DE102019122637B4

DE102019122637B4 - Verfahren zur Herstellung einer metallischen Kontaktierungsstruktur einer photovoltaischen Solarzelle

Info

Publication number: DE102019122637B4
Application number: DE102019122637.6A
Authority: DE
Inventors: Mohammad Hassan Norouzi; Pierre Saint-Cast; Fabian Meyer; Frank Feldmann; Marc Hofmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-08-22
Filing date: 2019-08-22
Publication date: 2022-11-03
Anticipated expiration: 2039-08-23
Also published as: DE102019122637A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer metallischen Kontaktierungsstruktur einer photovoltaischen Solarzelle mit den VerfahrensschrittenA. Bereitstellen eines Siliziumsubstrats mit zumindest einer Basisdotierung;B. Aufbringen einer Zwischenschicht (2) mit einer Dicke im Bereich 0,5 nm bis 10 nm mittelbar oder unmittelbar auf das Siliziumsubstrat (1);C. Aufbringen einer dotierten, amorphen Siliziumschicht mit einer Dicke im Bereich 10 nm bis 300 nm als Kontaktierungsschicht (3) mittelbar oder unmittelbar auf die dem Siliziumsubstrat (1) abgewandte Seite der Zwischenschicht (2);D. Aufbringen einer Metallschicht (4) mittelbar oder unmittelbar auf die dem Siliziumsubstrat (1) abgewandte Seite der Kontaktierungsschicht (3) und Ausbilden eines elektrischen Kontakts zwischen Metallschicht (4) und Kontaktierungsschicht (3); wobei zwischen den Verfahrensschritten C und D ein Strukturieren der Kontaktierungsschicht (3) erfolgt, wobeiin einem Verfahrensschritt C1 die Kontaktierungsschicht (3) lokal mit Laserstrahlung beaufschlagt wird, so dass lokal ein Kristallisieren der Kontaktierungsschicht (3) zumindest an der der Zwischenschicht (2) abgewandten Oberfläche der Kontaktierungsschicht (3) in einem oder mehreren Kristallisierungsbereichen erfolgt undin einem Verfahrensschritt C2 die amorphen Bereiche der Kontaktierungsschicht (3), welche nicht von Kristallisierungsbereichen bedeckt sind, entfernt werden, wobei die in Verfahrensschritt C1 erzeugten Kristallisierungsbereiche der Kontaktierungsschicht (3) als Maske verwendet werden, wobeizur zumindest lokalen elektrischen Passivierung Wasserstoff zumindest in die Kontaktierungsschicht (3) eingebracht wird, zumindest in den Bereichen, welche in Verfahrensschritt C2 nicht entfernt werden, und wobei Verfahrensschritt C1 in einer wasserstoffhaltigen Umgebung durchgeführt wird, um Wasserstoff in die Kontaktierungsschicht (3) zumindest in den mit Laserstrahlung beaufschlagten Bereichen einzubringen.

Description

Photovoltaische Solarzellen weisen typischerweise eine Halbleiterschicht auf, welche mittels zumindest einer metallischen Kontaktierungsstruktur kontaktiert wird. Die metallische Kontaktierungsstruktur dient zur Verschaltung der Solarzelle beispielsweise in einem Solarzellenmodul mit benachbarten Solarzellen.
Zum Erzielen hoher Wirkungsgrade ist unter anderem eine gute Oberflächenpassivierung der Halbleiterschicht sowie eine geringe Rekombinationsrate in den Kontaktierungsbereichen, in welchen die metallische Kontaktierungsstruktur die Halbleiterschicht elektrisch kontaktiert, notwendig. Es ist daher bekannt, passivierende Schichten an der Oberfläche der Halbleiterschicht vorzusehen sowie lokale Hochdotierungen in den Kontaktierungsbereichen.
Darüber hinaus weisen Strukturen mit Heteroübergängen, bei welchen auf der Halbleiterschicht eine dünne intrinsische amorphe Siliziumschicht und eine dotierte amorphe Siliziumschicht aufgebracht wird, hohe Passivierungsgüten auf. Ein solcher Aufbau weist jedoch den Nachteil auf, dass amorphe Siliziumschichten keinen hohen Temperaturen ausgesetzt werden dürfen und daher unter anderem Einschränkungen an nachfolgende Verfahrensschritte bei der Herstellung der Solarzelle bestehen.
