DE112012005388T5 - Laserkontaktprozesse, Lasersystem und Solarzellenstrukturen zur Herstellung von Solarzellen mit Siliziumnanoteilchen - Google Patents

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Laserkontaktprozess zur Bildung (402) von Kontaktlöchern zu Emittern einer Solarzelle. Dotierte Siliziumnanoteilchen werden über einem Substrat der Solarzelle gebildet. Die Oberfläche von Einzelnen oder Clustern von Siliziumnanoteilchen wird mit einem Nanoteilchenpassivierungsfilm beschichtet (403). Kontaktlöcher zu Emittern der Solarzelle werden durch Auftreffenlassen eines Laserstrahles auf die passivierten Siliziumnanoteilchen gebildet (404). Der Laserkontaktprozess kann beispielsweise ein Laserabtragungsprozess sein. In diesem Fall können die Emitter durch Diffundieren von Dotiermitteln aus den Siliziumnanoteilchen vor dem Bilden der Kontaktlöcher zu den Emittern gebildet werden. Bei einem weiteren Beispiel kann der Laserkontaktprozess ein Laserschmelzprozess sein, wodurch Abschnitte der Siliziumnanoteilchen zur Bildung der Emitter und von Kontaktlöchern zu den Emittern geschmolzen werden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Ausführungsbeispiele des hier beschriebenen Gegenstandes betreffen allgemein Solarzellen. Insbesondere betreffen Ausführungsbeispiele des Gegenstandes Einrichtungen, Prozesse und Strukturen zur Herstellung von Solarzellen.
  • Hintergrund
  • Bekanntermaßen sind Solarzellen Vorrichtungen zum Umwandeln von Sonnenstrahlen in elektrische Energie. Eine Solarzelle beinhaltet vom P-Typ und vom N-Typ seiende Diffusionsbereiche, die auch als „Emitter” bezeichnet werden. Während der Herstellung wird ein Kontaktprozess durchgeführt, um Kontaktlöcher zu den Emittern zu bilden. Metallkontakte werden in den Kontaktlöchern zur elektrischen Verbindung mit entsprechenden Emittern gebildet. Die Metallkontakte ermöglichen, dass eine externe elektrische Schaltung mit der Solarzelle gekoppelt und durch diese betrieben wird.
  • Der Kontaktprozess bildet Kontaktlöcher durch Schichten von Materialien zum Freilegen der Emitter. Der Kontaktprozess darf spezielle Strukturen oder Schichten des bereits vor Ort befindlichen Materials nicht beeinträchtigen und darf die Emitter nicht derart beschädigen, dass das elektrische Leistungsvermögen verringert wird. Da der Kontaktprozess mit einem Durchdringen von vielen Materialschichten an der Oberseite der Emitter einhergeht, stellt er einen Prozess mit einem inhärent hohen Risiko einer Beschädigung der Solarzelle dar.
  • Kurzbeschreibung
  • Bei einem Ausführungsbeispiel beinhaltet ein Verfahren zur Bildung von Kontaktlöchern von Solarzellen ein Bilden von dotierten Siliziumnanoteilchen über einem Solarzellensubstrat. Die dotierten Siliziumnanoteilchen sind mit einem Nanoteilchenpassivierungsfilm beschichtet. Ein Laserstrahl trifft auf die dotierten Siliziumnanoteilchen in einem Laserkontaktprozess zur Bildung eines Kontaktloches durch die dotierten Siliziumnanoteilchen zu einem Emitter der Solarzelle auf.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst eine Solarzelle ein Solarzellensubstrat, eine Mehrzahl von dotierten Siliziumnanoteilchen über dem Solarzellensubstrat, eine Oberfläche von Einzelnen oder Clustern der Mehrzahl von dotierten Siliziumnanoteilchen mit einem Nanoteilchenpassivierungsfilm, ein Kontaktloch durch die Mehrzahl von dotierten Siliziumnanoteilchen, einen Emitter und einen Metallkontakt zur elektrischen Verbindung mit dem Emitter durch das Kontaktloch.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel beinhaltet ein Verfahren zur Bildung von Kontaktlöchern von Solarzellen ein Bilden von dotierten Siliziumnanoteilchen über einem Solarzellensubstrat. Dotiermittel aus den dotierten Siliziumnanoteilchen werden zur Bildung eines Emitters diffundiert. Die diffundierten Siliziumnanoteilchen werden mit einem Nanoteilchenpassivierungsfilm beschichtet. Ein Laserstrahl trifft auf die dotierten Siliziumnanoteilchen in einem Laserkontaktprozess zur Bildung eines Kontaktloches durch die dotierten Siliziumnanoteilchen zu dem Emitter auf.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel beinhaltet ein Verfahren zur Bildung von Kontaktlöchern von Solarzellen ein Bilden von dotierten Siliziumnanoteilchen über einem Substrat einer Solarzelle. Die dotierten Siliziumnanoteilchen sind mit einem Nanoteilchenpassivierungsfilm beschichtet. Abschnitte der dotierten Siliziumnanoteilchen werden mit einem Laserstrahl geschmolzen, um einen Emitter der Solarzelle mit den geschmolzenen Abschnitten der dotierten Siliziumnanoteilchen und ein Kontaktloch zu dem Emitter der Solarzelle zu bilden.
  • Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung erschließen sich einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet ohne Weiteres beim Studium der Offenbarung als Ganzes, die die beigefügte Zeichnung und die beigefügten Ansprüche beinhaltet.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Ein weiter gehendes Verständnis des Gegenstandes erhält man durch Bezugnahme auf die Detailbeschreibung und Ansprüche in Zusammenschau mit den nachfolgenden Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen ähnliche Elemente in allen Figuren bezeichnen. Die Zeichnung ist nicht maßstabsgetreu.
