DE112013006064T5 - Solarzellen mit abgestuft dotierten Regionen und Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit abgestuft dotierten Regionen - Google Patents

Solarzellen mit abgestuft dotierten Regionen und Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit abgestuft dotierten Regionen Download PDF

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Abstract

Eine photovoltaische Zelle mit einer abgestuft dotierten Region, beispielsweise einem abgestuften Emitter, und ein Verfahren zur Herstellung von photovoltaischen Zellen mit abgestuft dotierten Regionen, beispielsweise abgestuften Emittern, sind offenbart. Die Dotierung wird über die Oberfläche eingestellt, um den Widerstands-Leistungsverlust (I2R) zu minimieren. Die abgestuften Emitter liefern eine abgestufte Änderung in dem Schichtwiderstand über dem gesamten Abstand zwischen den Linien. Das abgestufte Emitterprofil kann einen niedrigeren Schichtwiderstand nahe bei den Metalllinien und einen höheren Schichtwiderstand weiter weg von den Metalllinienkanten aufweisen. Der Schichtwiderstand wird so abgestuft, dass der Schichtwiderstand geringer ist, wo die I2R-Leistungsverluste aufgrund von Stromstau am höchsten sind. Ein Vorteil des abgestuften Emitters gegenüber selektiven Emittern ist ein verbesserter Wirkungsgrad. Ein zusätzlicher Vorteil der abgestuften Emitter gegenüber den selektiven Emittern ist eine verbesserte Leichtigkeit bei der Ausrichtung der Metallisierung gegenüber den Regionen mit niedrigem Schichtwiderstand.

Description

  • Hintergrund
  • 1. Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf die Technik der Verfahren zur Herstellung von Solarzellen, und insbesondere auf Solarzellen mit abgestuft dotierten Regionen und Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit abgestuft dotierten Regionen. Die dotierten Regionen können Emitter- und Oberflächenfelder umfassen.
  • 2. Stand der Technik
  • Solarzellen, die auch als photovoltaische (PV) Zellen bekannt sind, setzen Sonnenstrahlen in elektrische Energie um. Solarzellen werden unter Verwendung von Halbleiterverarbeitungstechniken hergestellt, die typischerweise beispielsweise die Abscheidung, Dotierung und Ätzung von verschiedenen Materialien und Schichten umfassen. Typische Solarzellen werden auf Halbleiterwafern oder -Substraten hergestellt, die dotiert werden, um p-n-Übergänge in den Wafern oder Substraten auszubilden. Eine Sonnenstrahlen (beispielsweise Photonen), die auf die Oberfläche des Substrats gerichtet werden, verursachen, dass Elektronen-Loch-Paare in den Substrat aufgebrochen werden, woraus eine Wanderung von Elektronen von der n-dotierten Region zu der p-dotierten Region resultiert (das heißt es wird ein elektrischer Strom erzeugt). Dadurch wird eine Spannungsdifferenz zwischen zwei gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats erzeugt. Metallkontakte, die mit einer elektrischen Schaltung gekoppelt sind, sammeln die elektrische Energie auf, die in dem Substrat erzeugt wurde. 1 zeigt eine beispielhafte Solarzelle.
  • In der Solarzelle fließt der durch Photonen erzeugte Strom zu den metallischen Kontaktregionen. Die metallischen Kontaktregionen können Linien oder Flecken (Pads) oder andere spezialisierte Formen sein. In einer typischen Solarzelle mit Frontkontakt sind die Frontfinger Linien. Ein Strom fließt durch den Emitter, um die Stromsammellinien zu erreichen, wie in 2 gezeigt ist. In 2 sind die Metalllinien um 2mm voneinander entfernt, wobei der Mittelpunkt bei 1mm liegt. In der Industrie liegt der Zwischenraum zwischen den Metalllinien typischerweise zwischen 1 und 3mm.
  • In fortschrittlichen Zellenstrukturen, beispielsweise bei Zellen mit Laser befeuertem, rückwärtigem Kontakt (Laser Fired Back Contact Cells) oder PERL-Zellen ist der Metallkontakt ein Punkt- oder Fleckenkontakt. Im Falle einer Emitter-Wickel- oder Metall-Wickel-anordnung sind die Kontaktlöcher ähnlich zu Punkt-Kontakten. In dem Design der Sunpower-Solarzelle ist der rückwärtige Kontakt durch Reihen von nahe beieinander liegenden Flecken gebildet. Andere einzigartige Formen können verwendet werden einschließlich beispielsweise Sterne und Schneekristallmuster.
  • Da der Strom aus Regionen der Zelle an den metallischen Kontaktregionen zusammenfließt, kann ein „Stromstau“ auftreten. Der Strom in dem Emitter steigt näherungsweise linear von einem Mittelpunkt zwischen zwei Fingern bei Annäherung an die Finger an, die in 3 gezeigt ist.