Ein anderer Ansatz sieht einen flächigen, metallischen Kontakt vor, sodass die metallische Kontaktierungsstruktur im Wesentlichen die gesamte Rückseite der Solarzelle bedeckt. Zwischen metallischer Kontaktierungsstruktur und Halbleiterschicht ist eine dünne Siliziumoxidschicht und eine polykristalline Siliziumschicht angeordnet. Eine solche TOPCon (tunnel oxide passivated contact)-Struktur ist in FELDMANN, F. [et al.]: A passivated rear contact for high-efficiency n-Type silicon solar cells enabling high VocS and FF>82%. In: Proceedings - EU PVSEC 2013, 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Parc des Expositions Paris Nord Villepinte, Paris, France, conference 30 September - 04 October 2013, 988-992 beschrieben.
Zwar bietet die TOPCon-Struktur eine hohe Passivierungsgüte und ermöglicht hohe Offene-Klemmen-Spannungen und entsprechend hohe Wirkungsgrade; es ist jedoch für viele Solarzellenkonzepte wünschenswert, lokale Kontaktierungsbereiche zu realisieren. Dies ist beispielsweise notwendig, wenn an der Kontaktierungsseite Licht in die Halbleiterschicht eindringen soll und daher nur eine geringe Flächenabdeckung durch die metallische Kontaktierungsstruktur gewünscht ist und/oder wenn sowohl Basis als auch Emitter der Solarzelle an einer Seite mittels metallischer Kontaktierungsstrukturen wie beispielsweise kammartig ineinandergreifender („interdigitated“) Kontaktierungsstrukturen kontaktiert werden sollen.
Aus WILKIES. G.C: [et. al.]: Laser Crystallization and Dopant Activation for a a-Si:H Film in Carrier-Selective Contacts for Silicon Solar Cells. In: 2019 IEEE 46th Photovoltaic Specialists Conference (16-21 June 2019), 2019, 2709-2712., ist bekannt umfassend ein Siliziumsubstrat, eine auf dem Substrat aufgebrachte Zwischenschicht sowie darauf angeordnete amorphe Siliziumschicht, wobei die amorphe Siliziumschicht mittels gepulster Laserstrahlung behandelt wird, wodurch ein Kristallisieren in der amorphen Siliziumschicht erzielt wird.
Aus der US 2014 / 0 338 747 A1 geht ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle hervor, wobei auf einem Substrat zur Rückseiten-Kontaktierung eine Tunnelschicht, eine dotierte Schicht sowie eine Sperrschicht aufgebracht werden, und wobei nach Auftragen einer Maske erfolgt ein selektives Ätzen der nicht durch die Maske abgedeckten Bereiche um nach weiteren Prozessschritten entsprechende Kontakte an der Rückseite der Solarzelle anzubringen.
Aus der WO 94/ 27 326 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Schicht eines Halbleitermaterials für ein elektronisches Bauelement durch Einwirkung eines Laserstrahlungs-Interferenzmusters bekannt, wobei eine amorphe Halbleiterschicht mit einem Laserstrahlungs-Interferenzmuster bestrahlt wird, sodass die amorphe Halbleiterschicht zumindest in Bereichen kristallisiert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Kontaktierungsstruktur einer photovoltaischen Solarzelle bereitzustellen, welches eine hohe Passivierungsgüte ermöglicht und dennoch die Flexibilität bietet, lokale Kontaktierungsbereiche auszubilden.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer metallischen Kontaktierungsstruktur einer photovoltaischen Solarzelle weist die Verfahrensschritte auf:

A. Bereitstellen eines Siliziumsubstrats mit zumindest einer Basisdotierung;
B. Aufbringen einer Zwischenschicht mit einer Dicke im Bereich 0,5 nm bis 10 nm mittelbar oder bevorzugt unmittelbar auf das Siliziumsubstrat;
C. Aufbringen einer dotierten, amorphen Siliziumschicht mit einer Dicke im Bereich 10 nm bis 300 nm, bevorzugt 20 nm bis 100 nm als Kontaktierungsschicht mittelbar oder bevorzugt unmittelbar auf die dem Siliziumsubstrat abgewandte Seite der Zwischenschicht;
D. Aufbringen einer Metallschicht mittelbar oder bevorzugt unmittelbar auf die dem Siliziumsubstrat abgewandte Seite der Kontaktierungsschicht und Ausbilden eines elektrischen Kontakts zwischen Metallschicht und Kontaktierungsschicht.