  • 1 zeigt schematisch ein Solarzellenlasersystem entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 2 bis 7 zeigen Querschnitte zur schematischen Darstellung eines Verfahrens zur Bildung von Kontaktlöchern einer Solarzelle durch Laserabtragung von Siliziumnanoteilchen entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
  • 8 bis 12 zeigen Querschnitte zur schematischen Darstellung eines Verfahrens zur Bildung von Kontaktlöchern einer Solarzelle durch Laserschmelzen von Siliziumnanoteilchen entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 13 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bildung von Kontaktlöchern von Solarzellen unter Verwendung eines Laserkontaktprozesses entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Detailbeschreibung
  • In der vorliegenden Offenbarung werden zahlreiche spezifische Details, so beispielsweise Beispiele für Einrichtungen, Komponenten und Verfahren, zur Bereitstellung eines weiter gehenden Verständnisses von Ausführungsbeispielen der Erfindung vorgestellt. Für einen Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet ist jedoch einsichtig, dass die Erfindung auch ohne eines oder mehrere dieser spezifischen Details in der Praxis umgesetzt werden kann. In anderen Fällen sind bekannte Details nicht gezeigt oder beschrieben, damit Aspekte der Erfindung nicht unklar werden.
  • 1 zeigt schematisch ein Solarzellenlasersystem 100 entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Beispiel von 1 beinhaltet das Lasersystem 100 eine Laserquelle 102 und einen Laserscanner 104. Die Laserquelle 104 kann eine kommerziell erhältliche Laserquelle sein. Der Laserscanner 104 kann einen Galvanometerlaserscanner umfassen. Im Betrieb erzeugt die Laserquelle 102 einen Laserstrahl 103 mit einer vorbestimmten Wellenlänge entsprechend einer Konfiguration 101. Die Konfiguration 101 kann Schalter-/Knopf-Anordnungen, einen computerlesbaren Programmcode, Softwareschnittstelleneinstellungen und/oder andere Arten der Einstellung der konfigurierbaren Parameter der Laserquelle 102 umfassen. Die Konfiguration 101 kann die Pulswiederholungsrate, die Anzahl von pro Wiederholung abgefeuerten Pulsen, die Pulsform, die Pulsamplitude, die Pulsstärke oder Energie sowie weitere Parameter der Laserquelle 12 einstellen. Der Laserscanner 104 scant bzw. führt die Laserpulse 103 über eine hergestellte Solarzelle hinweg, um Kontaktlöcher darin auszubilden. Die Solarzelle von 1 kann beispielsweise die Solarzelle 200 von 2 bis 7 oder die Solarzelle 300 von 8 bis 12 sein.
  • 2 bis 7 zeigen Querschnitte zur schematischen Darstellung eines Verfahrens zur Bildung von Kontaktlöchern einer Solarzelle 200 durch Laserabtragung von Siliziumnanoteilchen entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • In 2 umfasst das Solarzellensubstrat ein kristallines Siliziumsubstrat 203. Die Oberfläche des Siliziumsubstrates 203 kann vor der Bildung der Nanoteilchen 201 auf dem Siliziumsubstrat 203 passiviert werden. Die Oberfläche des Siliziumsubstrates 203 kann durch Bilden einer kontinuierlichen Grenzfläche zu den Nanoteilchen 201 oder durch Dotieren der Substratsgrenzfläche zum Austreiben von Minoritätsträgern passiviert werden. Die Nanoteilchen 201 können ebenfalls als Passivierungsschicht dienen. In dem Beispiel von 2 wird die Oberfläche des Siliziumsubstrates 203 durch einen Passivierungsfilm 202 passiviert. Der Passivierungsfilm 202 kann ein Siliziumdioxid umfassen. Bei einem speziellen Beispiel kann der Passivierungsfilm 202 Siliziumdioxid umfassen, das thermisch auf die Oberfläche des Siliziumsubstrates 203 aufgewachsen oder dort aufgebracht wird. Im Allgemeinen kann der Passivierungsfilm 202 ein beliebiges geeignetes Passivierungsmaterial, so beispielsweise ein Oxid, beinhalten. Der Passivierungsfilm 202 kann auch in Abhängigkeit von den Spezifika der Solarzelle optional sein.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel umfassen die Nanoteilchen 201 dotierte Siliziumnanoteilchen mit einer Teilchengröße von weniger als 500 nm. Die Siliziumnanoteilchen 201 können mit einem vom N-Typ seienden Dotiermittel (beispielsweise Phosphor) zur Bildung eines vom N-Typ seienden Emitters oder mit einem vom P-Typ seienden Dotiermittel (beispielsweise Bor) zur Bildung eines vom P-Typ seienden Emitters dotiert sein. Wie nachstehend noch deutlich wird, können die Siliziumnanoteilchen 201 als Dotiermittelquelle zur Bildung eines Emitters dienen (siehe 3).
  • Emitter, die unter Verwendung von Siliziumnanoteilchen gebildet werden, ermöglichen vergleichsweise hohe Minoritätsträgerlebensdauern (größer als 1 ms), was die Effizienz der Solarzelle verbessert. Das Einsetzen von Siliziumnanoteilchen als Dotiermittelquelle oder als Ersatz für einen Polysiliziumemitter in Solarzellen ist jedoch keine ausgereifte Technologie, und das Bilden von Kontaktlöchern durch Siliziumnanoteilchen ist ein bislang nicht allzu bekannter Prozess.
  • Bei dem Beispiel von 2 werden die Siliziumnanoteilchen 201 auf dem Passivierungsfilm 202 gebildet. Die Siliziumnanoteilchen 201 können beispielsweise durch einen Druckprozess, so beispielsweise durch Siebdrucken oder Tintenstrahldrucken, gebildet werden. Der Passivierungsfilm 202 ist ein optionales Merkmal, das in Abhängigkeit von den Spezifika der Solarzelle zum Einsatz kommen kann. Die Siliziumnanoteilchen 201 können beispielsweise direkt an der Oberfläche des Substrates 203 gebildet werden.