  • Der Widerstands-Leistungsverlust steigt mit dem Quadrat des Stroms in den Emitter. Eine Computersimulation (PC2D) für den Strom in einem 60 Ω/☐ Emitter ist in 3 gezeigt. Der I2R-Leistungsverlust von dem gleichen Emitter ist in 4 gezeigt. In 4 ist auch der Verlust durch Ladungsrekombination in dem Emitter durch offene Kreise dargestellt. In dieser Simulation ist der Zellenwirkungsgrad 17,8 %. Da der Leistungsverlust P = I2R ist, erhöht der Anstieg des Stroms nahe bei dem Metallkontakt den Widerstands-Leistungsverlust mit dem Quadrat den Stroms.
  • Ein einfaches Verfahren, um den Widerstands-Leistungsverlust zu reduzieren besteht darin, den Schichtwiderstand des Emitters abzusenken. Indem man dies tut, werden die Verluste aufgrund von Rekombinationen und optischen Einflüssen in dem Emitter erhöht. Daher sind höhere Schichtwiderstände für verbesserte Spannung und Strom erwünscht. Die Metalllinie wird typischerweise unter Verwendung von Paste auf Silberbasis ausgebildet. Solche Metallisierungen erfordern niedrigere Schichtwiderstände, um gute elektrische Kontakte zu dem Silizium herzustellen.
    Niedriger Schichtwiderstand Hoher Schichtwiderstand
    Widerstandsverluste I2R Vermindert sich Erhöht sich
    Silizium-Metal-Kontaktwiderstand Vermindert sich Erhöht sich
    Rekombinationsverluste Voc Erhöht sich Vermindert sich
    Lichtabsorbtionsverluste Jsc Erhöht sich Vermindert sich
  • Zusammenfassend verbessern geringe Schichtwiderstände (hohe Dotierung) die I2R-Leistungsverluste und bilden gute Kontakte zu der Metallisierung. Leider erhöhen niedrige Schichtwiderstände die Rekombinationsverluste, wobei Voc reduziert wird, und die optischen Verluste, wobei Jsc reduziert wird. Viel Arbeit wurde investiert, um diese miteinander konkurrierenden Einschränkungen zu optimieren. Ein Ansatz wird als selektiver Emitter bezeichnet. Selektive Emitter haben einen geringen Schichtwiderstand unter den Metallfingern, um Kontaktwiderstandsprobleme zwischen dem Emitter und der Silberpaste anzusprechen.
  • 5 zeigt den Flächenwidderstand und die Leistungsverluste in einer Zelle mit selektivem Emitter, in der der Schichtwiderstand unter dem Metallfinger 60 Ω/☐ beträgt, und der Schichtwiderstand weg von dem Metallfinger 90 Ω/☐ beträgt. Selektive Emitter haben einen gleichförmigen Schichtwiderstand zwischen den Metallfingern und zeigen daher große I2R-Leistungsverluste die im Gegenzug die Vorteile der niedrigen Rekombinationsverluste in den Regionen mit hohem Schichtwiderstand herabsetzen. Der Wirkungsgrad der Simulationszelle ist 18,4 %, welches eine Verbesserung gegenüber dem früherem 60 Ω/☐ Emitter ist.
  • Zusammenfassung
  • Die folgende Zusammenfassung der Erfindung ist enthalten, um ein grundlegendes Verständnis von einigen Aspekten und Merkmalen der Erfindung zu liefern. Diese Zusammenfassung ist kein ausführlicher Überblick über die Erfindung und als solches nicht dazu gedacht, Schlüsselelemente oder kritische Elemente der Erfindung besonders zu identifizieren oder den Umfang der Erfindung einzugrenzen. Der einzige Zweck ist es, einige Konzepte der Erfindung in einer vereinfachten Form als Vorspann zu der detaillierteren Beschreibung anzubieten, die unten gegeben wird.
  • Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine photovoltaische Zelle bereitgestellt, die ein Substrat umfasst, welches eine abgestuft dotierte Region umfasst; und eine Vielzahl von Metallkontakten in Kontakt mit wenigstes einem Teil der abgestuft dotierten Region.
  • Das Substrat kann Silizium umfassen. Die photovoltaische Zelle kann ferner einer Vielzahl von Busbalken in Kontakt mit der Vielzahl der Metallkontakte umfassen.