Wesentlich ist, dass zwischen dem Verfahrensschritt C und D ein Strukturieren der Kontaktierungsschicht erfolgt, wobei in einem Verfahrensschritt C1 die Kontaktierungsschicht lokal mit Laserstrahlung beaufschlagt wird, sodass lokal ein Kristallisieren der Kontaktierungsschicht zumindest an der der Zwischenschicht abgewandten Oberfläche der Kontaktierungsschicht in einem oder mehreren Kristallisierungsbereichen erfolgt. Weiterhin werden in einem Verfahrensschritt C2 die amorphen Bereiche der Kontaktierungsschicht, welche nicht von Kristallisierungsbereichen bedeckt sind, entfernt, wobei die in Verfahrensschritt C1 erzeugten Kristallisierungsbereichen der Kontaktierungsschicht als Maske verwendet werden, wobei zur zumindest lokalen elektrischen Passivierung Wasserstoff zumindest in die Kontaktierungsschicht eingebracht wird, zumindest in den Bereichen, welche in Verfahrensschritt C2 nicht entfernt werden, und wobei Verfahrensschritt C1 in einer wasserstoffhaltigen Umgebung durchgeführt wird, um Wasserstoff in die Kontaktierungsschicht zumindest in den mit Laserstrahlung beaufschlagten Bereichen einzubringen.
Bevorzugt erfolgt mittels der Laserstrahlung ein Aufschmelzen und Kristallisieren in dem oder den Kristallisierungsbereichen.
Die Zwischenschicht kann dotiert sein, weist jedoch bevorzugt eine elektrisch aktive Nettodotierung mit einer Dotierkonzentration kleiner 1×10¹⁹ cm^-3, insbesondere bevorzugt 1×10¹⁸ cm^-3, weiter bevorzugt kleiner 1×10¹⁷ cm^-3 auf. Insbesondere ist die Zwischenschicht bevorzugt undotiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt somit die Vorteile einer hohen Passivierungsgüte, wenn die Oberfläche eines Siliziumsubstrats mit einer Zwischenschicht und einer amorphen und/oder polykristallinen, dotierten Siliziumschicht bedeckt wird, auf welche die metallische Kontaktierungsstruktur aufgebracht wird. Gleichzeitig bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, lokale Kontaktierungsstrukturen auszubilden und somit beispielsweise Kontaktierungen in an sich bekannten Formen von Metallisierungsgittern der metallischen Kontaktierungsstruktur auszubilden, insbesondere, ineinander verschränkte, sogenannte interdigitated Kontaktierungsstruktur zur rückseitigen Kontaktierung von Rückseitenkontakt-Solarzellen auszubilden.
Darüber hinaus ist das Verfahren durch die Verwendung von Laserstrahlung für die lokale Definition der Maskenbereiche kostengünstig und kann einfach in industrielle Herstellungsprozesse eingebunden werden, da entsprechende Vorrichtungen zum lokalen Beaufschlagen eines Halbleitersubstrats mit Laserstrahlung bereits bekannt sind und in der industriellen Fertigung von Solarzellen bereits eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt den Umstand, dass die lokal mit Laserstrahlung beaufschlagten Bereiche der Kontaktierungsschicht nach dem Aufschmelzen kristallisieren und hierbei eine polykristalline oder zumindest annähernd polykristalline Struktur aufweisen, welche sich somit von der amorphen Struktur der nicht aufgeschmolzenen Bereiche der Kontaktierungsschicht unterscheidet. Hierdurch ist es möglich, selektiv in Verfahrensschritt C2 die amorphen Bereiche (und somit nicht in Verfahrensschritt C1 ausgebildeten Kristallisierungsbereichen) zu entfernen. Auf diese Weise ist das Ausbilden komplexer Kontaktierungsgeometrien für hocheffiziente Solarzellen kostengünstig im industriellen Maßstab möglich.
Durch das Einbringen von Wasserstoff zumindest in die Kontaktierungsschicht wird die Passivierungsgüte zusätzlich erhöht. Vorteilhafterweise wird Wasserstoff mit einem Anteil von zumindest 3 At% (Atomprozent) eingebracht.
