DE102022130052A1

DE102022130052A1 - Solarzelle mit einer eine Siliziumkarbidschicht umfassenden Frontkontaktstruktur und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102022130052A1
Application number: DE102022130052.8A
Authority: DE
Inventors: Robby Peibst; Tobias Wietler; Jan Schmidt; Henning Schulte-Huxel; Rolf Brendel
Original assignee: Institut fuer Solarenergieforschung GmbH
Current assignee: Institut fuer Solarenergieforschung GmbH
Priority date: 2022-11-14
Filing date: 2022-11-14
Publication date: 2024-05-16
Also published as: WO2024104976A1

Abstract

Es werden eine Solarzelle (1) und ein Verfahren zu deren Fertigung beschrieben. Die Solarzelle weist auf:eine Absorberschicht (3) aus kristallinem Silizium,einen Frontseitenschichtenstapel (5) zumindest aufweisend eine Siliziumoxid-haltige Frontseiten-Passivierungsschicht (13) und eine Siliziumkarbidschicht (15),einen Rückseitenschichtenstapel (7) zumindest aufweisend eine Siliziumoxid-haltige Rückseiten-Passivierungsschicht (19) und eine Emitterschicht (21) aus Silizium,eine Frontseitenkontaktierung (9) mit einem Metallgrid (27) mit mehreren länglichen Metallfingern (29), undeine Rückseitenkontaktierung (11).Die Frontseiten-Passivierungsschicht grenzt direkt an eine frontseitige Oberfläche (17) der Absorberschicht an. Die Rückseiten-Passivierungsschicht grenzt direkt an eine rückseitige Oberfläche (23) der Absorberschicht an. Die Absorberschicht und die Siliziumkarbidschicht sind mit einem gleichen Dotierungstyp dotiert oder die Siliziumkarbidschicht (15) ist intrinsisch ausgebildet. Die Absorberschicht und die Emitterschicht sind mit entgegengesetzten Dotierungstypen dotiert. Die Frontseitenkontaktierung kontaktiert die Siliziumkarbidschicht (15) elektrisch und das Metallgrid (27) der Frontseitenkontaktierung (9) grenzt direkt an die Siliziumkarbidschicht (15) an. Die Rückseitenkontaktierung (11) kontaktiert die Emitterschicht (21) elektrisch.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzelle sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Solarzellen dienen dazu, Licht, wie es insbesondere von der Sonne eingestrahlt wird, in elektrische Energie umzuwandeln. Solche Solarzellen werden auch als Photovoltaikzellen bezeichnet.
Solarzellen umfassen im Allgemeinen einen Absorber, welcher auch als Basis bezeichnet wird, sowie einen Emitter. Sowohl der Absorber als auch der Emitter bestehen im Regelfall aus einem halbleitenden Material, welches zumindest bereichsweise unterschiedliche Leitfähigkeiten für Elektronen und Löcher aufweist, um es n-leitend oder p-leitend auszubilden. Typischer Weise wird die Asymmetrie in den Leitfähigkeiten durch das Einbringen von Dotierstoffen realisiert, die um viele Größenordnungen unterschiedliche Ladungsträgerkonzentration bedingen. In dem Absorber einerseits und in dem Emitter andererseits ist das halbleitende Material hierbei unterschiedlich dotiert, d.h. mit unterschiedlichen Dotierungsstoffen und/oder mit unterschiedlichen Dotierungskonzentrationen dotiert, wobei der Absorber und der Emitter meist derart dotiert werden, dass in ihnen entgegengesetzte Leitungstypen vorherrschen. Aufgrund der lokal unterschiedlichen Leitfähigkeiten können durch Licht erzeugte Ladungsträgerpaare räumlich getrennt aus dem Absorber extrahiert werden und über elektrische Kontaktierungen, welche den Absorber einerseits und den Emitter andererseits kontaktieren, abgeleitet und einem externen Schaltkreis zugeführt werden.
Ein generelles Bestreben ist es hierbei, Solarzellen mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad wirtschaftlich, d.h. bei möglichst geringen Kosten, herstellen zu können. In den vergangenen Jahrzehnten wurden Solarzellenkonzepte immer weiter entwickelt und dabei ermöglicht, dass heutzutage Solarzellenwirkungsgrade von deutlich über 22% industriell herstellbar sind und gleichzeitig die damit einhergehenden Kosten sich im Laufe der Zeit stark reduzieren ließen.
Der Wirkungsgrad von Solarzellen wird hierbei von sehr vielen Faktoren beeinflusst. Dazu zählen beispielsweise die Eigenschaften von zur Bildung des Absorbers und des Emitters verwendeten Halbleitermaterialien, Eigenschaften von zur Bildung von zusätzlichen Schichten (beispielsweise passivierend wirkenden Schichten, elektrisch leitend wirkenden Schichten, Antireflexschichten, etc.) verwendeten dielektrischen oder elektrisch leitfähigen Materialien, eine geometrische Ausbildung verschiedener Bereiche innerhalb der Solarzelle beispielsweise durch verschieden dicke Schichten und/oder sich an verschiedenen Stellen lokal erstreckende Schichten, etc.
Eine Variationsmöglichkeit beispielsweise bei einer zur Bildung einer Solarzelle eingesetzten Schichtenfolge ist hierbei extrem hoch, sodass eine Auswahl einer konkreten Schichtenfolge bzw. Herstellungssequenz zum Implementieren eines neuen Solarzellenkonzepts sich als äußerst anspruchsvolle und komplexe Aufgabe herausgestellt hat. Zudem steht die Zielsetzung eines möglichst hohen Wirkungsgrades meist im Widerspruch zu der Zielsetzung einer möglichst kostengünstigen Implementierbarkeit des Solarzellenkonzepts. Beispielsweise können theoretische Überlegungen, Computermodellierungen und/oder Versuche im Labormaßstab darauf hindeuten, dass ein Solarzellenkonzept sehr hohe Wirkungsgrade ermöglicht, eine Implementierung des Solarzellenkonzepts aber beispielsweise eine Verwendung teurer Materialien, eine Verwendung teurer Maschinen, einen hohen Arbeitsaufwand und/oder einen hohen Energieaufwand, etc. erfordern, sodass die Implementierung für eine wirtschaftliche Umsetzung nicht infrage kommt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG UND VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es kann daher ein Bedürfnis an einem neuartigen Solarzellenkonzept und einem neuartigen Verfahren zum Herstellen von Solarzellen bestehen, welche hohe Wirkungsgrade bei geringen Herstellungskosten ermöglichen.
Die genannten Bedürfnisse können zumindest teilweise mit dem Gegenstand eines der unabhängigen Ansprüche der vorliegenden Anmeldung erfüllt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Solarzelle beschrieben. Die Solarzelle umfasst eine Absorberschicht aus kristallinem Silizium, einen Frontseitenschichtenstapel zumindest aufweisend eine Siliziumoxid-haltige Frontseiten-Passivierungsschicht und eine Siliziumkarbidschicht, einen Rückseitenschichtenstapel zumindest aufweisend eine Siliziumoxid-haltige Rückseiten-Passivierungsschicht und eine Emitterschicht aus Silizium, eine Frontseitenkontaktierung mit einem Metallgrid mit mehreren länglichen Metallfingern und eine Rückseitenkontaktierung. Die Frontseiten-Passivierungsschicht grenzt direkt an eine frontseitige Oberfläche der Absorberschicht an. Die Rückseiten-Passivierungsschicht grenzt direkt an eine rückseitige Oberfläche der Absorberschicht an. Die Absorberschicht und die Siliziumkarbidschicht sind mit einem gleichen Dotierungstyp dotiert. Die Absorberschicht und die Emitterschicht sind mit entgegengesetzten Dotierungstypen dotiert. Alternativ kann die Siliziumkarbidschicht intrinsisch ausgebildet sein. Die Frontseitenkontaktierung kontaktiert die Siliziumkarbidschicht elektrisch, wobei das Metallgrid der Frontseitenkontaktierung direkt an die Siliziumkarbidschicht angrenzt. Die Rückseitenkontaktierung kontaktiert die Emitterschicht elektrisch.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Fertigen einer Solarzelle beschrieben. Bei dem Verfahren wird ein Substrat aus kristallinem Silizium als Absorberschicht bereitgestellt, ein Frontseitenschichtenstapel zumindest aufweisend eine Siliziumoxid-haltige Frontseiten-Passivierungsschicht und eine Siliziumkarbidschicht erzeugt, ein Rückseitenschichtenstapel zumindest aufweisend eine Siliziumoxid-haltige Rückseiten-Passivierungsschicht und eine Emitterschicht aus Silizium erzeugt, eine Frontseitenkontaktierung mit einem Metallgrid mit mehreren länglichen Metallfingern erzeugt und eine Rückseitenkontaktierung erzeugt. Die genannten Verfahrensschritte können dabei in der angegebenen oder in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden. Die verschiedenen Schichten und Kontaktierungen werden hierbei mit den Eigenschaften, wie sie für die Solarzelle gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung definiert sind, erzeugt.