  • Die abgestuft dotierte Region kann einen abgestuften Emitter umfassen. Die abgestuft dotierte Region kann einen Gradienten des Dotierungsmittels in dem Substrat umfassen. Die abgestuft dotierte Region kann eine allmähliche Änderung in dem Schichtwiderstand über dem Abstand zwischen zwei der nebeneinander angeordneten Vielzahl von Metallkontakten umfassen. Eine Menge an Dotierungsmittel der abgestuft dotierten Region kann höher sein an einer Region des Substrats, die einen Stromstau erfährt. Eine Menge des Dotierungsmittels der abgestuft dotierten Region kann so ausgewählt werden, dass eine allmähliche Änderung in dem Schichtwiderstand von einem der Vielzahl der Metallkontakte zu einem angrenzenden der Vielzahl der Metallkontakte vorhanden ist. Ein Dotierungsmittelprofil der abgestuft dotierten Region kann so gewählt werden, dass ein Schichtwiderstand des Substrats nahe bei jedem der Vielzahl der Metallkontakte geringer ist als der Schichtwiderstand des Substrats an einem Mittelpunkt zwischen jedem der Vielzahl der Metallkontakte. Die abgestuft dotierte Region kann einen Gradienten und ein Plateau bei dem Schichtwiderstand aufweisen.
  • Nach einem anderem Respekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Zelle bereitgestellt, welches das Ausbilden einer abgestuft dotierten Region in einem Substrat umfasst und das Ausbilden einer Vielzahl von Metallkontakten über dem Substrat.
  • Das Ausbilden der abgestuft dotierten Region kann das Dotieren des Substrats umfassen. Das Dotieren kann eine Ionenimplantation umfassen. Das Dotieren kann eine Plasma-Immersionsdotierung umfassen. Die Dotierung kann eine Plasmaimplantation umfassen.
  • Die Dotierung kann das Implantieren eines Dotierungsmittels in einem abgestuften Profil in einem Substrat und das Aktivieren des Dotierungsmittels umfassen.
  • Das Dotierungsmittel kann durch Ionenimplantation in einem abgestuften Profil zwischen den Metallkontakten ausgeführt werden. Das abgestufte Profil kann konfiguriert werden, um einen geringen Schichtwiderstand nahe bei den Metalllinien und einen hohen Schichtwiderstand zwischen den Metalllinien bereitzustellen.
  • Nach einem weiterem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zu Herstellung einer photovoltaischen Zelle bereitgestellt, welches die Ionenimplantation eines Dotierungsmittels in ein Substrat, um eine Vielzahl von abgestuft dotierten Regionen zu bilden, und das Ausbilden einer Vielzahl von Metalllinien auf dem Substrat umfasst, wobei die abgestuft dotierte Region ein abgestuftes Profil umfasst, welches zwischen nebeneinanderliegenden Linien der Vielzahl der Metalllinien ausgebildet wird.
  • Das Implantieren kann eine Ionenimplantation umfassen. Das Implantieren kann eine Plasma-Immersionsdotierung umfassen. Das Implantieren kann alle Plasmagitterimplantationen umfassen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die beigefügten Zeichnungen, die hiermit einbezogen werden und Teil dieser Beschreibung bilden, zeigen exemplarisch Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, Prinzipien der Erfindung zu erläutern und zu zeigen. Die Zeichnungen sind dafür gedacht, hauptsächliche Merkmale der beispielhaften Ausführungsformen in einer schematischen Form zu zeigen. Die Zeichnungen sind nicht dafür gedacht, jegliche Merkmale von tatsächlichen Ausführungsformen noch relative Dimensionen der gezeigten Elemente darzustellen, und sie sind nicht maßstabsgerecht gezeichnet.
  • 1 zeigt eine photovoltaische Zelle.
  • 2 zeigt einen Stromfluss in einer photovoltaischen Zelle nach dem Stand der Technik.
  • 3 ist eine Darstellung, die einen Stromstau an den metallischen Kontaktregionen in einer photovoltaischen Zelle nach dem Stand der Technik zeigt.
  • 4 ist eine Darstellung, die darstellt, dass der Widerstands-Leistungsverlust mit dem Quadrat des Stromes in dem Emitter in einer photovoltaischen Zelle nach dem Stand der Technik ansteigt.
  • 5 ist eine Darstellung, die den Schichtwiderstand und die Leistungsverluste in einer photovoltaischen Zelle mit selektivem Emitter nach dem Stand der Technik zeigt.
  • 6 ist eine Darstellung, die einen abgestuften Emitter nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
  • 7 ist eine Darstellung, die einen abgestuften Emitter nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in Kombination mit einem selektiven Emitter nach dem Stand der Technik zeigt.
  • 8 ist eine Darstellung, die ein Dotierungsprofil eines abgestuften Emitters nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
  • 9 ist ein Flussdiagramm, dass ein Verfahren zu Herstellung einer photovoltaischen Zelle nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
  • 10 zeigt eine exemplarische Schattenmaske zur Ausbildung eines abgestuften Emitters mit einem Dotierungsprofil, dass in 8 gezeigt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 11 ist ein Flussdiagramm, dass ein Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Zelle nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
  • 12 ist eine grafische Darstellung die in einem abgestuften Emitter nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem selektiven Emitter vergleicht.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind auf eine photovoltaische (Solar-)Zelle gerichtet, die abgestuft dotierte Regionen, beispielsweise abgestufte Emitter, hat. Da der Leistungsverlust über der abgestuft dotierten Region nicht gleichförmig ist, ist eine optimalere Lösung zur Verminderung des oben beschriebenen Leistungsverlustes, den Schichtwiderstand der Regionen mit dem höchsten Strom zu reduzieren.