Die Durchführung des Verfahrensschritts C1 in einer wasserstoffhaltigen Umgebung ermöglicht es zudem, dass in unaufwendiger Weise die zuvor genannte Erhöhung der Passivierungsgüte erzielt wird.
Vorteilhafterweise erfolgt die lokale Beaufschlagung mit Laserstrahlung derart, dass die kristallisierten Bereiche eine Austrittsarbeit größer 5 eV im Falle einer Dotierung des p-Typs und eine Austrittsarbeit kleiner 4,5 eV im Falle einer Dotierung des n-Typs aufweisen. Die D_it (interface defect density) ist in den kristallisierten Bereichen bevorzugt kleiner 10¹² cm^-2 eV^-1.
Vorteilhafterweise wird in Verfahrensschritt C1 eine gepulste Laserstrahlung verwendet. Gepulste Laserstrahlung weist den Vorteil auf, dass ein gezielter Eintrag einer gewünschten Energiemenge zum lokalen Aufschmelzen mit gegenüber lichtgepulster Laserstrahlung höherer Genauigkeit möglich ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, Laserstrahlung mit einer Pulslänge im Bereich 1 ns bis 1000 ns, bevorzugt 5 ns bis 100 ns und/oder mit einer Fluenz im Bereich 0,01 J/cm² bis 2 J/cm², bevorzugt im Bereich 0,05 J/cm² bis 1 J/cm² zu verwenden.
Vorteilhafterweise wird in Verfahrensschritt C1 Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich 180 nm bis 2000 nm, bevorzugt 190 nm bis 1100 nm, insbesondere bevorzugt von 190 nm bis 370 nm, verwendet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil besonders oberflächennaher Absorption und das Verfahren ist somit für das unterliegende Substrat schonender.
Alternativ oder zusätzlich ist es vorteilhaft, dass zwischen den Verfahrensschritten C und D eine wasserstoffhaltige Schicht, bevorzugt eine Schicht aus der Gruppe SiNx:H, SiOx:H, SiCx:H, AIOx:H, ZnO oder eine Kombination solcher Schichten, auf die Kontaktierungsschicht aufgebracht wird. Hierdurch wird alternativ oder zusätzlich die Passivierungsgüte erhöht.
Ebenso ist es alternativ oder zusätzlich vorteilhaft, dass in Verfahrensschritt E die Kontaktierungsschicht Wasserstoff enthaltend aufgebracht wird, insbesondere mit einer Wasserstoffkonzentration im Bereich 3 At% bis 15 At%. Auch hierdurch wird die Passivierungsgüte erhöht.
Die Zwischenschicht ist vorteilhafterweise als Oxidschicht, insbesondere als Siliziumoxidschicht oder Aluminiumoxidschicht ausgebildet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auf an sich bekannte und bereits industriell eingesetzte Verfahren zum Aufbringen solch einer Schicht zurückgegriffen werden kann.
Das Entfernen der amorphen Bereiche der Kontaktierungsschicht, welche nicht von Kristallisierungsbereichen bedeckt sind gemäß Verfahrensschritt C2 kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird in Verfahrensschritt C2 ein Ätzverfahren angewandt, welches eine höhere Ätzrate bei amorphem Silizium als bei kristallinem Silizium aufweist, insbesondere ein Plasma-Ätzverfahren. Ein selektives Ätzverfahren stellt in einer bevorzugten Ausführungsform ein Wasserstoffplasma dar, wobei Wasserstoffradikale beispielsweise effektiv bei einer Anregung von 144 MHz erzeugt werden und bevorzugt a-Si ggü. c-Si ätzen (siehe OTOBE, Masanori, KIMURA, Masao, ODA, Shunri: Selective etching of hydrogenated amorphous silicon by hydrogen plasma. In: Japanese Journal of Applied Physics (JJAP), 1994, 33, 7S, S. 4442-4445.).