Einleitend soll eine Grundidee zu Ausführungsformen der hierin beschriebenen Erfindung kurz erläutert werden, wobei diese Erläuterung als lediglich grob zusammenfassend und die Erfindung nicht einschränkend auszulegen ist:

Die vorliegende Erfindung beschreibt insbesondere ein neuartiges Solarzellenkonzept, bei dem an einer Frontseite einer Silizium-Absorberschicht ein spezieller Frontseitenschichtenstapel angelagert wird, der eine die Absorberschicht kontaktierende Siliziumoxid-haltige Frontseiten-Passivierungsschicht sowie eine Siliziumkarbidschicht aufweist, wobei die Siliziumkarbidschicht des Frontseitenschichtenstapels ihrerseits direkt von einem Metallgrid einer Frontseitenkontaktierung kontaktiert wird. Wie weiter unten detailliert erläutert, ermöglicht ein solcher frontseitiger Aufbau eine Mehrzahl von Vorteilen wie beispielsweise eine sehr gute frontseitige Oberflächenpassivierung der Absorberschicht und damit geringe Rekombinationsverluste, eine hohe optische Transmission bei gleichzeitig geringer optischer Reflexion und damit geringe optische Verluste, sowie geringe elektrische Serien- und Kontaktwiderstände und somit geringe elektrische Verluste. Der genannte Aufbau an der Frontseite der Absorberschicht wird kombiniert mit einem speziellen Aufbau an der Rückseite der Absorberschicht, indem dort ein spezieller Rückseitenschichtenstapel angelagert wird, der wiederum eine die Absorberschicht kontaktierende Siliziumoxid-haltige Rückseiten-Passivierungsschicht sowie eine Emitterschicht aus Silizium aufweist, wobei die Emitterschicht von einer Rückseitenkontaktierung elektrisch kontaktiert wird. Wie ebenfalls weiter unten detailliert erläutert, ermöglicht ein solcher rückseitiger Aufbau eine Mehrzahl von Vorteilen wie beispielsweise eine sehr gute rückseitige Oberflächenpassivierung der Absorberschicht, geringe elektrische Serien- und Kontaktwiderstände, etc. Der Aufbau an der Frontseite der Absorberschicht und der Aufbau an der Rückseite der Absorberschicht sind dabei in spezieller Weise dazu angepasst, synergetisch zusammenzuwirken und mehrere Vorteile für das gesamte Solarzellenkonzept zu bewirken. Insbesondere wurde erkannt, dass bei dem beschriebenen Aufbau der Frontseitenschichtenstapel und der Rückseitenschichtenstapel vorteilhaft mit industriell gut etablierten Front- und Rückseitenkontaktierungen in Form von beispielsweise siebgedruckten Kontakten kontaktiert werden kann. Bei dieser Technologie müssen die siebgedruckten Kontakte meist im Rahmen eines Hochtemperaturschrittes eingefeuert werden. Es wurde erkannt, dass insbesondere die Siliziumkarbidschicht in dem Frontseitenschichtenstapel einem solchen Hochtemperaturschritt gut standhalten kann, d.h. auch bei Einwirken hoher Temperaturen von beispielsweise über 500°C oder sogar über 700°C ihre positiven passivierenden, optischen und elektrischen Eigenschaften größtenteils bewahren kann. Dementsprechend wurde erkannt, dass eine Solarzelle gemäß dem Solarzellenkonzept, wie es hierin beschrieben wird, nicht nur sehr hohe Wirkungsgrade ermöglicht, sondern auch mit industriell gut verfügbaren und wirtschaftlich umsetzbaren Verfahrenstechniken hergestellt werden kann.

Nachfolgend werden mögliche Ausgestaltungen und Vorteile von Ausführungsformen der Solarzelle sowie eines Verfahrens zu deren Fertigung in genaueren Einzelheiten beschrieben:

Das hierin beschriebene Solarzellenkonzept strebt die Realisierung sehr hoher Wirkungsgrade, d.h. vorzugsweise mehr als 23 %, eventuell sogar mehr als 25 %, bei gleichzeitig möglicher wirtschaftlicher Herstellbarkeit im industriellen Maßstab an. Hierzu weisen Ausführungsformen der Solarzelle eine Vielzahl von nachfolgend detailliert beschriebenen Merkmalen auf, wobei es auf die Kombination dieser Merkmale ankommen kann, um gewünschte Synergie-Effekte zu erreichen.

Die Absorberschicht ist dazu konfiguriert, einen überwiegenden Anteil (d.h. beispielsweise mehr als 50 %, vorzugweise mehr als 85 % oder sogar mehr als 95 %) einer auf die Solarzelle einfallenden Lichtleistung zu absorbieren. Die Absorberschicht kann hierbei auch als Basis der Solarzelle bezeichnet werden. Die Absorberschicht kann eine Dicke von typischerweise mehr als 50 µm, meist mehr als 100 µm oder sogar mehr als 150 µm, aufweisen. Die Absorberschicht kann in Form eines Wafers ausgebildet sein. Die Absorberschicht besteht aus kristallinem Silizium. Zur Erzielung höchster Wirkungsgrade wird monokristallines Silizium für die Absorberschicht bevorzugt, prinzipiell könnte jedoch auch multikristallines oder polykristallines Silizium eingesetzt werden. Da bei dem beschriebenen Solarzellenkonzept Oberflächen der Absorberschicht sehr gut passiviert werden und somit dortige Rekombinationsverluste gering gehalten werden können, wird angestrebt, für die Absorberschicht qualitativ sehr hochwertiges Silizium, das heißt Silizium mit wenigen als Rekombinationszentren wirkenden Störstellen, einzusetzen, um auch im Volumen der Absorberschicht Rekombinationsverluste (das heißt bulk-Rekombination) gering halten und somit insgesamt für die Solarzelle hohe Wirkungsgrade bewirken zu können. Die Absorberschicht ist n-Typ-dotiert oder p-Typ-dotiert. Hierzu können Dotanden wie beispielsweise Phosphor zur Erreichung einer n-Typ-Dotierung bzw. Bor oder Gallium zur Erreichung einer p-Typ-Dotierung in das Silizium eingebracht, d.h. zum Beispiel eindiffundiert oder während eines Abscheidungsprozesses eingelagert, werden. Eine Dotierungskonzentration kann hierbei vorzugsweise größer als 1e13 cm^-3 (= Atome pro Kubikzentimeter), stärker bevorzugt größer als 1e14 cm^-3 gewählt werden. Hierdurch kann insbesondere, wie weiter unten detaillierter erläutert, eine hohe elektrische Leitfähigkeit innerhalb der Absorberschicht erreicht werden, die als hohe elektrische Querleitfähigkeit vorteilhaft bei dem beschriebenen Solarzellenkonzept wirken kann. Die Dotanden können hierbei vorzugsweise mit einer möglichst homogenen Dotierungskonzentrationsverteilung in dem Silizium aufgenommen sein.
An der im Einsatz zum einfallenden Licht hin gerichteten Frontseite weist die Absorberschicht den Frontseitenschichtenstapel auf. Der gesamte Frontseitenschichtenstapel ist hierbei wesentlich dünner als der Absorber, d.h. beispielsweise dünner als 1 µm oder meist sogar dünner als 0,1 µm. Der Frontseitenschichtenstapel umfasst wenigstens zwei Schichten, welche sich vorzugsweise im Wesentlichen ganzflächig (d.h. beispielsweise zu mehr als 90 %) überdecken. Jede einzelne Schicht kann hierbei homogen ausgebildet sein, d.h. eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke und/oder homogene Materialeigenschaften aufweisen. Der Frontseitenschichtenstapel ist hierbei dazu konfiguriert, zusammen mit der Frontseitenkontaktierung einen optisch höchst transparenten und gleichzeitig sehr gut passivierenden Frontkontakt mit guten elektrischen Leitungseigenschaften für die Solarzelle zu ermöglichen.
Hierzu weist der Frontseitenschichtenstapel eine Siliziumoxid-haltige Frontseiten-Passivierungsschicht und eine Siliziumkarbidschicht auf.
