender Feststoff zugeführt werden, welcher eine bestimmte Menge an Chlor oder Chlorid freigibt. Beispielsweise können mittels Zugabe von Hypochlorit oder Perchlorat geringe Abtragsraten erzielt werden. Alternativ oder in Kombination können mehrere Feststoffe zugegeben werden.Alternatively, at least one solid may or may not be added to the first etching solution, eg hypochlorite, chlorate, perchlorate or a chloride-containing salt (such as sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KCl) and / or ammonium chloride (NH 4 Cl)). The solid may dissolve in the solution, for example, and / or, for example, decompose and / or react in contact with the solution, thereby releasing chlorine or chloride and thus acting as a chlorine source. Depending on which surface morphology is to be generated, a suitable solid can be supplied, which releases a certain amount of chlorine or chloride. For example, low removal rates can be achieved by adding hypochlorite or perchlorate. Alternatively or in combination, multiple solids may be added.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das erste nasschemische Ätzen des diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers
- • Behandlungsdauer t = 1 min, t = 5 min oder t = 10 min, z.B. mit einer Behandlungsdauer in einem Bereich von ungefähr 1 min bis ungefähr 20 min, z.B. in einem Bereich von ungefähr 1 min bis ungefähr 10 min;
- • Behandlungstemperatur ϑ = 20 °C, ϑ = 25 °C oder ϑ = 30 °C, z.B. mit einer Behandlungstemperatur in einem Bereich von ungefähr 15 °C bis ungefähr 35 °C.
- Treatment duration t = 1 min, t = 5 min or t = 10 min, eg with a treatment duration in a range of about 1 min to about 20 min, eg in a range of about 1 min to about 10 min;
- Treatment temperature θ = 20 ° C, θ = 25 ° C or θ = 30 ° C, eg with a treatment temperature in a range from about 15 ° C to about 35 ° C.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das zweite nasschemische Ätzen des diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers
- • Behandlungsdauer t = 1 min, t = 10 min oder t = 30 min, z.B. mit einer Behandlungsdauer in einem Bereich von ungefähr 1 min bis ungefähr 60 min, z.B. in einem Bereich von ungefähr 1 min bis ungefähr 30 min;
- • Behandlungstemperatur ϑ = 20 °C, ϑ = 25 °C oder ϑ = 30 °C, z.B. mit einer Behandlungstemperatur in einem Bereich von ungefähr 15 °C bis ungefähr 35 °C.
- Treatment duration t = 1 min, t = 10 min or t = 30 min, eg with a treatment duration in a range of about 1 min to about 60 min, eg in a range of about 1 min to about 30 min;
- Treatment temperature θ = 20 ° C, θ = 25 ° C or θ = 30 ° C, eg with a treatment temperature in a range from about 15 ° C to about 35 ° C.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Verfahrensparameter beider nasschemischer Ätzschritt im Verfahren
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der ersten Ätzlösung eine oberflächenaktive Substanz (Komponente), z.B. aus der Gruppe der Tenside, zugesetzt sein oder werden.According to various embodiments, the first etching solution may include a surfactant (component), e.g. from the group of surfactants, be added or be.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweiten Ätzlösung eine oberflächenaktive Substanz (Komponente), z.B. aus der Gruppe der Tenside, zugesetzt sein oder werden.According to various embodiments, the second etching solution may include a surfactant (component), e.g. from the group of surfactants, be added or be.
Die hierin beschriebenen Konzentrationen der Ätzlösungen (angegeben in Mol pro Liter; mol/L) können beispielsweise rechnerisch anhand der Masse der Mischungskomponenten ermittelt werden. Ferner können die Konzentrationen von beispielsweise Fluorid-, Chlorid-, bzw. Sulfat-Ionen mittels Ionenaustauschchromatographie ermittelt werden, z.B. mittels eines Dionex ICS 2000.The concentrations of the etching solutions described herein (expressed in moles per liter, mol / L) can be determined, for example, mathematically based on the mass of the mixture components. Further, the concentrations of, for example, fluoride, chloride, and sulfate ions, respectively, can be determined by ion exchange chromatography, e.g. using a Dionex ICS 2000.