  • Die abgestufte Dotierung senkt den Schichtwiderstand in den Bereichen mit dem höchsten Strom proportional zu den Verlusten nach I2R. Eine abgestufte Dotierung kann in jedem Bereich verwendet werden, der Strom aufsammelt und/oder einen Stromstau erfährt. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind auf abgestufte, rückseitige Oberflächenfelder oder auf die abgestufte Dotierung für Basiskontakte gerichtet. Abgestufte Emitter oder andere abgestuft dotierte Bereiche werden dadurch gebildet, dass die Dotierungskonzentration abgestuft wird. Der Schichtwiderstand ist allgemein proportional zu der Dotierungskonzentration. Das Dotierungsprofil des abgestuft dotierten Bereichs kann so gewählt werden, dass ein niedrigerer Schichtwiderstand nahe bei den Metallkontakten und ein höherer Schichtwiderstand an einem weiteren Abstand von den Metallkontakten vorhanden ist. In einigen Ausführungsbeispielen resultiert das Dotierungsprofil in einer allmählichen Änderung des Schichtwiderstandes von einem Metallkontakt zu einem anderen, danebenliegenden Metallkontakt. In einigen Ausführungsbeispielen resultiert das Dotierungsprofil in einem Plateau des Schichtwiderstands an den Metallkontakten und/oder an einem Abstand in der Mitte zwischen den Metallkontakten, jedoch in einer abgestuften Änderung des Dotierungsprofils nahe bei den Metallkontakten.
  • 6 ist ein Beispiel eines abgestuften Emitters der Erfindung mit einem niedrigerem Schichtwiderstand nahe bei dem metallischen Kollektor zur Reduzierung von I2R Verlusten und mit einem höherem Schichtwiderstand nahe bei der Mitte zwischen zwei Metallkontakten. Der vorausgesagte Wirkungsgrad der Zelle für den abgestuften Emitter ist 18,5 %, eine leichte Verbesserung gegenüber dem selektivem Emitter.
  • Das Dotierungsmuster entsprechend dem abgestuften Emitter in 6 ist in 7 für vier Finger gezeigt. Eine Darstellung, die den Schichtwiderstand des selektiven und des abgestuften Emitters vergleicht, ist in 8 gezeigt. In 8 sind 4 Metallfinger und der Schichtwiderstand des Emitters zwischen jedem der Metallfinger gezeigt. In beiden Fällen ist der Schichtwiderstand unter dem Metall geringer, um den Kontaktwiderstand zu dem Metall zu verbessern. In 8 beträgt der Schichtwiderstand unter dem Metall 60 Ω/☐. Es ist zu beachten, dass unterschiedliche Pasten ausgewählt oder verwendet werden können, um höhere Schichtwiderstände zu erzeugen. In dem Fall des selektiven Emitters ist die Weite der 60 Ω/☐-Schichtwiderstandlinie, mit der das Metall ausgerichtet werden muss, weniger als 200 Mikron, zudem schwer ausgerichtet werden kann. Im Gegensatz dazu hat der abgestufte Emitter der Erfindung aufgrund der weniger abrupten Änderungen des Schichtwiderstands 500 Mikron oder mehr Breite für die Metalllinie, mit der ausgerichtet werden muss.
  • Die dünnen Finger können durch Siebdruck mit einer befeuerbaren Paste hergestellt werden, wobei durch die obere Zellen-Passivierungsschicht geätzt wird, um das Silizium zu kontaktieren. Busbalken, die senkrecht zu den Fingern sind, überqueren die Zonen mit hohem Schichtwiderstand der abgestuften Dotierung. Wenn die Busbalken in demselben Siebdruck in der gleichen befeurerbaren Paste ausgebildet werden, kann das Metall des Busbalkens die Solarzelle kurzschließen. Daher können die Busbalken separat mit einer nicht befeuerbaren Paste gedruckt werden, um das Kontaktieren des Siliziums in den Zonen mit hohem Schichtwiderstand zu vermeiden.