Die Frontseiten-Passivierungsschicht kann beispielsweise aus Siliziumdioxid (SiO₂) oder Siliziumoxynitrid (SiO_xN_y) oder einer Mischung derselben bestehen. Mit der Frontseiten-Passivierungsschicht grenzt der Frontseitenschichtenstapel direkt an die Absorberschicht an, das heißt die Absorberschicht und die Frontseiten-Passivierungsschicht haben eine gemeinsame Grenzfläche. Die Frontseiten-Passivierungsschicht ist hierbei mit einer sehr geringen Schichtdicke von beispielsweise weniger als 0,005 µm, vorzugsweise weniger als 0,002 µm ausgebildet. Aufgrund dieser geringen Schichtdicke können Ladungsträger aus der Absorberschicht durch die Frontseiten-Passivierungsschicht hindurch tunneln, weswegen die Frontseiten-Passivierungsschicht auch als Tunnelschicht bezeichnet werden kann. Ergänzend oder alternativ kann die Frontseiten-Passivierungsschicht in einer Weise ausgebildet werden, dass in ihr eine Vielzahl mikroskopischer Durchgangsöffnungen, welche auch als pin-holes bezeichnet werden, existieren, durch welche hindurch ebenfalls Ladungsträger aus der Absorberschicht in eine an die Frontseiten-Passivierungsschicht angrenzende weitere Schicht gelangen können.
Als „Siliziumkarbid“ (SiC) wird vorangehend und nachfolgend ein Halbleitermaterial bezeichnet, dessen Kohlenstoffanteil um weniger als 25 % von dem stöchiometrischen Wert von 50 % abweicht, d.h. bei dem der Kohlenstoffanteil zwischen 25 % und 75 % liegt. Theoretisch bzw. im Idealfall weist SiC ein Verhältnis von Kohlenstoff (C) zu Silizium (Si) von 1:1 auf. In der Praxis kann das Material, beispielsweise abhängig von zu dessen Herstellung eingesetzten Verfahren wie z.B. PECVD-Verfahren, einen gewissen Si-Überschuss oder C-Überschuss aufweisen, der bis zu 25 % ausmachen kann. Dieses Material weist eine im Vergleich zu Silizium größere Bandlücke von, je nach Anteil von amorpher zu kristalliner Phase und je nach Polytyp von letzterer, 1,55 eV - 3,2 eV auf. Dementsprechend kann die Siliziumkarbidschicht allenfalls sehr hochenergetisches Licht, beispielsweise Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 800 nm absorbieren, wirkt jedoch für weniger energiereiches Licht weitgehend transparent. Die Siliziumkarbidschicht kann hierbei derart ausgestaltet sein, dass ihre Transparenz beispielsweise bezogen auf ein standardisiertes AM1.5-Sonnenspektrum höher als 90 %, vorzugsweise höher als 95 % oder sogar höher als 98 % oder 99 % liegt. Ein Ausmaß der Transparenz der Siliziumkarbidschicht kann hierbei durch eine Art und Weise, wie diese erzeugt wird und insbesondere mit welchen kristallinen Eigenschaften diese generiert wird, beeinflusst werden. Die Siliziumkarbidschicht kann zur Erreichung von p-Typ-leitenden oder n-Typ-leitenden Eigenschaften dotiert sein. Der in der Siliziumkarbidschicht eingesetzte Dotierungstyp sollte dabei mit dem in der Absorberschicht eingesetzten Dotierungstyp übereinstimmen, d.h. die Absorberschicht und die Siliziumkarbidschicht sollten entweder beide p-Typ-leitend oder beide n-Typ-leitend sein. Eine Dotierungskonzentration innerhalb der Siliziumkarbidschicht kann hierbei in einem Bereich von typischerweise 1e17 - 1 e21 cm^-3 liegen. Die Siliziumkarbidschicht kann insgesamt mit einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit ausgebildet sein, um von der Absorberschicht kommende Ladungsträger mit zu vernachlässigenden Widerstandsverlusten bis zu der Frontkontaktierung weiterleiten zu können. Alternativ kann die Siliziumkarbidschicht intrinsisch ausgebildet sein.
Aufgrund ihrer hohen optischen Transparenz und ihrer gleichzeitig möglichen ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit kann die Siliziumkarbidschicht hervorragend zur Bildung eines transparenten Frontseitenkontakts für die Solarzelle geeignet sein. Um Abschattungsverluste zu minimieren, kann hierbei die Frontseitenkontaktierung mit einem Metallgrid aus mehreren länglichen Metallfingern ausgebildet sein. Die Metallfinger können sich entlang großer Bereiche der Oberfläche an der Solarzellenfrontseite erstrecken und dabei Längen von mehreren Zentimetern aufweisen. Allerdings sollten die Metallfinger möglichst dünn sein, d.h. eine Breite der Metallfinger sollte beispielsweise geringer als 100 µm, vorzugsweise geringer als 50 µm oder möglicherweise sogar geringer als 30 µm sein. Ein lateraler Abstand zwischen benachbarten Metallfingern kann größer als 0,5 mm oder vorzugweise größer als 1 mm sein. Eine Höhe der Metallfinger kann größer als 10 µm, vorzugsweise größer als 30 µm oder sogar größer als 50 µm sein. Die Metallfinger können mit einem elektrisch sehr gut leitfähigen Material wie beispielsweise Silber, Kupfer oder Aluminium ausgebildet sein, wobei insbesondere aus Kostengründen Aluminium bzw. eine aluminiumreiche Legierung bevorzugt sein kann. Eventuell kann das Metallgrid einen oder mehrere Busbars aufweisen, welche mehrere der Metallfinger elektrisch miteinander verbinden und auf welche beispielsweise Verbinder aufgelötet werden können, mithilfe derer benachbarte Solarzellen untereinander elektrisch verbunden werden können.
Bei dem beschriebenen Solarzellenkonzept kann hierbei das Metallgrid der Frontseitenkontaktierung direkt an die Siliziumkarbidschicht angrenzen. Insbesondere braucht unterhalb der Frontseitenkontaktierung keine weitere, verhältnismäßig gut elektrisch leitfähige Schicht wie beispielsweise eine Schicht aus transparentem leitfähigem Oxid (TCO - transparent conductive oxide) vorgesehen sein, wie sie bei manch anderen Solarzellenkonzepten dazu eingesetzt wird, um eine elektrische Querleitfähigkeit zu verbessern und dadurch elektrische Widerstandsverluste zu minimieren. Eine solche elektrische Querleitfähigkeit kann bei dem hierin beschriebenen Solarzellenkonzept insbesondere durch eine ausreichend hohe Dotierungskonzentration innerhalb der Absorberschicht, die dort durch das einfallende Licht erzeugten zusätzlichen Ladungsträger sowie durch geeignet gewählte Parameter innerhalb des Frontseitenschichtenstapels, insbesondere betreffend eine Schichtdicke sowie eine Dotierungskonzentration der Siliziumkarbidschicht, in ausreichendem Maße erreicht werden. Dementsprechend ermöglicht das beschriebene Solarzellenkonzept, auf eine zusätzliche elektrisch leitfähige und trotzdem transparente Schicht an der frontseitigen Oberfläche der Solarzelle zu verzichten und stattdessen mit dem Metallgrid der Frontseitenkontaktierung direkt die Siliziumkarbidschicht des Frontseitenschichtenstapels zu kontaktieren. Hierdurch können sowohl ein Fertigungsaufwand reduziert als auch etwaige Probleme bei einer Kontaktierung beispielsweise einer TCO-Schicht vermieden werden.
An der im Einsatz dem einfallenden Licht abgewandten Rückseite weist die Absorberschicht den Rückseitenschichtenstapel auf. Der gesamte Rückseitenschichtenstapel ist hierbei wesentlich dünner als der Absorber, d.h. beispielsweise dünner als 10 µm oder meist sogar dünner als 2 µm, oft in einem Schichtdickenbereich von 20 nm - 200 nm. Der Rückseitenschichtenstapel umfasst wenigstens zwei Schichten, welche sich vorzugsweise im Wesentlichen ganzflächig (d.h. beispielsweise zu mehr als 90 %) überdecken. Jede einzelne Schicht kann hierbei homogen ausgebildet sein, d.h. eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke und/oder homogene Materialeigenschaften aufweisen. Außerdem ist der Rückseitenschichtenstapel vorzugsweise dazu konfiguriert, die rückseitige Oberfläche der Absorberschicht sehr gut zu passivieren und gleichzeitig eine sehr effiziente elektrische Kontaktierung der Solarzelle an deren Rückseite zu ermöglichen.
Hierzu weist der Rückseitenschichtenstapel eine Siliziumoxid-haltige Rückseiten-Passivierungsschicht und eine Emitterschicht aus Silizium auf.
Die Rückseiten-Passivierungsschicht kann hierbei gleiche oder ähnliche Eigenschaften aufweisen wie die Frontseiten-Passivierungsschicht und direkt an die rückseitige Oberfläche der Absorberschicht angrenzen.