Die Geometrie bzw. Größe und Verteilung der Ätzgruben der Oberflächenstruktur
Der Reflexionsgrad eines strukturgeätzten diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers
Der jeweilige Ätzschritt
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Behandlungstemperatur während des ersten nasschemischen Ätzens und/oder während des zweiten nasschemischen Ätzens geringer sein als 30°C. Anschaulich ist bei dem hierin beschriebenen Verfahren
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Ätzlösung zusätzlich zur Flusssäure und Salpetersäure noch eine weitere Säure aufweisen, z.B. Essigsäure (CH3COOH), Schwefelsäure (H2SO4), Hexafluorokieselsäure (H2SiF6), etc.According to various embodiments, in addition to the hydrofluoric acid and nitric acid, the second etching solution may also contain another acid, for example acetic acid (CH 3 COOH), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), hexafluorosilicic acid (H 2 SiF 6 ), etc.
Bei der in
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren beispielsweise auch Folgendes aufweisen: Strukturieren einer Vorderseite eines diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers mittels eines zweistufigen Ätzverfahrens unter Verwendung zweier saurer Ätzlösungen (z.B. mittels des Verfahrens
In
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Solarzelle
Die erste Metallisierung
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist die Solarzelle
Es versteht sich, dass die Ausgestaltung der Solarzelle
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein diamantdrahtgesägter, multikristalliner Siliziumwafer
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Salzsäure-Gemisch als Ätzlösung verwendet werden. Dazu kann gasförmiges Chlor in eine wässrige Lösung eingeleitet werden und, in dieser zu Salzsäure und hypochloriger Säure disproportioniert, ein Salzsäure-Gemisch bilden.According to various embodiments, a hydrochloric acid mixture may be used as the etching solution. For this purpose, gaseous chlorine can be introduced into an aqueous solution and, disproportionated in this to hydrochloric acid and hypochlorous acid, form a hydrochloric acid mixture.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele aufgeführt, welche sich auf die vorangehend beschriebenen Figuren beziehen.Exemplary embodiments which relate to the figures described above are listed below.
Beispiel 1 ist ein Verfahren
In Beispiel 2 weist das Verfahren gemäß Beispiel 1 optional auf, dass das erste nasschemische Ätzen ein anisotropes nasschemisches Ätzen ist.In Example 2, the method of Example 1 optionally includes that the first wet chemical etching is an anisotropic wet chemical etching.
In Beispiel 3 weist das Verfahren gemäß Beispiel 1 oder 2 optional auf, dass das zweite nasschemische Ätzen ein isotropes nasschemisches Ätzen ist.In Example 3, the method of Example 1 or 2 optionally indicates that the second wet-chemical etching is an isotropic wet-chemical etching.
In Beispiel 4 weist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 3 optional auf, dass die erste saure Ätzlösung Flusssäure (HFaq) und eine Chlorquelle aufweist. Die erste saure Ätzlösung kann beispielsweise Flusssäure (HFaq) und Salzsäure (HClaq) aufweisen.In Example 4, the method according to any one of Examples 1 to 3 optionally includes that the first acid etching solution has hydrofluoric acid (HF aq ) and a chlorine source. The first acid etching solution may include, for example, hydrofluoric acid (HF aq ) and hydrochloric acid (HCl aq ).
In Beispiel 5 weist das Verfahren gemäß Beispiel 4 optional auf, dass die Chlorquelle mindestens eine aus der folgenden Gruppe von Chlorquellen aufweist: gasförmiges Chlor (Cl2); und Salzsäure (HClaq).In Example 5, the process according to Example 4 optionally comprises that the chlorine source comprises at least one of the following group of chlorine sources: gaseous chlorine (Cl 2 ); and hydrochloric acid (HCl aq ).
In Beispiel 6 weist das Verfahren gemäß Beispiel 4 oder 5 optional auf, dass die erste saure Ätzlösung ferner ein Oxidationsmittel aufweist.In Example 6, the method according to Example 4 or 5 optionally includes that the first acid etching solution further comprises an oxidizing agent.