  • Bezugnehmend zurück auf 1 ist dort eine photovoltaische Zelle 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die photvoltaische Zelle 100 umfasst eine Basis 104, mehrere Linien 108 und einen Busbalken 112. Es ist zu beachten, dass die photvoltaische Zelle weniger oder mehr Linien 108 aufweisen kann, als in 1 gezeigt sind, und dass die photvoltaische Zelle mehr als den einen Busbalken 112 aufweisen kann, wie in 1 gezeigt. Die Basis 104 umfasst ein Substrat 116 und eine Passivierungsschicht 120, die über dem Substrat 116 ausgebildet ist. Die Linien 108 sind in der Passivierungsschicht 120 ausgebildet. Der Busbalken 112 ist über den Linien 108 und der Passivierungsschicht 120 ausgebildet. Ein Kontakt 124 ist auf der Seite des Substrats gegenüberliegend zu den Linien 108 und dem des Busbalken 112 ausgebildet.
  • Die Linien 108 sind lineare Kontakte auf der Vorderseite der Zelle. Die Linien 108 sind Metallfinger, die typischer Weise etwas 100μm breit sind und die jeweils nach 1,5–2,5mm über der Oberfläche der Zelle positioniert sind. Die Linien 108 sammeln den Strom, der in den Bereichen zwischen den Linien erzeugt wird. Es ist zu beachten, dass, obwohl die photvoltaische Zelle 100 mit Metalllinien 108 in den 1 und 2 gezeigt ist (das heißt lineare Kontakte), andere Formen für die Kontakte verwendet werden können, wie den Fachleuten bekannt ist, einschließlich beispielsweise Punkte, Flecken, Kreise, Sterne, Schneekristalle und dergleichen.
  • Abgestuft dotierte Regionen 128 sind in dem Substrat 104 ausgebildet. In einem Ausführungsbeispiel sind die abgestuft dotierten Regionen 128 abgestufte Emitter. Die abgestuft dotierten Regionen 128 liefern eine allmähliche Änderung in dem Schichtwiderstand über der gesamten Distanz zwischen den Linien 108. In einigen Ausführungsbeispielen hat das Profil der abgestuft dotierten Region einen niedrigeren Schichtwiderstand nahe bei den Metalllinien mit einem höherem Schichtwiderstand weiter weg von den Metalllinienkanten (das heißt an der Mitte zwischen den Linien 108).
  • Die abgestuft dotierten Regionen 128 werden durch Dotierung des Substrats 104 gebildet. Jedes bekannte Dotierungsmittel kann verwendet werden, einschließlich beispielsweise Bor, Phosphor, Arsen, Antimon und dergleichen. In einem Ausführungsbeispiel ist die Konzentration dieser Implantate geringer als 1E15cm–2. 8 zeigt ein beispielhaftes Dotierungsprofil für die abgestuften Emitter 128 der Erfindung. Es ist zu beachten, dass das Dotierungsprofil von dem in 7 gezeigten abweichen kann.
  • Ein Vergleich zwischen einem exemplarischen, abgestuften Emitter und einem selektiven Emitter typisch für den Stand der Technik ist in 8 gezeigt. In diesem Beispiel sind die Metalllinien oder Finger jeweils nach 2mm positioniert ausgehenden von 0mm. In den Zellen mit einem abgestuften Emitter ist eine abgestufte Änderung in dem Schichtwiderstand über dem Abstand zwischen den Fingern vorhanden. Im Gegensatz dazu hat der selektive Emitter einen Schichtwiderstand entsprechend einer Rechteckwelle über den Abstand zwischen den Fingern. In Ausführungsbeispielen kann der abgestufte Emitter ein Plateau des Schichtwiderstands an den hohen Schichtwiderständen haben. Dieses Plateau unterscheidet sich von dem selektiven Emitter mit Rechteckwelle wegen der abgestuften Änderung nahe bei den Metallfingern.
  • 9 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer photvoltaischen Zelle mit einem abgestuften Emitter nach einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung. Wie in 9 gezeigt ist, umfasst das Verfahren 600 das Ausbilden eines abgestuften Emitters (abgestufte Dotierungsregion) in dem Substrat (Block 904) und das Ausbilden von Metallkontakten über wenigstens einem Teil des abgestuften Emitters (abgestufte Dotierungsregion) (Block 908).
  • In einigen Ausführungsbeispielen wird die abgestuft dotierte Region unter Verwendung von abgestufter Dotierung durch Ionenimplantationen ausgebildet. Es gibt eine Anzahl von Ionenimplantationswerkzeugen, die nach den Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet werden können.
  • Eine exemplarische Implantationseinrichtung, die verwendet werden kann, um den abgestuften Emitter auszubilden, ist ein Punktstrahl. Der Punktstrahl kann jegliche Größe im Bereich von Größen zwischen einigen Millimetern und einigen Zentimetern im Durchmesser haben. Der Punktstrahl wird rasterförmig über die gesamte Oberfläche des Substrats geführt. Das Rastermuster ist typischerweise optimiert, um eine gleichförmige Dotierungsdichte über der gesamten Oberfläche des implantierten Teils zu erzeugen. Das Rastermuster kann jedoch modifiziert werden, um abgestuft dotierte Merkmale selektiv auf dem Substrat auszubilden.