Die Emitterschicht weist im Regelfall eine entgegengesetzte Dotierung wie die Absorberschicht auf, um am Übergang zwischen beiden Schichten einen pn-Übergang zu erzeugen. Dadurch, dass die Emitterschicht und der mit ihr erzeugte pn-Übergang an der Rückseite der Solarzelle ausgebildet sind, kann das beschriebene Solarzellenkonzept auch als Rückseitenübergang-Solarzelle oder BJ-Solarzelle (back junction) bezeichnet werden. Die Emitterschicht wird hierbei von der Rückseitenkontaktierung elektrisch kontaktiert, um die dort selektiv extrahierten Ladungsträger ableiten zu können. Die Rückseitenkontaktierung kann hierzu ein Metallgrid oder eine Metallschicht umfassen. Vorzugsweise kontaktiert die Rückseitenkontaktierung die Emitterschicht direkt, d.h. ohne Zwischenlagerung anderer Schichten wie beispielsweise einer oberflächlichen, elektrisch leitfähigen Oxidschicht.
Die Emitterschicht soll aus Silizium bestehen. Da diese Schicht fast ausschließlich nur von einer Ladungsträgersorte erreicht wird (die jeweils andere wird an dem Grenzflächenoxid abgeblockt), findet dort unabhängig von der Defektdichte im Wesentlichen keine Rekombination statt. Daher kann eventuell auch weniger qualitatives Silizium wie beispielsweise amorphes, teil- bzw. polykristallines Silizium für die Emitterschicht eingesetzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird jedoch angestrebt, dass die Emitterschicht aus kristallinem Silizium besteht. Das Silizium kann hierbei vorzugsweise monokristallin, gegebenenfalls aber auch multikristallin oder polykristallin sein. Kristallines Silizium kann eine hohe Temperaturresistenz aufweisen, d.h., es kann bei hohen Temperaturen prozessiert werden, ohne dass sich seine elektronischen Eigenschaften signifikant verschlechtern. Diesbezüglich unterscheidet sich kristallines Silizium beispielsweise von amorphem Silizium, wie es zum Beispiel in Form von hydrogenisiertem amorphem Silizium (aSi:H) teilweise in Solarzellenkonzepten eingesetzt wird und welches beispielsweise bei Prozesstemperaturen oberhalb von 250°C oder sogar oberhalb von 500 °C hinsichtlich seiner elektronischen Eigenschaften oft signifikant degradiert. Es wurde erkannt, dass das hier vorgestellte Solarzellenkonzept besonders gut dafür geeignet ist, bei der Solarzellenfertigung Hochtemperaturschritte einzusetzen, beispielsweise zum Einfeuern von siebgedruckten Metallkontakten, und, dass in diesem Zusammenhang eine Bildung der Emitterschicht mit kristallinem Silizium stark vorteilhaft ist.
Gemäß einer Ausführungsform des zum Fertigen der Solarzelle vorgeschlagenen Verfahrens kann zumindest ein nach dem Erzeugen der Siliziumkarbidschicht durchgeführter Verfahrensschritt als Hochtemperaturschritt bei einer Temperatur von mehr als 500 °C, vorzugsweise mehr als 700 °C, durchgeführt werden. Dabei wirkt sich positiv aus, dass sowohl die Siliziumkarbidschicht als auch die anderen in der Solarzelle vorgesehenen Schichten ihre positiven physikalischen Eigenschaften wie beispielsweise ihre gute Oberflächenpassivierung auch nach Durchführung des Hochtemperaturschrittes behalten können.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Emitterschicht mit einer Dotierungskonzentration dotiert, die zu einem Schichtwiderstand der Emitterschicht von weniger als 500 Ohm/sq, vorzugsweise weniger als 250 Ohm/sq, 200 Ohm/sq, 150 Ohm/sq oder 100 Ohm/sq, führt. Anders ausgedrückt kann die Emitterschicht derart stark dotiert werden, dass in ihr ausreichend viele freie Ladungsträger existieren, um einen Schichtwiderstand derart gering zu halten, dass eine elektrische Querleitfähigkeit innerhalb der Emitterschicht ausreichend groß ist, um keinen signifikant negativ wirkenden Einfluss auf elektrische Widerstandsverluste innerhalb der Solarzelle zu nehmen.
Gemäß einer Ausführungsform kann dementsprechend die Rückseitenkontaktierung vorzugsweise direkt an die Emitterschicht angrenzen. Mit anderen Worten kann insbesondere bei einer Ausgestaltung der Emitterschicht mit einer ausreichend hohen elektrischen Querleitfähigkeit auf ein Zwischenlagern einer zusätzlichen elektrisch leitfähigen Schicht wie beispielsweise einer TCO-Schicht zwischen die Emitterschicht und die Rückseitenkontaktierung verzichtet werden. Hierdurch können eine Komplexität eines Herstellungsvorgangs und somit Herstellungskosten verringert werden.
Insbesondere kann, gemäß einer Ausführungsform, die Rückseitenkontaktierung mit einem Metallgrid mit mehreren länglichen Metallfingern ausgebildet sein. Die Rückseitenkontaktierung kann hierbei ähnlich wie die oben beschriebene Frontseitenkontaktierung ausgestaltet sein. Eine Kontaktfläche zwischen dem Metallgrid und dem Emitter kann im Vergleich zu einer Gesamtfläche des Emitters gering sein. Für den Fall, dass die Solarzelle als beidseitig Licht-sensitive (das heißt sogenannte bifaziale) Solarzelle ausgestaltet ist, können außerdem durch die Rückseitenkontaktierung bewirkte Abschattungsverluste geringgehalten werden. Trotzdem können insbesondere für den Fall, dass die Emitterschicht stark dotiert ist und somit eine hohe elektrische Querleitfähigkeit besitzt, übermäßige durch die Rückseitenkontaktierung bewirkte Serienwiderstände vermieden werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die Rückseitenkontaktierung mit einer vollflächigen Metallschicht ausgebildet sein. Anders ausgedrückt kann im Wesentlichen die gesamte Emitterschicht mit einer Metallschicht überdeckt werden, um diese elektrisch zu kontaktieren. Bei dieser Ausgestaltung kann auf eine hohe elektrische Querleitfähigkeit innerhalb der Emitterschicht weitgehend verzichtet werden, sodass diese nicht notwendigerweise stark dotiert werden braucht, oder, alternativ, sehr dünn ausgeführt werden kann. Außerdem kann die vollflächige Metallschicht als Rückseitenspiegel für die Solarzelle dienen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Frontseitenkontaktierung und/oder die Rückseitenkontaktierung mit gedruckten Kontakten, insbesondere mit Siebdruckkontakten, ausgebildet sein. Das Drucken von Metallkontakten durch Druckverfahren wie Siebdruck ist bei der Solarzellenfertigung ein häufig eingesetztes Verfahren. Dabei werden Kontaktstrukturen aus einer Metallpartikel-haltigen Paste durch ein entsprechend strukturiertes Sieb hindurch auf eine zu kontaktierende Substratoberfläche aufgedruckt. Anschließend wird die Paste zunächst getrocknet und dann in einem sogenannten Hochtemperatur-Feuerschritt bei hohen Temperaturen von typischerweise über 500 °C, oft über 700 °C, eingebrannt. Da die Siebdruckkontaktierung eine bereits seit langem im industriellen Maßstab erprobte Technologie ist und viele Vorteile bietet, wird generell angestrebt, beim Entwickeln neuartiger Solarzellenkonzepte diese Technologie einsetzen zu können. Bei dem hierin vorgestellten Solarzellenkonzept wurde erkannt, dass die Kombination der Eigenschaften der dabei eingesetzten mehreren Schichten besonders gut dazu geeignet ist, vorteilhafte elektrische und/oder optische Eigenschaften auch nach Durchführung eines Hochtemperaturschrittes zu erhalten. Dementsprechend eignet sich das beschriebene Solarzellenkonzept sehr gut für eine industrielle Umsetzung unter Verwendung von siebgedruckten Kontakten. Selbstverständlich ist in diesem Zusammenhang auch vorstellbar, die zur Bildung der Kontakte verwendeten Pasten mit anderen Drucktechnologien wie beispielsweise Rollendruck, Stempeldruck, Tintenstrahldruck, etc. abzuscheiden und anschließend einzubrennen.