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen den Verfahrensschritten C und C2 eine Oxidschicht lokal auf den Kristallisierungsbereich der Kontaktierungsschicht aufgebracht. Die Oxidschicht befindet sich somit zwischen dem Kristallisierungsbereich und der in Verfahrensschritt D aufgebrachten Metallschicht. Insbesondere begünstigt die Oxidschicht jedoch in Verfahrensschritt C2, das heißt vor Aufbringen der Metallschicht, das Entfernen der amorphen Bereiche, welche nicht von Kristallisierungsbereichen und somit auch nicht von der zuvor beschriebenen lokal aufgebrachten Oxidschicht bedeckt sind. Hierdurch erhöht sich die Anzahl der anwendbaren Methoden zum selektiven Entfernen der amorphen Bereiche, da die nicht zu entfernenden Bereiche zusätzlich durch die Oxidschicht geschützt sind. Vorteilhafterweise erfolgt das lokale Aufbringen der Oxidschicht mittels einer separaten Beaufschlagung des Kristallisierungsbereichs mittels Laserstrahlung, so dass bevorzugt eine zweimalige Beaufschlagung mit Laserstrahlung erfolgt, zunächst zum lokalen Aufschmelzen und Rekristallisieren wie zuvor beschrieben und anschließend, bevorzugt mit unterschiedlichen Laserparametern, insbesondere zumindest einem unterschiedlichen Parameter der Gruppe Laserleistung, Wellenlänge der Laserstrahlung, Fluenz, Pulsenergie, Pulsdauer, zur lokalen Ausbildung der Oxidschicht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen den Verfahrensschritten C und C2 eine Oxidschicht aufgebracht, welche in den Kristallisierungsbereichen der Kontaktierungsschicht eine größere Dicke aufweist als in den amorphen Bereichen der Kontaktierungsschicht. Hierdurch können in Verfahrensschritt C2 Methoden zur Entfernung, insbesondere Ätzverfahren, angewandt werden, welche auch eine Oxidschicht abtragen. Aufgrund der geringeren Dicke der Oxidschicht in den nicht von Kristallisierungsbereichen bedeckten amorphen Bereichen der Kontaktierungsschicht wird die Oxidschicht in diesen Bereichen somit zuerst entfernt, sodass ein selektives Entfernen ermöglicht wird.
Insbesondere ist es vorteilhaft, dass in Verfahrensschritt C2 ein Abätzen der Oxidschicht erfolgt, sodass die Oxidschicht nur in den amorphen Bereichen der Kontaktierungsschicht entfernt wird. Auf diese Weise wird somit ein Zwischenzustand erzielt, in welchem nur die Kristallisierungsbereiche mit der Oxidschicht bedeckt sind, sodass anschließend selektiv ein Entfernen der amorphen Bereiche mit Methoden durchgeführt werden kann, welche die mit der Oxidschicht bedeckten Bereiche nicht nur geringfügig abtragen, beispielsweise wie zuvor beschrieben.
Die Kontaktierungsschicht wird bevorzugt mit einer Dotierung mit dem Dotierungstyp der Basisdotierung der photovoltaischen Solarzelle ausgebildet und die Metallschicht ist dementsprechend zur elektrischen Kontaktierung der Basis ausgebildet. Das Verfahren ist somit insbesondere zur Kontaktierung der Basis der photovoltaischen Solarzelle mittels einer metallischen Kontaktierungsstruktur geeignet.
Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, eine metallische Kontaktierungsstruktur zur Kontaktierung eines Emitters der photovoltaischen Solarzelle auszubilden: In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Siliziumsubstrat an der der Zwischenschicht zugewandten Oberfläche mit einer Emitterdotierung mit einem zu der Basisdotierung entgegengesetzten Dotierungstyp ausgebildet. Die Kontaktierungsschicht ist mit einer Dotierung mit dem Dotierungstyp des Emitters ausgebildet und die Metallschicht wird zur elektrischen Kontaktierung des Emitters ausgebildet.
Insbesondere liegt es im Rahmen der Erfindung, dass das Siliziumsubstrat an der der Zwischenschicht zugewandten Oberfläche sowohl zumindest einen Bereich mit Basisdotierung, als auch zumindest einen Bereich mit Emitterdotierung aufweist. Entsprechend werden zumindest zwei metallische Kontaktierungsstrukturen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet, um eine einseitige Kontaktierung sowohl des Emitters, als auch der Basis der photovoltaischen Solarzelle zu ermöglichen, wie an sich bei sogenannten rückseitenkontaktierten Solarzellen oder beidseitig beleuchtbaren Solarzellen (bifacial solar cells) bekannt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen den Verfahrensschritten C und D eine elektrische Passivierungsschicht, insbesondere eine Siliziumoxidschicht und/oder eine Siliziumnitridschicht mittelbar zumindest auf die amorphen Bereiche der Kontaktierungsschicht aufgebracht. Hierdurch wird eine elektrische Passivierung dieser Bereiche erzielt.