  • Eine andere exemplarische Implantationseinrichtung kann einen langen und dünnen, rechteckigen Strahl haben, der ebenfalls rasterförmig über das Substrat geführt werden kann. Wenn der Punkt dünn genug ist, können entweder der Strahl oder die Schwenkgeschwindigkeit über den Wafer oder der Strahlstrom (oder beides) modelliert werden, um die abgestuft dotierten Merkmale selektiv auf dem Substrat auszubilden.
  • Eine weitere exemplarische Implantationseinrichtung ist eine Implantationseinrichtung mit breitem Strahl. Implantationseinrichtungen mit breitem Strahl sind vorteilhafter, weil sie eine sehr hohe Produktivität bereitstellen. Die Plasma-Immersionsimplantation ist ein herkömmliches Implantationsverfahren mit breitem Strahl. In der Plasma-Immersionsimplantation wird das Substrat auf Vorspannung gelegt, um die vorhandenen Dotierungsionen zu dem Substrat hin anzuziehen. Die Implantation in diesen Systemen ist nicht konform, weil das System typischerweise sehr begrenzte Ionenoptikelemente zur Verfügung hat und damit Ionenoptisch nicht manipuliert werden kann. Dennoch kann eine abgestufte Dotierung implementiert werden unter Verwendung von Schattenmasken, die spezielle Dotierungsregionen auf dem Substrat zur Verfügung stellen. Eine Implantation mit breitem Strahl unter Verwendung einer Schattenmaske, um diskrete Dotierungsregionen bereitzustellen, ist in der gemeinsamen US-Patentanmeldung Nr. 13/024,251 vom 9. Februar 2011 offenbart, die insgesamt durch Bezugnahme hier einbezogen wird.
  • In einigen Ausführungsbeispielen sind Antennen unter dem Wafer positioniert, um eine selektive Vorspannung an den Substratbereich anzulegen, um eine lokalisierte Anziehung der Dotierungsionen bereitzustellen. Die Antennen können viele verschiedene Formen haben, um die gewünschte, abgestufte Dotierungsverteilung über dem Substrat oder in dem Körper des Substrats zu erreichen. In einigen Ausführungsbeispielen kann jede Antennen mehrere Elemente haben, die unterschiedlich sowohl in der Spannung als auch in der Zeitsequenz vorgespannt sind, um variierende Ionen-Dosierungen und -Energie und -Spezies bereitzustellen. Einige Antennenelemente können verwendet werden, um Ionen der Dotierung gewisser Regionen zu verzögern und dadurch abrupte Dotierungsregionen sowohl in Dosis als auch Tiefe zu erreichen. Die Form des Anziehungspotentials auf der Vorderseite, die dem Plasmadotierungsmittel zugewandt ist, kann manipuliert werden, um eine beliebige resultierende Dotierung und andere Spezies von Implantationsmustern bereitzustellen. Solch eine Antenne kann eine beliebige Form haben und kann andere einmalige Merkmale haben, wie es durch die gewünschte abgestufte Dotierung erforderlich ist.
  • Die Plasma-Gitter-Implantationstechnologie (PGI) ist eine andere Implantationstechnik mit breitem Strahl, die mehrere Strahlen aus dem Plasma durch mehrere Öffnungen in Gittern extrahiert, die die Ionen zu einem Substrat beschleunigen. Die Plasma-Gitter-Implantation ist beispielsweise in der gemeinsamen US-Patentanmeldung 12/821,053 , eingereicht am 22. Juni 2010, mit dem Titel „Ionenimplantationssytem mit Gitteranordnung“ beschrieben, die in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen wird. Jede der oben offenbarten Verfahren oder Kombinationen der vorstehenden Verfahren können mit der Plasma-Gitter-Implantation (PGI) kombiniert werden, um eine abgestufte Dotierung oder Implantation zu erreichen.
  • Die Öffnungen in dem Gitter können auch dazu verwendet werden, das Muster der Ionen zu formen, die in die Oberfläche des Wafers implantiert werden. Die Existenz von mehreren Strahlen, die aus dem Gitter mit mehreren Öffnungen hervortreten, kann optisch in eine gewünschte Form manipuliert werden. Sie können in der Form von Linien, Punkten oder anderen einzigartigen Formen vorliegen. Mehrere Elemente oder Gitter können verwendet werden, um die Strahlen in die gewünschte Speziesverteilung und Größe zu formen. Eine ionenoptische Simulation, wie sie für die gewünschten Größen des ionisierten Stroms so klein wie einige Mikron oder so groß wie einige Zentimeter gezeigt wurde, kann mit mehreren Ionenoptischen Elementen erreicht werden. Die Verteilung innerhalb der Strahlungsmuster wird durch die Raumladung diktiert, die durch das Child Langmuir Gesetz beschrieben wird und von der angelegten Spannung und dem angelegten Strom wie folgt abhängt:
    Figure DE112013006064T5_0002
  • Wenn das Wafer durch einen breiten Ionenstrahl hindurchbewegt wird, kann eine Schattenmaske verwendet werden, um die abgestufte Dotierung und den abgestuften Schichtwiderstand zu erzeugen. Ein Beispiel einer Schattenmaske, die zu einer abgestuften Dotierung, wie sie in 7 gezeigt ist, führen würde, ist in 10 gezeigt. Der breite Ionenstrahl würde die gesamte Maske überdecken, während das Wafer sich vertikal darunter hindurchbewegt. Die höchste angesammelte Dosis würde an den größten Teilen der Maskenöffnungen auftreten, während die minimale Dotierung an dem schmalsten Teil der Öffnung auftreten würde.