Mit anderen Worten kann gemäß einer Ausführungsform des zum Fertigen der Solarzelle einsetzbaren Verfahrens die Frontseitenkontaktierung und/oder die Rückseitenkontaktierung durch Aufbringen einer Metallpartikel-haltigen Paste und anschließendes Feuern in einem Hochtemperaturschritt bei einer Temperatur von mehr als 500 °C, vorzugsweise mehr als 700 °C, erzeugt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Frontseitenkontaktierung und/oder die Rückseitenkontaktierung überwiegend aus Aluminium bestehen. Aluminium weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf und kann verhältnismäßig kostengünstig bereitgestellt werden. Desweiteren ist aus der Leistungselektronik bekannt, dass Aluminium bzw. auf Aluminium basierende Legierungen mit Zusätzen von Ni, Ti oder Co einen guten Kontakt zu Siliziumkarbid ermöglicht. Diese Materialien sind auch in ihrem Vorkommen nicht so stark begrenzt wie das sonst üblicherweise zur Solarzellenmetallisierung eingesetzte Silber.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Frontseitenschichtenstapel ergänzend eine dotierte Siliziumschicht aufweisen, welche zwischen der Siliziumoxid-haltigen Frontseiten-Passivierungsschicht und der Siliziumkarbidschicht angeordnet ist. Doppelschichten aus einer Siliziumoxid-haltigen Schicht und einer dotierten Siliziumschicht sind dafür bekannt, Oberflächen einer Silizium-Absorberschicht äußerst gut passivieren zu können. Insbesondere kann die Siliziumschicht einer solchen Doppelschicht einfacher, homogener und/oder höher dotiert werden, als dies beispielsweise für Siliziumkarbidschichten der Fall ist, wobei sich die Dotierung vorteilhaft auf die Passivierungseigenschaften des Frontseitenschichtenstapels auswirken kann. Bei dem hierin vorgestellten Solarzellenkonzept kann daher das zusätzliche Vorsehen einer dotierten Siliziumschicht direkt angrenzend an die Siliziumoxid-haltige Frontseiten-Passivierungsschicht für eine weiter verbesserte Oberflächenpassivierung der Absorberschicht sorgen. Die dotierte Siliziumschicht kann hierbei mit einem gleichen Dotierungstyp dotiert sein wie die Absorberschicht. Eine Dotierungskonzentration kann im Bereich von 1e17 cm^-3 (Atome pro Kubikzentimeter) bis 1e21 cm^-3 liegen. Die dotierte Siliziumschicht kann eine Schichtdicke von zwischen 2 nm und 40 nm aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Siliziumkarbidschicht mit einer Schichtdicke von zwischen 5 nm und 70 nm ausgebildet. Einerseits sollte die Siliziumkarbidschicht mit einer Mindestdicke von wenigstens 5 nm, vorzugsweise wenigstens 10 nm, ausgebildet sein, um sie beispielsweise zuverlässig mit der Frontseitenkontaktierung kontaktieren zu können. Bei einer zu dünnen Siliziumkarbidschicht kann ein Risiko bestehen, dass diese beim Erzeugen der Frontseitenkontaktierung beschädigt wird und beispielsweise eine durch die Frontseiten-Passivierungsschicht zu erzielende Oberflächenpassivierung hierdurch verschlechtert wird. Andererseits wurde erkannt, dass Siliziumkarbid relativ schwierig mit einer hohen Dotierungskonzentration ausgebildet werden kann und daher durch die Siliziumkarbidschicht eventuell erhebliche Serienwiderstandsverluste bewirkt werden können. Die Stärke der Serienwiderstandsverluste kann hierbei von einer Distanz abhängen, welche Ladungsträger zwischen der Absorberschicht und der Frontseitenkontaktierung überwinden müssen. Diese Distanz korreliert ihrerseits mit der Schichtdicke der Siliziumkarbidschicht. Dementsprechend kann es vorteilhaft sein, diese Schichtdicke kleiner als 70 nm, vorzugsweise kleiner als 60 nm, 50 nm, 40 nm, 30 nm oder sogar kleiner als 20 nm auszugestalten.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Frontseitenschichtenstapel ergänzend eine Antireflexschicht aufweisen, welche an einer der Frontseiten-Passivierungsschicht entgegengesetzten Seite der Siliziumkarbidschicht angeordnet ist. Eine solche Antireflexschicht besteht im Allgemeinen aus transparentem, dielektrischem Material wie beispielsweise Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Siliziumdioxid, etc. Dabei wird eine Schichtdicke der Antireflexschicht derart angepasst, dass es angesichts des materialspezifischen optischen Brechungsindexes des eingesetzten Materials zu Interferenzen bei Lichtanteilen, die an den entgegengesetzten Oberflächen der Antireflexschicht reflektiert werden, kommt und dadurch ein Anteil von reflektiertem Licht minimiert wird. Prinzipiell wirkt auch die Siliziumkarbidschicht aufgrund ihrer hohen optischen Transparenz wie eine Schicht aus dielektrische Material, sodass durch Anpassen der Schichtdicke der Siliziumkarbidschicht diese als Antireflexschicht ausgebildet werden könnte. Allerdings kann es hierfür nötig sein, die Siliziumkarbidschicht mit einer erheblichen Schichtdicke auszugestalten, wodurch wiederum, wie im vorausgehenden Absatz erläutert, Serienwiderstandsverluste provoziert werden können. Um dies zu vermeiden, kann diese Siliziumkarbidschicht lediglich dünn ausgebildet werden und darüber eine dickere, separate Antireflexschicht aufgebracht werden.
Dabei kann die Antireflexschicht in einer Weise aufgebracht werden, dass die Frontseitenkontaktierung durch die Antireflexschicht hindurch an die Siliziumkarbidschicht gelangen kann, oder die Antireflexschicht kann nachträglich, nachdem die Frontseitenkontaktierung erzeugt wurde, aufgebracht werden, wobei in beiden Fällen von der Antireflexschicht kein wesentlicher zusätzlicher Serienwiderstandsverlust bewirkt wird.
Insbesondere kann gemäß einer Ausführungsform des zur Herstellung der Solarzelle eingesetzten Verfahrens die Frontseitenkontaktierung nach dem Erzeugen der Antireflexschicht erzeugt werden und dabei zunächst auf der Antireflexschicht angelagert und anschließend mittels eines Hochtemperaturschritts bei einer Temperatur von mehr als 500 °C durch die Antireflexschicht hindurchgetrieben werden. In einer konkreten Ausgestaltung kann die Frontseitenkontaktierung beispielsweise durch Aufdrucken einer metallhaltigen Paste auf die Antireflexschicht und anschließendes Durchfeuern dieser Paste durch die Antireflexschicht hindurch erzeugt werden. Es wird in diesem Zusammenhang davon ausgegangen, dass beispielsweise herkömmliche Metallpartikel-haltige Siebdruckpasten in der Lage sind, Antireflexschichten beispielsweise aus Siliziumnitrid während eines Feuerschritts problemlos zu durchdringen und dann darunterliegende Schichten zu kontaktieren. Dabei wird weiterhin für wahrscheinlich erachtet, dass die auf diese Weise erzeugte Frontseitenkontaktierung zwar die Siliziumkarbidschicht erreicht und kontaktiert, diese aber nicht auch durchfeuert. Anders ausgedrückt wird angenommen, dass beim Feuern herkömmlicher Durchfeuerkontakte durch eine Antireflexschicht die Siliziumkarbidschicht intakt bleibt und nicht ihrerseits von den Siebdruckkontakten durchfeuert wird.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform des zur Herstellung der Solarzelle eingesetzten Verfahrens kann die Frontseitenkontaktierung zeitlich vor dem Erzeugen der Antireflexschicht erzeugt werden, wobei die Antireflexschicht nachfolgend in einem die Frontseitenkontaktierung überdeckenden Bereich lokal entfernt wird. In einem konkreten Beispiel kann die Frontseitenkontaktierung auf eine Oberfläche der Siliziumkarbidschicht aufgebracht werden, wobei hierfür wiederum Drucktechniken eingesetzt werden können, jedoch auch andere Metallisierungsverfahren zum Einsatz kommen können. Über diese Frontseitenkontaktierung wird dann die Antireflexschicht angelagert, beispielsweise durch PECVD-Abscheidung oder andere Abscheidungsverfahren. Da die Antireflexschicht hierbei schwierig in einer Weise abzuscheiden ist, bei der die Frontseitenkontaktierung nicht überdeckt wird, wird die Antireflexschicht vorzugsweise vollflächig aufgebracht. Die daraufhin überdeckte Frontseitenkontaktierung muss jedoch im Allgemeinen zumindest lokal von außen zugänglich sein, um sie elektrisch kontaktieren zu können, beispielsweise um benachbarte Solarzellen über Verbinder miteinander verschalten zu können. Dementsprechend kann die Antireflexschicht in einem nachfolgenden Schritt zumindest lokal in einem Bereich, in dem sie die Frontseitenkontaktierung überdeckt, teil- oder ganzflächig entfernt werden, sodass die Frontseitenkontaktierung lokal freigelegt wird und beispielsweise verlötet werden kann. Zum lokalen Entfernen der Antireflexschicht können verschiedene Methoden eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Antireflexschicht mithilfe eines Lasers zielgenau entfernt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Frontseiten-Passivierungsschicht und/oder die Siliziumkarbidschicht mittels eines PECVD-Verfahrens (auch als Plasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung bzw. Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition bezeichnet) abgeschieden sein. Eine durch ein PECVD-Verfahren abgeschiedene Frontseiten-Passivierungsschicht kann eine hohe Qualität aufweisen und damit eine sehr gute Oberflächenpassivierung der Absorberschicht bewirken. Auch die Siliziumkarbidschicht kann mittels PECVD in hoher Qualität abgeschieden werden, wobei direkt während der Abscheidung Dotierstoffe eingebracht werden können, um die Siliziumkarbidschicht in gewünschter Weise zu dotieren. Gegebenenfalls kann auch eine zusätzliche Antireflexschicht mithilfe von PECVD-Verfahren abgeschieden werden. PECVD-Verfahren werden für eine industrielle Fertigung von Solarzellen bereits seit langem eingesetzt und stellen eine gut etablierte Technologie dar, welche bevorzugt auch bei neuartigen Solarzellenkonzepten genutzt wird. Außerdem kann es vorteilhaft sein, mehrere Schichten, d.h. zum Beispiel die Frontseiten-Passivierungsschicht und die Siliziumkarbidschicht sowie eventuell die Antireflexschicht in einem gemeinsamen PECVD-Abscheidungsschritt bzw. einer einzigen Abscheidungsvorrichtung zu erzeugen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Frontseiten-Passivierungsschicht mittels thermischer und/oder nasschemischer Oxidation erzeugt sein. Bei thermischer Oxidation wird eine dünne Siliziumdioxidschicht erzeugt, indem ein Siliziumsubstrat in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre sehr hohen Temperaturen von meist über 600°C oder oft über 700 °C, über 850 °C oder sogar über 1000 °C ausgesetzt wird. Die thermische Oxidation kann hierbei trocken oder feucht, d.h. ohne oder mit Zugabe von Wasserdampf, durchgeführt werden. Mittels thermischer Oxidation können Siliziumdioxidschichten sehr hoher Qualität erzeugt werden, die für eine sehr gute Oberflächenpassivierung sorgen können. Ergänzend oder alternativ können Siliziumdioxidschichten durch nasschemische Oxidation erzeugt werden, indem ein Siliziumsubstrat einer Flüssigkeit mit oxidierend wirkenden Chemikalien wie beispielsweise Wasserstoffperoxid oder Ozon ausgesetzt wird. Auch hierdurch lassen sich qualitativ hochwertige Siliziumdioxidschichten erzeugen. Bei dem hierin vorgeschlagenen Solarzellenkonzept kann eine auf diese Weise erzeugte hochqualitative Frontseiten-Passivierungsschicht anschließend von der darüber abgeschiedenen Siliziumkarbidschicht geschützt werden und somit beispielsweise auch in nachfolgenden Prozessschritten, insbesondere in Hochtemperaturschritten, ihre guten Passivierungseigenschaften behalten. Die Siliziumkarbidschicht kann in diesem Fall unabhängig von der Frontseiten-Passivierungsschicht erzeugt werden, d.h. in einem separaten Verfahrensschritt, wobei beispielsweise Abscheidungstechniken wie PECVD-Abscheidung oder Sputtern eingesetzt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Siliziumkarbidschicht entlang ihrer lateralen Erstreckung mit einer homogenen Schichtdicke und/oder mit einer homogenen Dotierung ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann die Siliziumkarbidschicht überall an der Frontseite der Solarzelle eine gleiche Dicke aufweisen und braucht nicht mit lokal variierenden Schichtdicken erzeugt werden, wodurch beispielsweise eine Abscheidung einer solchen Siliziumkarbidschicht vereinfacht wird. Auch eine Dotierung, d.h. eine Dotierungskonzentration und eine Dotierungsverteilung, kann innerhalb der Siliziumkarbidschicht homogen sein, wodurch sich wiederum deren Erzeugung einfach gestalten lässt. Im Gegensatz hierzu kann es bei herkömmlichen Solarzellenkonzepten notwendig sein, eine frontseitige Emitterschicht oder eine frontseitige Passivierungsschicht mit lokal variierenden Schichtdicken und/oder Dotierungen auszugestalten, beispielsweise um einerseits eine widerstandsarme elektrische Kontaktierung und andererseits geringe Rekombinationsverluste zu ermöglichen (wobei dieses Konzept in Bezug auf eine Emitterschicht auch als „selektiver Emitter“ bekannt ist). Neben der einfachen Herstellbarkeit der homogenen Siliziumkarbidschicht kann diese auch einfach elektrisch zu kontaktieren sein, insbesondere da bei der Kontaktierung zum Beispiel nicht dickere und/oder höherdotierte Bereiche getroffen werden brauchen, sondern die Kontakte ohne besondere Anforderungen an deren Positionierung (d.h. ohne spezielles Alignment) auf der Siliziumkarbidschicht aufgebracht werden können.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Siliziumkarbidschicht kristallin, teilkristallin oder amorph ausgebildet sein. Unter einer kristallinen Ausbildung kann hierbei verstanden werden, dass Silizium- und Kohlenstoffatome innerhalb der Schicht in einer geordneten, kristallartigen Struktur angeordnet sind, wobei die Siliziumkarbidschicht monokristallin, multikristallin, polykristallin oder nanokristallin sein kann. Unter einer teilkristallinen Ausbildung kann verstanden werden, dass zumindest Teilbereiche der Schicht mit der geordneten, kristallartigen Struktur ausgebildet sind, wobei andere Teilbereiche ohne eine solche Struktur, das heißt amorph, ausgebildet sein können. Eine Art und ein Grad der kristallinen Ausbildung kann dabei bei der Erzeugung der Siliziumkarbidschicht von unterschiedlichen Faktoren beeinflusst werden, insbesondere von einer Abscheidungstemperatur, einer Substrattemperatur, einer Leistung innerhalb eines bei der Abscheidung erzeugten Plasmas, dem optionalen Durchführen einer nachträglichen Temperaturbehandlung (Anneal) und dabei herrschenden Temperaturen, etc. Es wurde beobachtet, dass physikalische Eigenschaften wie insbesondere eine optische Transparenz der Siliziumkarbidschicht mit der Art und dem Grad von deren Kristallinität abhängen, wobei eine höhere Kristallinität im Allgemeinen zu einer höheren Transparenz führt und somit zur Erzeugung eines transparenten elektrischen Kontakts für das vorgeschlagene Solarzellenkonzept vorteilhaft ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Vorteile und Ausgestaltungen von Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Solarzelle und teilweise mit Bezug auf ein Fertigungsverfahren für eine Solarzelle beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die beschriebenen Merkmale in geeigneter Weise übertragen, angepasst, ausgetauscht oder modifiziert werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.

1 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen Teilbereich einer Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 veranschaulicht eine mögliche Prozesssequenz für ein Verfahren zum Fertigen einer Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass die in den Figuren dargestellten Abmessungen nicht realitätsnah wiedergegeben sind, sondern lediglich Grundprinzipien veranschaulichen sollen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den verschiedenen Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Solarzelle 1. Die Solarzelle umfasst eine Absorberschicht 3, einen Frontseitenschichtenstapel 5, einen Rückseitenschichtenstapel 7, eine Frontseitenkontaktierung 9 und eine Rückseitenkontaktierung 11.
Die Absorberschicht 3 besteht im dargestellten Beispiel aus p-dotiertem kristallinem Silizium eines Siliziumwafers, der an beiden entgegengesetzten Oberflächen mit einer Textur versehenen ist.
Der Frontseitenschichtenstapel 5 umfasst eine Siliziumoxid-haltige Frontseiten-Passivierungsschicht 13 und eine Siliziumkarbidschicht 15. Die Frontseiten-Passivierungsschicht 13 grenzt direkt an eine frontseitige Oberfläche 17 der Absorberschicht 3 an. Der Rückseitenschichtenstapel umfasst eine Siliziumoxid-haltige Rückseiten-Passivierungsschicht 19 und eine Emitterschicht 21 aus (teil-)kristallinem Silizium. Die Rückseiten-Passivierungsschicht 19 grenzt direkt an eine rückseitige Oberfläche 23 der Absorberschicht 3 an. Die Frontseiten-Passivierungsschicht 13 und die Rückseiten-Passivierungsschicht 19 bestehen jeweils aus einem Dielektrikum wie zum Beispiel Siliziumdioxid oder Siliziumoxynitrid. Sowohl die Frontseiten-Passivierungsschicht 13 als auch die Rückseiten-Passivierungsschicht 19 sind derart dünn und/oder mit mikroskopischen pin-holes 25 versehen ausgebildet, dass elektrische Ladungsträger durch sie hindurchtunneln bzw. durch die pin-holes 25 strömen können.