Die Kristallisierungsbereiche weisen bevorzugt eine längliche Erstreckung, insbesondere eine geradlinige, bevorzugt rechteckige längliche Erstreckung auf. Die Breite eines Kristallisierungsbereiches liegt bevorzugt im Bereich 0,2 µm bis 800 µm, die Länge eines Kristallisierungsbereiches liegt bevorzugt im Bereich 1 mm bis 50 cm.
Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausgestaltungen werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:

1 einzelne Verfahrensschritte von zwei Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Figuren zeigen schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellungen. Gleiche Bezugszeichen wie in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
In 1 sind in mehreren Teilbildern Schnittdarstellungen einer Halbleiterstruktur zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle dargestellt. Zur besseren Übersichtlichkeit ist lediglich ein Teilausschnitt der Halbleiterstruktur mit einem Kontaktierungsbereich gezeigt.
In einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem Verfahrensschritt A ein Siliziumsubstrat 1 bereitgestellt. Das Siliziumsubstrat weist vorliegend eine Basisdotierung des n-Dotierungstyps auf. An der in 1 obenliegenden Vorderseite des Siliziumsubstrats 1 ist ein Emitter mit dem entgegengesetzten p-Dotierungstyp mittels Diffusion von Dotieratomen ausgebildet.
In einem Verfahrensschritt B wird eine undotierte Zwischenschicht 2, welche vorliegend als Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von 5 nm ausgebildet ist, aufgebracht.
In einem Verfahrensschritt C erfolgt ein Aufbringen einer dotierten, amorphen Siliziumschicht 3. Die amorphe Siliziumschicht 3 weist eine Dicke von 50 nm auf und weist den Dotierungstyp des Emitters, vorliegend eine p-Dotierung, auf. Die amorphe Siliziumschicht dient als Kontaktierungsschicht 3, wie nachfolgend erläutert.
In einem Verfahrensschritt C1 wird die Kontaktierungsschicht 3 lokal mit Laserstrahlung beaufschlagt, sodass lokal ein Aufschmelzen und Kristallisieren der Kontaktierungsschicht zumindest an der der Zwischenschicht abgewandten Oberfläche der Kontaktierungsschicht erfolgt. Dieser Verfahrensstand ist in 1a) dargestellt, wobei ein Laserstrahl L als Pfeil skizziert ist.
Nach Kristallisieren des lokal aufgeschmolzenen Bereiches der Kontaktierungsschicht 3 ergibt sich ein Zustand gemäß 1b1). Die Kontaktierungsschicht 3 weist amorphe Bereiche auf, welche nicht mittels Laserstrahlung beaufschlagt wurden. Diese sind in 1b1) als „a-Si“ gekennzeichnet. Die mittels Laserstrahlung aufgeschmolzenen Bereiche weisen nach Kristallisieren eine polykristalline Struktur auf und stellen somit Kristallisierungsbereiche dar. Ein solcher Kristallisierungsbereich Bereich ist entsprechend in 1b1) mit „p-Si“ gekennzeichnet.
Vorliegend wurde gepulste Laserstrahlung mit der Wellenlänge 355 nm, einer Pulslänge 20ns und einer Pulsenergiedichte von 0,3 J/cm² verwendet.
In einem Verfahrensschritt C2 werden die amorphen Bereiche der Kontaktierungsschicht 3, welche nicht von Kristallisierungsbereichen bedeckt sind, entfernt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt dies in einem Ätzverfahren mittels Wasserstoffplasma (wie weiter oben beschrieben), welches eine deutlich höhere Ätzrate von amorphem Silizium gegenüber polykristallinem Silizium aufweist. In Verfahrensschritt C2 werden somit die polykristallinen Bereiche als Maskierung verwendet, um ein selektives Entfernen der amorphen Bereiche der Kontaktierungsschicht 3 zu ermöglichen.
Das Ergebnis ist in 1 c1) dargestellt: Auf der Zwischenschicht 2 verbleiben lediglich die polykristallinen Bereiche der Kontaktierungsschicht 3.