  • In 3 sind Dotiermittel aus den Siliziumnanoteilchen 201 durch den Passivierungsfilm 202 und in das Siliziumsubstrat 203 hinein diffundiert, um den Emitter 204 in dem Siliziumsubstrat 203 zu bilden. Der Diffusionsprozess zur Bildung des Emitters 204 kann einen Erwärmungsschritt umfassen, der beispielsweise in einem Ofen durchgeführt wird. Die Solarzelle 200 beinhaltet eine Mehrzahl von Emittern mit verschiedenen Leitfähigkeitstypen, von denen nur einer in 3 und den nachfolgenden Figuren aus darstellerischen Gründen gezeigt ist. Der Emitter 204 kann eine vom P-Typ seiende Leitfähigkeit aufweisen, wobei in diesem Fall die Siliziumnanoteilchen 201 vom P-Typ seiende Dotiermittel umfassen. Alternativ kann der Emitter 204 eine vom N-Typ seiende Leitfähigkeit umfassen, wobei in diesem Fall die Siliziumnanoteilchen 201 vom N-Typ seiende Dotiermittel umfassen. Siliziumnanoteilchen 201 mit vom P-Typ seienden Dotiermitteln sind allgemein über Bereichen des Substrates 203 ausgebildet, in denen vom P-Typ seiende Emitter gebildet sind, und Siliziumnanoteilchen 201 mit vom N-Typ seienden Dotiermitteln sind über Bereichen des Substrates 203 gebildet, in denen vom n-Typ seiende Emitter gebildet sind. Der Diffusionsprozess diffundiert Dotiermittel aus den Siliziumnanoteilchen 201 in das Siliziumsubstrat 203 hinein, um Emitter 204 mit dem entsprechenden Leitfähigkeitstyp zu bilden.
  • In 4 sind die Siliziumnanoteilchen 201 passiviert, um eine Rekombination von Elektron-Loch-Paaren zu minimieren und den Laserabtragungsprozess zu optimieren. Die Siliziumnanoteilchen 201 werden nunmehr passivierte Siliziumnanoteilchen 205 genannt, um auszudrücken, dass der Passivierungsprozess Einzelne oder Cluster von zusammengeballten oder verklumpten Siliziumnanoteilchen 201 mit einem Nanoteilchenpassivierungsfilm 206 beschichtet. Der Nanoteilchenpassivierungsfilm 206 kann Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder ein anderes geeignetes Passivierungsmaterial umfassen, das auf der Oberfläche von Einzelnen oder Clustern von Siliziumnanoteilchen 201 gebildet ist. Der Nanoteilchenpassivierungsfilm 206 kann ein Oxid umfassen, das thermisch auf der Oberfläche der Siliziumnanoteilchen 201 aufgewachsen wird, indem die Siliziumnanoteilchen 201 in einer Oxidierumgebung erwärmt werden. In Abhängigkeit von der Porosität der Siliziumnanoteilchen 201 kann der Nanoteilchenpassivierungsfilm 206 auf die Oberfläche der Siliziumnanoteilchen 201 durch chemische Dampfaufbringung (Chemical Vapor Deposition CVD) aufgebracht werden, die eine Atomschichtaufbringung (Atomic Layer Deposition ALD) beinhaltet. Der Nanoteilchenpassivierungsfilm 206 kann ein Siliziumnitrid umfassen, das auf die Oberfläche der Siliziumnanoteilchen 201 durch ALD aufgebracht wird.
  • Bei dem Beispiel von 4 werden die Siliziumnanoteilchen 201 nach dem Diffusionsprozess, der den Emitter 204 gebildet hat, passiviert. Da Dotiermittel aus den Siliziumnanoteilchen 201 durch den Nanoteilchenpassivierungsfilm 206 diffundieren können, können die Siliziumnanoteilchen 201 ebenfalls vor dem Diffusionsprozess, der den Emitter 204 bildet, passiviert werden. Das Passivieren der Siliziumnanoteilchen 201 vor dem Diffusionsprozess kann ein Szenario verhindern, bei dem die Siliziumnanoteilchen 201 während des Diffusionsprozesses verklumpen. Demgegenüber kann ein Passivieren der Siliziumnanoteilchen 201 vor dem Diffusionsprozess den Diffusionsprozess bei einigen Anwendungen hemmen bzw. verhindern. Die Reihenfolge, in der die Diffusions- und Siliziumnanoteilchenpassivierungsprozesse durchgeführt werden, hängt von den Spezifika des Gesamtherstellungsprozesses ab. Im Allgemeinen kann der Nanoteilchenpassivierungsfilm 206 auf die Oberfläche von Einzelnen oder Clustern von Siliziumnanoteilchen 201 während einer Synthese (das heißt einer Erzeugung der Siliziumnanoteilchen 201), nach der Synthese, jedoch vor der Bildung der Siliziumnanoteilchen 201 auf dem Substrat 203 oder nach der Bildung der Siliziumnanoteilchen 201 auf dem Substrat 203, wie in 4 gezeigt ist, aufgewachsen oder aufgebracht werden.
  • In 5 ist eine Deckschicht 207 auf den passivierten Siliziumnanoteilchen 205 ausgebildet. Die Deckschicht 207 kann aufgebrachtes Siliziumnitrid oder ein anderes Bedeckungsmaterial umfassen. Die Deckschicht 207 verhindert, dass Feuchtigkeit in unterliegende Materialien einsickert, was möglicherweise die Grenzfläche der passivierten Siliziumnanoteilchen 205 und des Passivierungsfilmes 202 verschlechtert. Die Deckschicht 207 verhindert vorteilhafterweise, dass Dotiermittel in die Prozesskammer bei Prozessen entweichen, bei denen der Emitter 204 nach der Bildung der Deckschicht 207 gebildet wird. Insbesondere kann der Diffusionsschritt zum Austreiben von Dotiermitteln aus den Siliziumnanoteilchen 201 zu dem Substrat 203 durchgeführt werden, nachdem die Deckschicht 207 gebildet worden ist. In diesem Fall verhindert die Deckschicht 207, dass Dotiermittel in die Prozesskammer entweichen und in andere Merkmale der Solarzelle 200 diffundieren. Die Deckschicht 207 ist optional und kann bei einigen Prozessen weggelassen werden.