  • Solche physikalischen Phänomene können vorteilhaft verwendet werden bei der Einstellung der Form, der Größe und der Distanz der mehrfachen Gitteröffnungen und der Substratpositionierung. In einigen Ausführungsbeispielen kann eine Kombination von einer oder mehreren Antennen unterhalb des Substrats und der Gittermanipulation der Ionenstrahloptik verwendet werden, um den abgestuften Emitter oder die abgestuften Emitter auszubilden. In einigen Ausführungsbeispielen kann eine Schattenmaske verwendet werden, um den abgestuften Emitter oder die abgestuften Emitter durch Variierung der Höhe der Schattenmaske von der Oberfläche des Wafers auszubilden.
  • Nach der Implantation der Dotierungsmittel wird das Substrat getempert, und die Dotierungsmittel werden aktiviert. Die nachfolgenden Temperungs- und Dotierungsmittel-Aktivierungsverfahren können auch verwendet werden, um eine weitere Formgebung zu der abgestuften Selektivität bei der Einführung von Dotierungsmitteln und anderen Spezies einzuführen. Es gibt viele Verfahren, die für die Temperung und die Aktivierung des Dotierungsmittels verwendet werden können, einschließlich beispielsweise eine gleichförmige Aufheizung des gesamten Substrats in der Fläche in Temperungsöfen und Heizeinrichtungen. In einigen Ausführungsbeispielen kann das lokalisierte Aufheizen der oberen Oberflächenschichten ebenfalls oder alternativ verwendet werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann das schnelle thermische Tempern verwendet werden. In dem thermischen Tempern wird eine Bank aus hochintensiven Lampen verwendet, um die oberste Oberfläche auf eine sehr hohe Temperatur in einer sehr schnellen Zeit aufzuheizen. Die Lampen können in eine einzigartige Form gebildet sein, um die Oberfläche selektiv aufzuheizen und dadurch eine abgestufte Dotierung sowohl seitlich als auch in der Körperrichtung des Substrats zu erreichen.
  • 11 zeigt einen anderes Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Zelle mit abgestuft dotierten Regionen, beispielsweise abgestuften Emittern, nach einigen Beispielen der Erfindung. Wie in 11 gezeigt ist, umfasst das Verfahren 1100 die Ionenimplantation eines Dotierungsmittels in einem Substrat, um eine Vielzahl von abgestuft dotierten Regionen (abgestuften Emittern) zu erzeugen (Block 1104) und eine Vielzahl von Metalllinien auf dem Substrat auszubilden, wobei die abgestuft dotierte Region (abgestufte Emitter) ein Gradientenprofil umfasst, welches zwischen nebeneinanderliegenden Linien der Vielzahl der Metalllinien ausgebildet wird (Block 1108).
  • Es ist zu beachten, dass die abgestuft dotierte Region verwendet werden kann, um eine weitere Beabstandung der Finger für ein vorgegebenes Ziel bei dem Widerstands-Leistungsverlust, eine Herabsetzung der Schattenbildung und des Verbrauchs an Silberpaste zu gestatten.
  • Bei einem kreisförmigen Punktkontakt ist der Stromstau noch ernsthafter. Wenn der Strom sehr schnell aufgesammelt wird, wird die Stromdichte über dem kreisförmigen Metallkontakt sehr hoch, wodurch der I2R-Leistungsverlust verschärft wird, wie in 12 gezeigt ist. Eine radial abgestufte Dotierung liefert eine Verbesserung bei kreisförmigen Punktkontakten, wie in 12 gezeigt ist. Wie in 12 gezeigt ist, haben beide Emitter ähnliche Gesamt-Rekombinationsverluste, der abgestufte Emitter hat jedoch die Hälfte des E2R-Leistungsverlustes des gleichförmigen Emitters.