In einem Verfahrensschritt D erfolgt ein Aufbringen einer Metallschicht 4 auf die dem Siliziumsubstrat 1 abgewandte Seite der Kontaktierungsschicht 3. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde hierbei zuvor ganzflächig auf der Vorderseite der Halbleiterstruktur eine Passivierungsschicht 5 aufgebracht, welche vorliegend als Siliziumnitridschicht ausgebildet ist. Entsprechend wird im Verfahrensschritt D vorliegend mittels Siebdruck eine Paste auf die durch die Passivierungsschicht 5 bedeckte Kontaktierungsschicht 3 aufgebracht. Die Paste enthält in an sich bekannter Weise Metallpartikel und Glasfritte, sodass in einem nachfolgenden Temperaturschritt die Metallschicht 4 die Passivierungsschicht 5 durchdringt und einen elektrisch leitenden Kontakt mit der Kontaktierungsschicht 3 ausbildet.
Dieser Zustand ist in 1 d1) dargestellt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels wird zwischen den Verfahrensschritten gemäß der Darstellungen b1 und c1 in 1 zusätzlich mittels Laserstrahlung lokal im Bereich der polykristallinen Kontaktierungsschicht 3 eine als Siliziumoxidschicht ausgebildete Schutzschicht 6 erzeugt. Vorliegend wird mittels Laserstrahlung einer Wellenlänge von 355nm, einer Pulsdauer von 20ns, 20 Pulswiederholungen und einer Pulsenergiedichte von 0,4 J/cm² die Oberfläche der polykristallinen Kontaktierungsschicht 3 beaufschlagt, sodass eine Siliziumoxidschicht mit einer Dicke im Bereich 0,5 nm bis 5 nm, vorliegend etwa 3 nm als Schutzschicht 6 entsteht. Diese dient als zusätzliche Maske für die nachfolgenden Schritte zum Entfernen der amorphen Bereiche der Kontaktierungsschicht 3. In dieser Abwandlung des Ausführungsbeispiels werden die amorphen Bereiche mittels TMAH (ggf. auch KOH), welches stark bevorzugt Silicium ggü. SiO₂ ätzt (Ätzrate von SiO₂: 0,05 - 0,45 nm/min (siehe TETZLAFF, Dominic [et al.]: Introducing pinhole magnification by selective etching: application to poly-Si on ultra-thin silicon oxide films. In: Energy Procedia, Vol. 124, 2017, 435-440.), entfernt.
Vorteilhafterweise wird wie in dem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt, die Kontaktierungsschicht 3 in dem durch die Laserstrahlung beaufschlagten Gebiet vollständig oder zumindest nahezu vollständig in eine polykristalline Schicht gewandelt.
Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass nur ein Teilbereich, insbesondere nur ein oberflächennaher Teilbereich, mittels Laserstrahlung in einen polykristallinen Bereich gewandelt wird und somit zwischen dem polykristallinen Bereich und der Zwischenschicht 2 ein amorpher Bereich verbleibt. Auch in diesem Fall dient der polykristalline Bereich als Maske, um selektiv die amorphen, nicht von einem Kristallisierungsbereich bedeckten Bereiche, zu entfernen.
Eine solche Abwandlung ist in 1 in den Teilbildern b2, c2 und d2 gezeigt. Diese Verfahrensschritte entsprechen im Wesentlichen den Verfahrensschritten gemäß der Bilder b1, c1 und d1. Sie unterscheiden sich lediglich dadurch, dass in der Kontaktierungsschicht 3 mittels Laserstrahlung ein oberflächennaher, polykristalliner Siliziumbereich 3a erzeugt wurde und zwischen diesem Bereich und der Zwischenschicht 2 ein amorpher Bereich 3b verbleibt. Entsprechend werden lediglich die amorphen Bereich 3c der Kontaktierungsschicht 3 entfernt, welche nicht durch einen polykristallinen Bereich 3a bedeckt sind. Der durch den polykristallinen Bereich 3a bedeckte amorphe Bereich 3b wird hingegen nicht entfernt.