  • In 6 lässt ein Laserkontaktprozess den Laserstrahl 103 auf Materialien auftreffen, die auf dem Emitter 204 zur Bildung des Kontaktloches 208 und Freilegen des Emitters 204 gebildet sind. Nur ein Kontaktloch 208 ist aus Gründen der darstellerischen Klarheit gezeigt.
  • Die Solarzelle 200 beinhaltet eine Mehrzahl von Emittern 204, und es kann ein Kontaktloch 208 an jedem der Ermittler 204 ausgebildet werden.
  • Bei dem Beispiel von 6 umfasst der Laserkontaktprozess einen Laserabtragungsprozess zur Bildung von Kontaktlöchern durch Siliziumnanoteilchen. Im Allgemeinen kann der Laserkontaktprozess ein oder mehrere Laserquellen, ein oder mehrere Laserpulse, ein oder mehrere Laserschritte sowie Laserprozesse jenseits der Abtragung beinhalten. Der Laserkontaktprozess kann beinhalten, dass der Laserstrahl 103 Abschnitte von der Deckschicht 207, passivierten Siliziumnanoteilchen 205 und dem Passivierungsfilm 202 entfernt, um das Kontaktloch 208 zu bilden und den Emitter 204 freizulegen. Bei einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Entfernung von Abschnitten der passivierten Siliziumnanoteilchen 205 zur Bildung des Kontaktloches 208 hierdurch durch Laserabtragung. Die Entfernung von Abschnitten der Deckschicht 207 und der Passivierungsschicht 202 kann durch Laserabtragung, jedoch auch durch andere Laserprozesse in separaten Laserschritten erfolgen.
  • Für den Fall einer Laserabtragung kann die Dicke des Nanoteilchenpassivierungsfilmes 206 einen großen Bereich relativ zur Teilchengröße der Siliziumnanoteilchen 201 abdecken, wird jedoch im Allgemeinen beispielsweise im Vergleich zu einem Laserschmelzprozess dicker. Die Laserquelle 102 wird mit optimaler Leistung, Wellenlänge und Pulszeit zum Erreichen einer Nanoteilchenabtragung ausgewählt. Diese Lasereigenschaften können sich von denjenigen für den Fall eines Bulk-Siliziums aufgrund der Größenabhängigkeit von physischen Eigenschaften für Nanoteilchen, darunter das optische und thermische Verhalten, unterscheiden. Der Laserstrahl 103 der Laserquelle 102 kann auf die Fläche gerichtet werden, in der das Kontaktloch 208 gebildet werden soll. Jene Fläche kann eine beliebige Größe aufweisen, die kleiner oder gleich derjenigen Fläche ist, die von den passivierten Siliziumnanoteilchen 205 bedeckt ist.
  • Die Dicke des Nanoteilchenpassivierungsfilmes 206 relativ zur Teilchengröße der Siliziumnanoteilchen 201 kann für eine bestimmte Laserquelle 102 maßgeschneidert sein. Da beispielsweise Silizium grünen Laser absorbiert und Oxid transparent für grünen Laser ist, kann die Dicke eines Oxidnanoteilchenpassivierungsfilmes 206 (beispielsweise Siliziumdioxid, Titanoxid, Aluminiumoxid, Hafniumoxid) angepasst werden, um überwiegend einen Laserstrahl 103 mit grüner Wellenlänge zu übertragen oder zu absorbieren. Dies bedeutet, dass die Dicke des Nanoteilchenpassivierungsfilmes 206 zur optimalen Abtragung angepasst werden kann. Die Dicke des Nanoteilchenpassivierungsfilmes 206, die Teilchengröße der Siliziumnanoteilchen 201 und die Eigenschaften der Laserquelle 102 hängen von den Spezifika der Solarzelle ab.
  • Der Einzelnanoteilchenpassivierungsfilm 206 wirkt als Isolator, der diskrete Abtragungsvorgänge an den Siliziumnanoteilchen 201 bewirkt. Dies bedingt die Möglichkeit der direkten Abtragung der Siliziumnanoteilchen 201 und eine minimale Beschädigung an dem Emitter 204 und dem Substrat 203, wodurch das Kontaktloch 208 zur Oberfläche des Emitters 204 geöffnet wird. Das Kontaktloch 208 ist nur dort geöffnet, wo die Siliziumnanoteilchen 201 für den Laserstrahl 103 freiliegen, während der Rest der Siliziumnanoteilchen 201 übrigbleibt. Diese verbleibenden Siliziumnanoteilchen 201 weisen eine größere Resistivität (spezifischer Widerstand) auf und leiten keine Ladungsträger oder tragen nicht wesentlich zur Trägerrekombination bei.
  • In 7 ist ein Metallkontakt 209 in jedem Kontaktloch 218 zur elektrischen Verbindung mit einer Oberfläche eines entsprechenden Emitters 204 ausgebildet.
  • 8 bis 12 zeigen Querschnitte zur schematischen Darstellung eines Verfahrens zur Bildung von Kontaktlöchern einer Solarzelle 300 durch Laserschmelzen von Siliziumnanoteilchen entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Laserschmelzen beinhaltet Laserprozesse, die ein Ausglühen (annealing), Sintern, Verklumpen oder Anheben der Temperatur der Teilchen zum Bewirken eines Zusammenballens der Teilchen beinhalten. Im Allgemeinen beinhaltet das Laserschmelzen Laserpulse mit vergleichsweise langen Pulsbreiten von beispielsweise 1 ns und länger. In deutlichem Gegensatz hierzu beinhaltet die Laserabtragung Laserpulse mit vergleichsweise kürzeren Pulsbreiten, die 1 ps und kürzer sein können.