In Beispiel 7 weist das Verfahren gemäß Beispiel 6 optional auf, dass das Oxidationsmittel mindestens eines aus der folgenden Gruppe von Oxidationsmitteln aufweist: Wasserstoffperoxid (H2O2); Chlor (z.B. gasförmiges Chlor (Cl2) oder hypochlorige Säure (HOCl) bzw. Hypochlorid (ClO-)); Kupferionen (Cu2+).In Example 7, the process according to Example 6 optionally comprises that the oxidizing agent comprises at least one of the following group of oxidizing agents: hydrogen peroxide (H 2 O 2 ); Chlorine (eg gaseous chlorine (Cl 2 ) or hypochlorous acid (HOCl) or hypochlorite (ClO - )); Copper ions (Cu 2+ ).
In Beispiel 8 weist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 7 optional ferner auf: Erzeugen einer Strömung der ersten sauren Ätzlösung relativ zu der Oberfläche
In Beispiel 9 weist das Verfahren gemäß Beispiel 8 optional auf, dass die Strömung mittels Rührens der ersten sauren Ätzlösung, Umwälzens der ersten sauren Ätzlösung und/oder mittels Einleitens eines Gases (z.B. mittels Einleitens gasförmigen Chlors oder eines chlorhaltigen Gases) in die erste saure Ätzlösung erzeugt wird.In Example 9, the process according to Example 8 optionally has the flow by stirring the first acidic etching solution, circulating the first acidic etching solution and / or by introducing a gas (eg by introducing gaseous chlorine or a chlorine-containing gas) into the first acidic etching solution is produced.
In Beispiel 10 weist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 9 optional auf, dass die zweite saure Ätzlösung Flusssäure (HFaq) und Salpetersäure (HNO3,aq) aufweist.In Example 10, the method according to any of Examples 1 to 9 optionally shows that the second acid etching solution has hydrofluoric acid (HF aq ) and nitric acid (HNO 3, aq ).
In Beispiel 11 weist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 10 optional auf, dass die Oberfläche
In Beispiel 12 weist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 11 optional auf, dass das erste nasschemische Ätzen und das zweite nasschemische Ätzen derart erfolgen, dass die erzeugte Ätzgrubenstruktur
In Beispiel 13 weist das Verfahren gemäß Beispiel 12 optional auf, dass die Ätzgruben bezüglich des Ortes auf der Oberfläche des diamantdrahtgesägten, multikristallinen Siliziumwafers
In Beispiel 14 weist das Verfahren gemäß Beispiel 12 oder 13 optional auf, dass die Ätzgruben bezüglich deren Breite und/oder deren Tiefe zufällig verteilt sind.In Example 14, the method according to Example 12 or 13 optionally shows that the etch pits are randomly distributed with respect to their width and / or depth.
In Beispiel 15 weist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 12 bis 14 optional auf, dass die Ätzgruben an der Oberfläche
In Beispiel 16 weist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 12 bis 15 optional auf, dass die Ätzgruben (z.B. im arithmetischen Mittel) eine Tiefe in einem Bereich von ungefähr 1 µm bis ungefähr 30 µm aufweisen.In Example 16, the method according to any one of Examples 12 to 15 optionally includes that the etch pits (e.g., in arithmetic mean) have a depth in a range of about 1 μm to about 30 μm.
In Beispiel 17 weist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 1 bis 16 optional auf, dass das erste nasschemische Ätzen und das zweite nasschemische Ätzen derart erfolgen, dass die erzeugte Ätzgrubenstruktur
Beispiel 18 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle
Gemäß Beispiel 19 kann ein diamantdrahtgesägter, multikristalliner Siliziumwafer
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102008014166 B3 [0003]DE 102008014166 B3 [0003]
- EP 2605289 A2 [0003]EP 2605289 A2 [0003]
- US 2003/0119332 A1 [0004]US 2003/0119332 A1 [0004]
- US 2013/0130508 A1 [0004]US 2013/0130508 A1 [0004]
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