  • Es ist zu beachten, dass die Verfahren und Techniken, die hier beschrieben sind, nicht inhärent in Bezug zu einem speziellen Gerät stehen oder durch geeignete Kombinationen von Komponenten implementiert werden können. Ferner können verschiedene Arten von Allzweckeinrichtungen entsprechend der hier beschriebenen Lehre verwendet werden. Die vorliegende Erfindung wurde in Bezug auf spezielle Beispiele beschrieben, die in jeder Hinsicht als illustrativ und nicht als einschränkend verstanden werden sollen. Die Fachleute werden erkennen, dass viele unterschiedliche Kombinationen zur Ausführung der vorliegenden Erfindung geeignet sind.
  • Darüber hinaus sind andere Umsetzungen der Erfindung für den Fachmann aus der Betrachtung der Beschreibung und der Ausführung der Erfindung, wie sie hier beschrieben ist, ersichtlich. Verschiedenen Aspekte und/oder Komponenten der beschriebenen Ausführungsbeispiele können einzeln oder in Kombination verwendet werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft betrachtet werden, wobei der Schutzumfang und der Geist der Erfindung durch die folgenden Ansprüche angeben wird.

Claims (22)

  1. Photovoltaische Zelle umfassend: ein Substrat umfassend eine abgestuft dotierte Region; eine Vielzahl von Metallkontakten in Kontakt mit wenigstens einem Teil der abgestuft dotierten Region.
  2. Photovoltaische Zelle nach Anspruch 1, worin das Substrat Silizium umfasst.
  3. Photovoltaische Zelle nach Anspruch 1, worin die abgestuft dotierte Region einen abgestuften Emitter umfasst.
  4. Photovoltaische Zelle nach Anspruch 1, worin die abgestufte dotierte Region einen Gradienten eines Dotierungsmittel in den Substrat umfasst.
  5. Photovoltaische Zelle nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Vielzahl von Busbalken in Kontakt mit der Vielzahl der Metallkontakte.
  6. Photovoltaische Zelle nach Anspruch 1, worin die abgestuft dotierte Region eine abgestufte Änderung in dem Schichtwiderstand über dem Abstand zwischen zwei der nebeneinanderliegenden Vielzahl von Metallkontakten umfasst.
  7. Photovoltaische Zelle nach Anspruch 1, worin eine Menge an Dotierungsmittel der abgestuft dotierten Region höher an einer Region des Substrats ist, an der ein Stromstau auftritt.
  8. Photovoltaische Zelle nach Anspruch 1, worin eine Menge an Dotierungsmittel der abgestuft dotierten Region so ausgewählt wird, dass eine abgestufte Änderung in dem Schichtwiderstand von einem der Vielzahl der Metallkontakte zu einem angrenzenden der Vielzahl der Metallkontakte vorhanden ist.
  9. Photovoltaische Zelle nach Anspruch 1, worin ein Dotierungsmittelprofil der abgestuft dotierten Region so ausgewählt wird, dass ein Schichtwiderstand des Substrats nahe bei jedem der Vielzahl der Metallkontakte geringer ist als ein Schichtwiderstand des Substrats an einer Mitte zwischen jedem der Vielzahl der Metallkontakte.
  10. Photovoltaische Zelle nach Anspruch 1, worin die abgestuft dotierte Region einen Gradienten und einen Plateau des Schichtwiderstandes umfasst.
  11. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaische Zelle umfassend: Ausbilden einer abgestuft dotierten Region in einem Substrat; Ausbilden einer Vielzahl von Metallkontakten über dem Substrat.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, worin das Ausbilden der abgestuft dotierende Region das Dotieren des Substrats umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, worin die Dotierung die Ionenimplantation umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, worin die Dotierung die Plasmaimmersionsdotierung umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, worin die Dotierung die Plasma-Gitter-Implantation umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 12, worin die Dotierung umfasst: Ionenimplantation eines Dotierungsmittels in einem abgestuften Profil in einem Substrat und aktivieren des Dotierungsmittels.
  17. Verfahren nach Anspruch 12, worin das Dotierungsmittel in einem Gradientenprofil zwischen den Metallkontakten Ionenimplantiert wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, worin das Gradientenprofil konfiguriert ist, um einen geringen Schichtwiderstand nahe bei den Metalllinien und einen hohen Schichtwiderstand zwischen den Metalllinien bereit zu stellen.
  19. Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Zelle umfassend: Ionenimplantieren eines Dotierungsmittels in ein Substrat, um eine Vielzahl von abgestuft dotierten Regionen zu bilden; Ausbilden einer Vielzahl von Metalllinien auf dem Substrat, wobei die abgestufte dotierte Region ein Gradientenprofil umfasst, das zwischen nebeneinanderliegenden Linien der Vielzahl der Metalllinien ausgebildet ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, worin die Implantation die Ionenimplantation umfasst.
  21. Verfahren nach Anspruch 19, worin die Implantation die Plasma-Immersions-Dotierung umfasst.
  22. Verfahren nach Anspruch 19, worin die Implantation die Plasma-Gitter-Implantation umfasst.
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