  • In 8 umfasst das Solarzellensubstrat ein kristallines Siliziumsubstrat 303. Die Oberfläche des Siliziumsubstrates 303 kann vor der Bildung der Nanoteilchen 301 an dem Siliziumsubstrat 303 passiviert werden. Die Oberfläche des Siliziumsubstrates 303 kann durch Bilden einer kontinuierlichen Grenzfläche zu den Nanoteilchen 301 oder durch Dotieren der Substratgrenzfläche zum Austreiben von Minoritätsträgern passiviert werden. Die Nanoteilchen 301 können auch als Passivierungsschicht dienen. Bei dem Beispiel von 8 wird die Oberfläche des Siliziumsubstrates 303 durch einen Passivierungsfilm 302 passiviert. Der Passivierungsfilm 302 kann Siliziumdioxid umfassen. Bei einem speziellen Beispiel kann der Passivierungsfilm 302 ein Siliziumdioxid umfassen, das auf die Oberfläche des Siliziumsubstrates 303 thermisch aufgewachsen oder dort aufgebracht ist. Im Allgemeinen kann der Passivierungsfilm 302 ein beliebiges geeignetes Passivierungsmaterial umfassen, so beispielsweise ein Oxid. Der Passivierungsfilm 302 kann optional von Spezifika der Solarzelle abhängen. Die Siliziumnanoteilchen 301 können direkt an der Oberfläche des Substrates 303 gebildet werden.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel umfassen die Nanoteilchen 301 dotierte Siliziumnanoteilchen mit einer Teilchengröße von weniger als 500 nm. Die Siliziumnanoteilchen 301 können mit einem vom N-Typ seienden Dotiermittel (beispielsweise Phosphor) zur Bildung eines vom N-Typ seienden Emitters oder mit einem vom P-Typ seienden Dotiermittel (beispielsweise Bor) zur Bildung eines vom P-Typ seienden Emitters dotiert sein. Die Siliziumnanoteilchen 301 können an dem Passivierungsfilm 302 gebildet werden. Die Siliziumnanoteilchen 301 können durch einen Druckprozess, so beispielsweise durch Siebdrucken oder Tintenstrahldrucken, gebildet werden.
  • In 9 sind die Siliziumnanoteilchen 301 passiviert, um eine Rekombination von Elektron-Loch-Paaren zu minimieren und den Laserschmelzprozess zu optimieren. Die Siliziumnanoteilchen 301 werden nunmehr passivierte Siliziumnanoteilchen 305 genannt, um auszudrücken, dass der Passivierungsprozess Einzelne oder Cluster von verschmolzenen oder zusammengeballten Siliziumnanoteilchen 301 mit einem Nanoteilchenpassivierungsfilm 306 beschichtet. Der Nanoteilchenpassivierungsfilm 306 kann Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder ein anderes geeignetes Passivierungsmaterial umfassen, das an der Oberfläche von Einzelnen oder Clustern von Siliziumnanoteilchen 301 gebildet ist. Der Nanoteilchenpassivierungsfilm 306 kann beispielsweise ein Oxid umfassen, das thermisch auf die Oberfläche der Siliziumnanoteilchen 301 durch Erwärmen der Siliziumnanoteilchen 301 in einer Oxidierumgebung aufgewachsen wird. In Abhängigkeit von der Porosität der Siliziumnanoteilchen 301 kann der Nanoteilchenpassivierungsfilm 306 auch auf die Oberfläche der Siliziumnanoteilchen 301 durch CVD, darunter ALD, aufgebracht werden. Der Nanoteilchenpassivierungsfilm 306 kann beispielsweise Siliziumnitrid umfassen, das auf die Oberfläche der Siliziumnanoteilchen 301 durch ALD aufgebracht wird.
  • In 10 ist eine Deckschicht 307 an den passivierten Siliziumnanoteilchen 305 angebracht. Die Deckschicht 307 kann aufgebrachtes Siliziumnitrid oder ein anderes Deckmaterial umfassen. Die Deckschicht 307 verhindert, dass Feuchtigkeit in unterliegende Materialien einsickert, wodurch gegebenenfalls die Grenzfläche der passivierten Siliziumnanoteilchen 305 und des Passivierungsfilmes 302 verschlechtert wird. Die Deckschicht 307 ist optional und kann in einigen Fällen weggelassen werden.
  • In 11 lässt ein Laserkontaktprozess den Laserstrahl 103 auf Flächen über dem Substrat 303, wo der Emitter 304 ausgebildet ist, auftreffen. Der Laserkontaktprozess entfernt Abschnitte der Deckschicht 307, bewirkt ein Schmelzen der passivierten Siliziumnanoteilchen 305 und entfernt Abschnitte des Passivierungsfilmes 302 zur Bildung des Kontaktloches 308 und des Emitters 304. Im Allgemeinen kann der Laserkontaktprozess ein oder mehrere Laserquellen, ein oder mehrere Laserpulse, ein oder mehrere Laserschritte sowie auch Laserprozesse jenseits des Schmelzens beinhalten. Bei einem Ausführungsbeispiel erfolgt das Schmelzen der passivierten Siliziumnanoteilchen 305 durch Laserschmelzen, während das Entfernen der Abschnitte der Deckschicht 307 und das Entfernen der Abschnitte des Passivierungsfilmes 302 durch Laserabtragung erfolgt. Das Volumen bzw. die Ausdehnung (bulk) des Emitters 304 umfasst die geschmolzenen Siliziumnanoteilchen 301, die dotiert und damit leitfähig sind.