Die Absorberschicht 3 und die Siliziumkarbidschicht 15 sind mit einem gleichen Dotierungstyp dotiert, d.h. im vorliegenden Beispiel beide p-Typ-dotiert. Die Absorberschicht 3 und die Emitterschicht 21 sind mit entgegengesetzten Dotierungstypen dotiert.
Die Frontseitenkontaktierung 9 ist mit einem Metallgrid 27 mit mehreren länglichen Metallfingern 29 ausgebildet. Im dargestellten Beispiel bestehen die Metallfinger 29 überwiegend aus Aluminium und sind durch Siebdrucktechniken auf die Vorderseite der Solarzelle 1 aufgebracht. Dabei kontaktiert die Frontseitenkontaktierung 9 die Siliziumkarbidschicht 15. Eine elektrische Querleitfähigkeit innerhalb der Siliziumkarbidschicht 15 kann hierbei zwar gering sein, beispielsweise aufgrund einer geringen Dotierbarkeit von Siliziumkarbid. Erhöhte Serienwiderstandsverluste können jedoch dennoch vermieden werden, indem in der Absorberschicht 3 eine ausreichend hohe Dotierungskonzentration vorgesehen wird, sodass deren Querleitfähigkeit unterstützend genutzt wird. Dementsprechend kann das Metallgrid 25 direkt an die Siliziumkarbidschicht 15 angrenzen. Auf eine die Querleitfähigkeit unterstützende zusätzliche leitfähige Schicht wie beispielsweise eine TCO-Schicht kann daher verzichtet werden.
Im dargestellten Beispiel ist auch die Rückseitenkontaktierung 11 mit einem Metallgrid 31 mit mehreren länglichen Metallfingern 33 ausgebildet, wobei die Metallfinger 33 analog wie beim frontseitigen Metallgrid 27 als siebgedruckte Aluminiumkontakte ausgebildet sein können. Die Rückseitenkontaktierung 11 kontaktiert die Emitterschicht 21 elektrisch. Im dargestellten Beispiel ist die Emitterschicht 21 derart stark n-Typ-dotiert, dass sie einen Schichtwiderstand von weniger als 250 Ohm/sq erhält, sodass wegen ausreichender elektrischer Querleitfähigkeit auch trotz der voneinander lateral beabstandeten Metallfinger 33 keine übermäßigen Serienwiderstandsverluste bewirkt werden. Das rückseitige Metallgrid 31 kann im dargestellten Beispiel daher direkt an die Emitterschicht 21 angrenzen, ohne dass eine zusätzliche leitfähige Schicht wie beispielsweise eine TCO-Schicht zur Unterstützung der Querleitfähigkeit vorgesehen werden müsste.
Alternativ zu dem dargestellten Beispiel kann die Rückseitenkontaktierung mit einer vollflächigen Metallschicht ausgebildet werden. In diesem Fall kann auf den Beitrag der Emitterschicht zur elektrischen Querleitfähigkeit verzichtet werden und somit auch die Emitterschicht nicht notwendigerweise stark dotiert werden.
Im dargestellten Beispiel weist die Solarzelle 1 ferner an ihrer frontseitigen Oberfläche eine Antireflexschicht 35 als Teil des Frontseitenschichtenstapels 5 sowie an ihrer rückseitigen Oberfläche eine Antireflexschicht 37 als Teil des Rückseitenschichtenstapels 7 auf.
In einer leicht modifizierten Ausführungsform kann der Frontseitenschichtenstapel 5 ergänzend eine dotierte Siliziumschicht 39 aufweisen, welche zwischen der frontseitigen Passivierungsschicht 13 und der Siliziumkarbidschicht 15 angeordnet ist. Aus Gründen der verbesserten Übersicht ist eine solche dotierte Siliziumschicht 39 in 1 lediglich gestrichelt und begrenzt auf einen linken Teilbereich der Solarzelle 1 angedeutet.
Als weitere alternative Ausführungsform kann die Solarzelle 1 basierend auf einem n-Typ-dotierten Siliziumwafer als Absorberschicht 3 ausgebildet werden. Die Dotierungstypen der weiteren Schichten innerhalb des Frontseitenschichtenstapels 5 und des Rückseitenschichtenstapels 7 sind dabei entgegengesetzt zu denjenigen der in 1 veranschaulichten Ausführungsform. Bei dieser alternativen Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, den Siliziumwafer zumindest an seiner Rückseite nicht mit einer Texturierung zu versehen, sondern ihn rückseitig plan auszugestalten und somit seine rückseitige Oberfläche 23 zu minimieren, da angenommen werden kann, dass der Rückseitenschichtenstapel 7, welcher in diesem Fall mit einer p-Typ-dotierten Emitterschicht 21 versehen ist, weniger gute Passivierungseigenschaften aufweist als im Falle der in 1 dargestellten n-Typ-dotierten Emitterschicht 21.
In 2 sind aufeinanderfolgende Prozessschritte eines Verfahrens zum Fertigen einer Solarzelle gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Die Prozessschritte werden unter Bezugnahme auf die Teilfiguren wie folgt kurz skizziert:

- 2(a): Bereitstellen eines kristallinen Siliziumwafers als Substrat 41 zur Bildung der Absorberschicht 3;
- 2(b): Erzeugen einer Texturierung 43 an der frontseitigen Oberfläche 17 und/oder der rückseitigen Oberfläche 23;
- 2(c): Erzeugen eines Frontseitenschichtenstapels 5 einschließlich Erzeugen einer Siliziumoxid-haltigen Frontseiten-Passivierungsschicht 13 beispielsweise durch PECVD-Abscheidung, thermische Oxidation oder nasschemische Oxidation, und Erzeugen einer Siliziumkarbidschicht 15 beispielsweise durch PECVD-Abscheidung oder Sputtern;
- 2(d): Erzeugen eines Rückseitenschichtenstapels 7 einschließlich Erzeugen einer Siliziumoxid-haltigen Rückseiten-Passivierungsschicht 19 beispielsweise durch PECVD-Abscheidung, thermische Oxidation oder nasschemische Oxidation, und Erzeugen einer Emitterschicht 21 aus dotiertem, kristallinem Silizium beispielsweise durch PECVD-Abscheidung;
- 2(e): Hochtemperaturbehandlung zur Verbesserung der Passivierqualität der Passivierschichten 13 und 19 bzw. der Ausbildung von Pinholes in diesen Schichten, zur (teilweisen) Kristallisation der Emitterschicht 21 und möglicherweise auch der Siliziumkarbidschicht 15, sowie zur elektrischen Aktivierung der Dotierstoffatome in der Emitterschicht 21, in der eventuelle vorhandenen ergänzenden dotierten Siliziumschicht 39 sowie in der Siliziumkarbidschicht 15.
- 2(f): Erzeugen einer Frontseitenkontaktierung 27 und einer Rückseitenkontaktierung 31 beispielsweise durch Siebdrucken von Aluminium-Metallgrids 29, 33;
- 2(g): Erzeugen einer frontseitigen Antireflexschicht 35 und einer rückseitigen Antireflexschicht 37 beispielsweise durch PECVD-Abscheidung.

Zusätzlich zu den dargestellten Prozessschritten können weitere Prozessschritte durchgeführt werden, beispielsweise eine kurze Behandlung mit Flusssäure (HF-Dipp), ein Trocknen und Feuern aufgedruckter Metallpasten-Strukturen, ein Eintreiben von Wasserstoff aus beispielsweise der Siliziumnitrid-Antireflexschicht, ein Entfernen von Teilbereichen der Antireflexschicht beispielsweise durch Freilasern von Lötpads, etc.
Alternativ zu der dargestellten und beschriebenen Reihenfolge der Prozessschritte können die beiden Prozessschritte aus den 2(f) und 2(g) vertauscht werden, das heißt zuerst die Antireflexschichten 35, 37 erzeugt werden und dann die Frontseitenkontaktierung 27 und die Rückseitenkontaktierung 31 auf diese Antireflexschichten aufgedruckt werden und anschließend durch die Antireflexschichten hindurchgefeuert werden.
Mit Ausführungsformen des beschriebenen Solarzellenkonzepts werden verschiedene Vorteile gegenüber herkömmlichen Solarzellenkonzepten angestrebt.
Beispielsweise können optische Eigenschaften der Solarzelle verbessert werden. Hierzu kann eine verringerte Reflexion beitragen, da Siliziumkarbid einen höheren Brechungsindex (n=2,6) als beispielsweise herkömmlich häufig verwendetes Aluminiumoxid (n=1,6) aufweist. Außerdem kann eine Dicke der Siliziumnitrid-Antireflexschicht ohne Rücksichtnahme auf bei herkömmlichen Solarzellenkonzepten zu befürchtendes sogenanntes Metall-Spiking (d.h. ein zu starkes Durchfeuern von Metall-Siebdruckkontakten wie beispielsweise Aluminiumkontakten) optimiert werden. Ferner brauchen die Finger des Metallgrids nicht präzise relativ zu korrespondierenden Regionen innerhalb des Solarzellensubstrats positioniert werden (d.h. kein präzises Alignment notwendig), wodurch eventuell auch ein Einsatz noch dünnerer Metallfinger für die Kontaktstrukturen möglich erscheint.