Bezugszeichenliste

1: Siliziumsubstrat
2: Zwischenschicht
3: Kontaktierungsschicht
3a: polykristalliner Bereich
3b: amorpher Bereich
3c: amorpher Bereich
4: Metallschicht
5: Passivierungsschicht
6: Schutzschicht
L: Laserstrahl

Claims

Verfahren zur Herstellung einer metallischen Kontaktierungsstruktur einer photovoltaischen Solarzelle mit den Verfahrensschritten A. Bereitstellen eines Siliziumsubstrats mit zumindest einer Basisdotierung; B. Aufbringen einer Zwischenschicht (2) mit einer Dicke im Bereich 0,5 nm bis 10 nm mittelbar oder unmittelbar auf das Siliziumsubstrat (1); C. Aufbringen einer dotierten, amorphen Siliziumschicht mit einer Dicke im Bereich 10 nm bis 300 nm als Kontaktierungsschicht (3) mittelbar oder unmittelbar auf die dem Siliziumsubstrat (1) abgewandte Seite der Zwischenschicht (2); D. Aufbringen einer Metallschicht (4) mittelbar oder unmittelbar auf die dem Siliziumsubstrat (1) abgewandte Seite der Kontaktierungsschicht (3) und Ausbilden eines elektrischen Kontakts zwischen Metallschicht (4) und Kontaktierungsschicht (3); wobei zwischen den Verfahrensschritten C und D ein Strukturieren der Kontaktierungsschicht (3) erfolgt, wobei in einem Verfahrensschritt C1 die Kontaktierungsschicht (3) lokal mit Laserstrahlung beaufschlagt wird, so dass lokal ein Kristallisieren der Kontaktierungsschicht (3) zumindest an der der Zwischenschicht (2) abgewandten Oberfläche der Kontaktierungsschicht (3) in einem oder mehreren Kristallisierungsbereichen erfolgt und in einem Verfahrensschritt C2 die amorphen Bereiche der Kontaktierungsschicht (3), welche nicht von Kristallisierungsbereichen bedeckt sind, entfernt werden, wobei die in Verfahrensschritt C1 erzeugten Kristallisierungsbereiche der Kontaktierungsschicht (3) als Maske verwendet werden, wobei zur zumindest lokalen elektrischen Passivierung Wasserstoff zumindest in die Kontaktierungsschicht (3) eingebracht wird, zumindest in den Bereichen, welche in Verfahrensschritt C2 nicht entfernt werden, und wobei Verfahrensschritt C1 in einer wasserstoffhaltigen Umgebung durchgeführt wird, um Wasserstoff in die Kontaktierungsschicht (3) zumindest in den mit Laserstrahlung beaufschlagten Bereichen einzubringen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt C1 gepulste Laserstrahlung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt C1 Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich 180 nm bis 2000 nm verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Verfahrensschritten C und D eine wasserstoffhaltige Schicht auf die Kontaktierungsschicht (3) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als wasserstoffhaltige Schicht eine Schicht aus der Gruppe SiNx:H, SiOx:H, SiCx:H, AIOx:H, ZnO oder eine Kombination solcher Schichten aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B die Kontaktierungsschicht (3) Wasserstoff enthaltend aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (2) als Oxidschicht ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt C2 ein Ätzverfahren angewandt wird, welches eine höhere Ätzrate bei amorphem Silizium als bei kristallinem Silizium aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Verfahrensschritten C und C2 eine Oxidschicht lokal auf den Kristallisierungsbereichen der Kontaktierungsschicht (3) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Verfahrensschritten C und C2 eine Oxidschicht aufgebracht wird, welche in den Kristallisierungsbereichen der Kontaktierungsschicht (3) eine größere Dicke aufweist als in den amorphen Bereichen der Kontaktierungsschicht (3).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt C2 ein Abätzen der Oxidschicht erfolgt, so dass die Oxidschicht nur in den amorphen Bereichen der Kontaktierungsschicht (3) entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsschicht (3) mit einer Dotierung mit dem Dotierungstyp der Basisdotierung ausgebildet wird und die Metallschicht (4) zur elektrischen Kontaktierung der Basis ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliziumsubstrat (1) an der der Zwischenschicht (2) zugewandten Oberfläche mit einer Emitterdotierung mit einem zu der Basisdotierung entgegengesetzten Dotierungstyp ausgebildet wird, die Kontaktierungsschicht (3) mit einer Dotierung mit dem Dotierungstyp des Emitters ausgebildet wird und die Metallschicht (4) zur elektrischen Kontaktierung des Emitters ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Verfahrensschritten C und D eine elektrische Passivierungsschicht (5) mittelbar oder unmittelbar zumindest auf die amorphen Bereiche der Kontaktierungsschicht (3) aufgebracht wird.