  • Die Solarzelle 300 beinhaltet eine Mehrzahl von Emittern 304 mit verschiedenen Leitfähigkeitstypen, von denen nur einer in 11 und den nachfolgenden Figuren aus darstellerischen Gründen gezeigt ist. Der Emitter 304 kann eine vom P-Typ seiende Leitfähigkeit aufweisen, wobei in diesem Fall die Siliziumnanoteilchen 301 vom P-Typ seiende Dotiermittel umfassen. Alternativ kann der Emitter 304 eine vom N-Typ seiende Leitfähigkeit umfassen, wobei in diesem Fall die Siliziumnanoteilchen 301 vom N-Typ seiende Dotiermittel umfassen. Im Allgemeinen sind Siliziumnanoteilchen 301 mit vom P-Typ seienden Dotiermitteln über Bereichen des Substrates 303 ausgebildet, in denen vom P-Typ seiende Emitter gebildet sind, und es sind Siliziumnanoteilchen 301 mit vom N-Typ seienden Dotiermitteln über Bereichen des Substrates 303, in denen vom N-Typ seiende Emitter gebildet sind, ausgebildet. Der Laserschmelzprozess bewirkt ein Schmelzen der Siliziumnanoteilchen 301 zur Bildung von Emittern 304 mit einem entsprechenden Leitfähigkeitstyp.
  • Für den Fall eines Laserschmelzens kann die Dicke des Nanoteilchenpassivierungsfilmes 306 einen weiten Bereich relativ zur Teilchengröße der Siliziumnanoteilchen 301 abdecken, ist jedoch im Allgemeinen beispielsweise im Vergleich zu einem Laserabtragungsprozess dünner. Die Laserquelle 102 ist mit optimaler Leistung, Wellenlänge und Pulszeit zum Erreichen eines Nanoteilchenschmelzens ausgewählt. Diese Lasereigenschaften können sich von denjenigen für den Fall von Bulk-Silizium aufgrund der Größenabhängigkeit von physischen Eigenschaften für Nanoteilchen, darunter optisches und thermisches Verhalten, unterscheiden. Der Laserstrahl 103 der Laserquelle 102 kann auf die Fläche gerichtet werden, wo das Kontaktloch 308 und der Emitter 304 gebildet werden sollen. Die Fläche kann eine beliebige Größe kleiner oder gleich derjenigen Fläche aufweisen, die durch die passivierten Siliziumnanoteilchen 305 bedeckt ist. Der Einzelnanoteilchenpassivierungsfilm 306 ist vergleichsweise dünn und erlaubt eine Reißen bzw. Brechen des Nanoteilchenpassivierungsfilmes 306 während des Laserschmelzens derart, dass die geschmolzenen Siliziumnanoteilchen 301 nicht auf einzelne Schalen (shells) beschränkt sind, die durch den Nanoteilchenpassivierungsfilm 306 gebildet sind. Das Brechen bzw. Reißen des Nanoteilchenpassivierungsfilmes kann durch verschiedene Wechselwirkungen des Nanoteilchenpassivierungsfilmes, der Nanoteilchen und des Laserprozesses, so beispielsweise eine indirekte Abtragung oder ein Schmelzen des Nanoteilchenpassivierungsfilmes, bewirkt werden.
  • Beim Laserschmelzen bewirken die Siliziumnanoteilchen 301 ein Schmelzen und Rekristallisieren zur Bildung entweder einer Polysiliziumschicht oder einer epitaxialen Siliziumschicht. Die neuaufgewachsene Schicht, die hochgradig dotiertes Polysilizium oder monokristallines Silizium ist, dient als Emitter 304. Diese neuaufgewachsene Fläche des Emitters 304 kann innerhalb einer Fläche von kristallinem Silizium mit der Bulk-Substratdotierung oder innerhalb einer Fläche mit höherer Dotierung als das Substrat infolge des Dotiermitteleintrages von den Siliziumnanoteilchen 301 zur Bildung des Emitters 304 befindlich sein. In Abhängigkeit von dem speziellen Filmstapel vor Ort zum Laserschmelzen kann der Stapel während des Laserschmelzens der Siliziumnanoteilchen 301 abgetragen werden, und es kann eine zweite Laserbedingung erforderlich sein, um den Filmstapel entweder vor oder nach dem Laserschmelzen der Siliziumnanoteilchen 301 abzutragen. Dies führt dazu, dass das Kontaktloch 308 zu der Oberfläche des ausgeglühten Bereiches mit Leitfähigkeit und Bildung nur in der Fläche der Siliziumnanoteilchen 301 zu dem Laserstrahl 103 hin freiliegt. Der Rest des Siliziumnanoteilchen 301, das heißt diejenigen, die für den Laserstrahl 103 nicht freiliegen, weist eine größere Resistivität (spezifischer Widerstand) auf und leitet keine Träger oder trägt nicht wesentlich zur Trägerrekombination bei.
  • Wie vorstehend ausgeführt worden ist, kann die Dicke des Nanoteilchenpassivierungsfilmes 306 relativ zur Teilchengröße der Siliziumnanoteilchen 301 für eine bestimmte Laserquelle 102 maßgeschneidert werden. Dies bedeutet, dass die Dicke des Nanoteilchenpassivierungsfilmes 306 zum optimalen Schmelzen angepasst werden kann. Die Dicke des Nanoteilchenpassivierungsfilmes 306, die Größe der Siliziumnanoteilchen 301 und die Eigenschaften der Laserquelle 102 hängen von den Spezifika der Solarzelle ab.
  • In 12 wird ein Metallkontakt 309 in jedem Kontaktloch 308 zur elektrischen Verbindung mit der Oberfläche des entsprechenden Emitters 304 ausgebildet.
  • 13 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bildung von Kontaktlöchern von Solarzellen unter Verwendung eines Laserkontaktprozesses entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Beispiel von 13 werden Siliziumnanoteilchen mit geeigneten Dotiermitteln, so beispielsweise vom N-Typ seienden Dotiermitteln, um Kontaktlöcher zu vom N-Typ seienden Emittern zu bilden, oder vom P-Typ seienden Dotiermittel, um Kontaktlöcher zu vom P-Typ seienden Emittern zu bilden, dotiert (Schritt 401). Die Siliziumnanoteilchen werden über einem Solarzellensubstrat gebildet (Schritt 402). Die Siliziumnanoteilchen können direkt auf dem Solarzellensubstrat oder einer weiteren Schicht (beispielsweise einem Passivierungsfilm), der auf dem Substrat ist, gebildet werden.