Ferner können Rekombinationseigenschaften der Solarzelle verbessert werden. Insbesondere kann Rekombination an Aluminium-dotierten p⁺-Gebieten vermieden werden, eine Oberflächenpassivierung verbessert werden und Synergien bei einer Verringerung anderer Verlustpfade erreicht werden.
Außerdem können Transporteigenschaften bzw. elektrische Eigenschaften der Solarzelle verbessert werden. Beispielsweise können durch die Passivierung der Kontakte laterale Transportverluste geringer sein als z.B. bei herkömmlichen, nicht-passivierten Kontakten, bei denen meist schon alleine zur Minimierung der Rekombinationsverluste die Abstände der Metallfinger untereinander möglichst groß gewählt werden müssen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Solarzelle
3: Absorberschicht
5: Frontseitenschichtenstapel
7: Rückseitenschichtenstapel
9: Frontseitenkontaktierung
11: Rückseitenkontaktierung
13: Frontseiten-Passivierungsschicht
15: Siliziumkarbidschicht
17: frontseitige Oberfläche der Absorberschicht
19: Rückseiten-Passivierungsschicht
21: Emitterschicht
23: rückseitige Oberfläche der Absorberschicht
25: pin-holes
27: frontseitiges Metallgrid
29: frontseitige Metallfinger
31: rückseitiges Metallgrid
33: rückseitige Metallfinger
35: frontseitige Antireflexschicht
37: rückseitige Antireflexschicht
39: dotierte Siliziumschicht
41: Substrat
43: Texturierung

Claims

Solarzelle (1) aufweisend: eine Absorberschicht (3) aus kristallinem Silizium, einen Frontseitenschichtenstapel (5) zumindest aufweisend eine Siliziumoxid-haltige Frontseiten-Passivierungsschicht (13) und eine Siliziumkarbidschicht (15), einen Rückseitenschichtenstapel (7) zumindest aufweisend eine Siliziumoxid-haltige Rückseiten-Passivierungsschicht (19) und eine Emitterschicht (21) aus Silizium, eine Frontseitenkontaktierung (9) mit einem Metallgrid (27) mit mehreren länglichen Metallfingern (29), eine Rückseitenkontaktierung (11), wobei die Frontseiten-Passivierungsschicht (13) direkt an eine frontseitige Oberfläche (17) der Absorberschicht (3) angrenzt, wobei die Rückseiten-Passivierungsschicht (19) direkt an eine rückseitige Oberfläche (23) der Absorberschicht (3) angrenzt, wobei die Absorberschicht (3) und die Siliziumkarbidschicht (15) mit einem gleichen Dotierungstyp dotiert sind oder wobei die Siliziumkarbidschicht (15) intrinsisch ausgebildet ist, wobei die Absorberschicht (3) und die Emitterschicht (21) mit entgegengesetzten Dotierungstypen dotiert sind, wobei die Frontseitenkontaktierung (9) die Siliziumkarbidschicht (15) elektrisch kontaktiert und das Metallgrid (27) der Frontseitenkontaktierung (9) direkt an die Siliziumkarbidschicht (15) angrenzt, und wobei die Rückseitenkontaktierung (11) die Emitterschicht (21) elektrisch kontaktiert.
Solarzelle nach Anspruch 1, wobei die Emitterschicht (21) aus Silizium besteht, welches teilweise oder vollständig kristallin ist.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Emitterschicht (21) mit einer Dotierungskonzentration dotiert ist, die zu einem Schichtwiderstand der Emitterschicht (21) von weniger als 500 Ohm/sq führt.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Rückseitenkontaktierung (11) direkt an die Emitterschicht (21) angrenzt.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Rückseitenkontaktierung (11) mit einem Metallgrid (31) mit mehreren länglichen Metallfingern (33) ausgebildet ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Rückseitenkontaktierung (11) mit einer vollflächigen Metallschicht ausgebildet ist.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Frontseitenkontaktierung (9) und/oder die Rückseitenkontaktierung (11) mit gedruckten Kontakten ausgebildet ist.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Frontseitenkontaktierung (9) und/oder die Rückseitenkontaktierung (11) überwiegend aus Aluminium besteht.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Frontseitenschichtenstapel (5) ergänzend eine dotierte Siliziumschicht (39) aufweist, welche zwischen der Siliziumoxid-haltigen Frontseiten-Passivierungsschicht (13) und der Siliziumkarbidschicht (15) angeordnet ist.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Siliziumkarbidschicht (15) mit einer Schichtdicke von zwischen 5 nm und 70 nm ausgebildet ist.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Frontseitenschichtenstapel (5) ergänzend eine Antireflexschicht (35) aufweist, welche an einer der Frontseiten-Passivierungsschicht (13) entgegengesetzten Seite der Siliziumkarbidschicht (15) angeordnet ist.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Frontseiten-Passivierungsschicht (13) und/oder die Siliziumkarbidschicht (15) mittels eines PECVD-Verfahrens abgeschieden sind.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Frontseiten-Passivierungsschicht (13) mittels thermischer und/oder nasschemischer Oxidation erzeugt ist.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Siliziumkarbidschicht (15) entlang ihrer lateralen Erstreckung mit einer homogenen Schichtdicke und/oder mit einer homogenen Dotierung ausgebildet ist.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Siliziumkarbidschicht (15) kristallin, teilkristallin oder amorph ausgebildet ist.
Verfahren zum Fertigen einer Solarzelle, aufweisend Bereitstellen eines Substrats (41) aus kristallinem Silizium als Absorberschicht (3), Erzeugen eines Frontseitenschichtenstapels (5) zumindest aufweisend eine Siliziumoxid-haltige Frontseiten-Passivierungsschicht (13) und eine Siliziumkarbidschicht (15), Erzeugen eines Rückseitenschichtenstapels (7) zumindest aufweisend eine Siliziumoxid-haltige Rückseiten-Passivierungsschicht (19) und eine Emitterschicht (21) aus Silizium, Erzeugen einer Frontseitenkontaktierung (9) mit einem Metallgrid (27) mit mehreren länglichen Metallfingern (29), Erzeugen einer Rückseitenkontaktierung (11), wobei die Frontseiten-Passivierungsschicht (13) direkt an eine frontseitige Oberfläche (17) der Absorberschicht (3) angrenzt, wobei die Rückseiten-Passivierungsschicht (19) direkt an eine rückseitige Oberfläche (23) der Absorberschicht (3) angrenzt, wobei die Absorberschicht (3) und die Siliziumkarbidschicht (15) mit einem gleichen Dotierungstyp dotiert sind oder wobei die Siliziumkarbidschicht (15) intrinsisch ausgebildet ist, wobei die Absorberschicht (3) und die Emitterschicht (21) mit entgegengesetzten Dotierungstypen dotiert sind, und wobei das Metallgrid (27) der Frontseitenkontaktierung (9) direkt an die Siliziumkarbidschicht (15) angrenzt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei zumindest ein nach dem Erzeugen der Siliziumkarbidschicht (15) durchgeführter Verfahrensschritt als Hochtemperaturschritt bei einer Temperatur von mehr als 500°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 17, wobei die Frontseitenkontaktierung (9) und/oder die Rückseitenkontaktierung (11) durch Aufbringen einer Metallpartikel-haltigen Paste und anschließendes Feuern in einem Hochtemperaturschritt bei eine Temperatur von mehr als 500°C erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Frontseiten-Passivierungsschicht (13) und/oder die Siliziumkarbidschicht (15) mittels eines PECVD-Verfahrens abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 17, wobei die Frontseiten-Passivierungsschicht (13) mittels thermischer und/oder nasschemischer Oxidation erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei an einer der Frontseiten-Passivierungsschicht (13) entgegengesetzten Seite der Siliziumkarbidschicht (13) ergänzend eine Antireflexschicht (35) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Frontseitenkontaktierung (9) nach dem Erzeugen der Antireflexschicht (35) erzeugt wird und zunächst auf der Antireflexschicht (35) angelagert und anschließend mittels eines Hochtemperaturschritts bei einer Temperatur von mehr als 500°C durch die Antireflexschicht (35) durchgetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Frontseitenkontaktierung (9) vor dem Erzeugen der Antireflexschicht (35) erzeugt wird, wobei die Antireflexschicht (35) nach deren Erzeugung in einem die Frontseitenkontaktierung (9) überdeckenden Bereich lokal entfernt wird.