  • Die Siliziumnanoteilchen werden passiviert (Schritt 403). Die Siliziumnanoteilchen können während der Synthese, nach der Synthese, jedoch vor der Bildung auf dem Solarzellensubstrat oder nach der Bildung auf dem Solarzellensubstrat passiviert werden. Die Siliziumnanoteilchen können auf dem Solarzellensubstrat vor und nach dem Bilden der Emitter der Solarzelle passiviert werden. Die Siliziumnanoteilchen können durch Beschichten der Oberfläche von Einzelnen oder Clustern von Siliziumnanoteilchen mit einem Nanoteilchenpassivierungsfilm passiviert werden. Bei einem bestimmten Beispiel kann ein Oxid thermisch auf die Oberfläche von Einzelnen oder Clustern von Siliziumnanoteilchen aufgewachsen werden. Bei einem weiteren Beispiel kann Siliziumnitrid auf die Oberfläche von Einzelnen oder Clustern von Siliziumnanoteilchen aufgebracht werden. Vorteilhafterweise kann die Dicke des Nanoteilchenpassivierungsfilmes 11 für bestimmte Laserquellen maßgeschneidert werden, um Anforderungen von bestimmten Laserkontaktprozessen zu genügen.
  • Kontaktlöcher werden zu Emittern der Solarzelle ausgebildet, indem ein Laserstrahl auf die Siliziumnanoteilchen in einem Laserkontaktprozess auftrifft (Schritt 404). Der Laserkontaktprozess kann beispielsweise einen Laserabtragungsprozess beinhalten, um ein Kontaktloch durch die Siliziumnanoteilchen zu bilden, und auch einen anderen oder den gleichen Abtragungsprozess, um das Kontaktloch durch andere Materialien zu bilden. In jenem Fall können die Emitter durch Diffundieren von Dotiermitteln aus den Siliziumnanoteilchen in das Solarzellensubstrat hinein vor dem Bilden der Kontaktlöcher, die die Emitter freilegen, gebildet werden. Bei einem weiteren Beispiel kann der Laserkontaktprozess eine Laserschmelzprozess beinhalten, durch den die Siliziumnanoteilchen zur Bildung von Kontaktlöchern zu Emittern, die die geschmolzenen Siliziumnanoteilchen umfassen, gebildet werden. Die Kontaktlöcher können durch eine Deckschicht, die Siliziumnanoteilchen und einem Passivierungsfilm gebildet werden. Die Kontaktlöcher durch Materialien, die nicht die Siliziumnanoteilchen sind, können durch Laserabtragung oder einen anderen Laserprozess erzeugt werden. Die Kontaktlöcher durch die Siliziumnanoteilchen können durch Laserschmelzen erzeugt werden. Die Verwendung eines Lasers ermöglicht vergleichsweise kleine Punktkontaktlöcher durch Siliziumnanoteilchen für eine vergrößerte Solarzelleneffizienz.
  • Aus dem Vorbeschriebenen wird deutlich, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Vielzahl von Lasern, Siliziumnanoteilchen und Nanoteilchenpassivierungsfilmdicken ausgeführt werden können, um bestimmten Prozessanforderungen zu genügen. Sowohl für eine Laserabtragung wie auch ein Laserschmelzen kann beispielsweise ein grüner oder infraroter (oder auch eine andere Wellenlänge aufweisender) Laser mit einer Pulsbreite von 1 fs bis 10 ns eingesetzt werden. Die Dicke des Nanoteilchenpassivierungsfilmes kann von der Größe der Siliziumnanoteilchen und dem Typ des Laserprozesses, das heißt entweder Abtragung oder Schmelzen, abhängen. Im Allgemeinen tendieren Nanoteilchenpassivierungsfilme, die eine Dicke von mehr als 25% des Durchmessers der Siliziumnanoteilchen aufweisen, zu einer Laserabtragung, während Nanoteilchenpassivierungsfilme, die eine Dicke kleiner oder gleich 25% des Durchmessers der Siliziumnanoteilchen aufweisen, zum Laserschmelzen tendieren. Ein einen Durchmesser von 200 nm aufweisendes Siliziumnanoteilchen, das mit einem 10 nm dicken Nanoteilchenpassivierungsfilm beschichtet ist, ist zum Laserschmelzen beispielsweise besser geeignet. Bei einem weiteren Beispiel ist ein einen Durchmesser von 15 nm aufweisendes Siliziumnanoteilchen mit einem 10 nm dicken Nanoteilchenpassivierungsfilm besser für die Laserabtragung geeignet.
  • Es sind Laserkontaktprozesse, das Lasersystem und Solarzellenstrukturen zum Herstellen von Solarzellen unter Verwendung von Siliziumnanoteilchen offenbart worden. Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung vorgestellt worden sind, sollte einsichtig sein, dass diese Ausführungsbeispiele nur zu darstellerischen Zwecken und nicht zur Beschränkung aufgeführt sind. Viele zusätzliche Ausführungsbeispiele erschließen sich einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet durch das Studium der vorliegenden Offenbarung.

Claims (25)

  1. Verfahren zur Bildung von Kontaktlöchern von Solarzellen, wobei das Verfahren umfasst: Bilden von dotierten Siliziumnanoteilchen über einem Solarzellensubstrat; Beschichten der dotierten Siliziumnanoteilchen mit einem Nanoteilchenpassivierungsfilm; und Auftreffenlassen eines Laserstrahles auf die dotierten Siliziumnanoteilchen in einem Laserkontaktprozess zur Bildung eines Kontaktloches durch die dotierten Siliziumnanoteilchen zu einem Emitter der Solarzelle.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Siliziumsubstrat umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend: Bilden eines Passivierungsfilmes auf dem Solarzellensubstrat vor dem Bilden der dotierten Siliziumnanoteilchen über dem Solarzellensubstrat.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die dotierten Siliziumnanoteilchen auf dem Passivierungsfilm gebildet werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Passivierungsfilm Siliziumdioxid umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beschichten der dotierten Siliziumnanoteilchen mit dem Nanoteilchenpassivierungsfilm umfasst: Bilden von Siliziumdioxid auf einer Oberfläche von Einzelnen oder Clustern der dotierten Siliziumnanoteilchen.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beschichten der dotierten Siliziumnanoteilchen mit dem Nanoteilchenpassivierungsfilm umfasst: Aufbringen von Siliziumnitrid auf einer Oberfläche von Einzelnen oder Clustern der dotierten Siliziumnanoteilchen.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend: Diffundieren von Dotiermitteln aus den dotierten Siliziumnanoteilchen in das Solarzellensubstrat zur Bildung des Emitters vor dem Auftreffenlassen des Laserstrahles auf die dotierten Siliziumnanoteilchen in dem Laserkontaktprozess zur Bildung des Kontaktloches zu dem Emitter der Solarzelle.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Emitter aus geschmolzenen dotierten Siliziumnanoteilchen gebildet wird, wenn der Laserstrahl auf die dotierten Siliziumnanoteilchen in dem Laserkontaktprozess zur Bildung des Kontaktloches zu dem Emitter auftrifft.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend: Bilden einer Deckschicht auf den dotierten Siliziumnanoteilchen, wobei das Kontaktloch durch die Deckschicht geht.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend ein Bilden eines Metallkontaktes in das Kontaktloch hinein zur elektrischen Verbindung mit dem Emitter.
  12. Solarzelle, umfassend: ein Solarzellensubstrat; eine Mehrzahl von dotierten Siliziumnanoteilchen über dem Solarzellensubstrat, wobei eine Oberfläche von Einzelnen oder Clustern der Mehrzahl von dotierten Siliziumnanoteilchen einen Nanoteilchenpassivierungsfilm aufweist; ein Kontaktloch durch die Mehrzahl von dotierten Siliziumnanoteilchen; einen Emitter; und einen Metallkontakt zur elektrisch Verbindung mit dem Emitter durch das Kontaktloch.
  13. Solarzelle nach Anspruch 12, wobei der Emitter in dem Solarzellensubstrat ist.
  14. Solarzelle nach Anspruch 12, wobei das Solarzellensubstrat ein Siliziumsubstrat umfasst.
  15. Solarzelle nach Anspruch 12, des Weiteren umfassend einen Passivierungsfilm zwischen dem Solarzellensubstrat und der Mehrzahl von dotierten Siliziumnanoteilchen.
  16. Solarzelle nach Anspruch 12, des Weiteren umfassend eine Deckschicht über den dotierten Siliziumnanoteilchen.
  17. Verfahren zur Bildung von Kontaktlöchern von Solarzellen, wobei das Verfahren umfasst: Bilden von dotierten Siliziumnanoteilchen über einem Solarzellensubstrat; Diffundieren von Dotiermitteln aus den dotierten Siliziumnanoteilchen zur Bildung eines Emitters; Beschichten der dotierten Siliziumnanoteilchen mit einem Nanoteilchenpassivierungsfilm; und Auftreffenlassen eines Laserstrahles auf die dotierten Siliziumnanoteilchen in einem Laserkontaktprozess zur Bildung eines Kontaktloches durch die dotierten Siliziumnanoteilchen zu dem Emitter.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die dotierten Siliziumnanoteilchen mit dem Nanoteilchenpassivierungsfilm vor dem Diffundieren der Dotiermittel von den dotierten Siliziumnanoteilchen zur Bildung des Emitters beschichtet werden.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Beschichten der dotierten Siliziumnanoteilchen mit dem Nanoteilchenpassivierungsfilm umfasst: Bilden von Siliziumdioxid auf einer Oberfläche von Einzelnen oder Clustern der dotierten Siliziumnanoteilchen.
  20. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Beschichten der dotierten Siliziumnanoteilchen mit dem Nanoteilchenpassivierungsfilm umfasst: Aufbringen von Siliziumnitrid auf einer Oberfläche von Einzelnen oder Clustern der dotierten Siliziumnanoteilchen.
  21. Verfahren nach Anspruch 17, des Weiteren umfassend ein Bilden einer Deckschicht auf den dotierten Siliziumnanoteilchen, wobei das Kontaktloch durch die Deckschicht geht.
  22. Verfahren zur Bildung von Kontaktlöchern von Solarzellen, wobei das Verfahren umfasst: Bilden von dotierten Siliziumnanoteilchen über einem Substrat einer Solarzelle; Beschichten der dotierten Siliziumnanoteilchen mit einem Nanoteilchenpassivierungsfilm; und Schmelzen von Abschnitten der dotierten Siliziumnanoteilchen mit einem Laserstrahl zur Bildung eines Emitters der Solarzelle mit den geschmolzenen Abschnitten der dotierten Siliziumnanoteilchen und zur Bildung eines Kontaktloches zu dem Emitter der Solarzelle.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Beschichten der dotierten Siliziumnanoteilchen mit dem Nanoteilchenpassivierungsfilm umfasst: Bilden von Siliziumdioxid auf einer Oberfläche von Einzelnen oder Clustern der dotierten Siliziumnanoteilchen.
  24. Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Beschichten der dotierten Siliziumnanoteilchen mit dem Nanoteilchenpassivierungsfilm umfasst: Aufbringen von Siliziumnitrid auf einer Oberfläche von Einzelnen oder Teilchen der dotierten Siliziumnanoteilchen.
  25. Verfahren nach Anspruch 22, des Weiteren umfassend ein Bilden einer Deckschicht auf den dotierten Siliziumnanoteilchen, wobei das Kontaktloch durch die Deckschicht geht.
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