DE19525720A1 - Solar cell mfg system - has interleaved thick-film and thin-film contacts at rear surface of doped silicon substrate with surface oxidation layer - Google Patents
Solar cell mfg system - has interleaved thick-film and thin-film contacts at rear surface of doped silicon substrate with surface oxidation layerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Solarzelle ohne Vorderseitenme tallisierung, bei der sich sowohl die n- als auch die p-Kontakte auf der Rückseite befinden. Dabei wird die Vorder seite durch keinen Kontakt abgeschattet und kann so uneinge schränkt zur Lichteinstrahlung benutzt werden.The invention relates to a solar cell without a front panel tallization in which both the n and the p contacts are on the back. The front side is not shaded by any contact and can limits to be used for light irradiation.
Eine Solarzelle ohne Vorderseitenmetallisierung ist bei spielsweise aus R. A. Sinton, P. J. Verlinden, R. A. Crane, R. M. Swanson, C. Tilford, J. Perkins and K. Garrison, "Large-Area 21% Efficient Si Solar Cells", Proc. of the 23rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Louisville, 1993, Seiten 157 bis 161 bekannt. Zu deren Herstellung werden dabei in mehreren Maskenschritten unterschiedlich dotierte Gebiete nebeneinander erzeugt und durch Darüberaufbringen einer mehr schichtigen Metallstruktur metallisiert bzw. kontaktiert. Das Aufbringen der Metallstrukturen erfolgt dabei durch Dünn schichtverfahren.A solar cell without front metallization is included for example from R. A. Sinton, P. J. Verlinden, R. A. Crane, R. M. Swanson, C. Tilford, J. Perkins and K. Garrison, "Large Area 21% Efficient Si Solar Cells", Proc. of the 23rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Louisville, 1993, Pages 157 to 161 known. They are used to manufacture them areas doped differently in several mask steps created side by side and by applying one more layered metal structure metallized or contacted. The The metal structures are applied by thin layering process.
Nachteilig ist dabei, daß das Verfahren mehrere Maskenschrit te benötigt und dadurch aufwendig ist.The disadvantage here is that the method involves several masking steps te required and is therefore complex.
Problem der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung einer Solarzelle ohne Vorderseitenmetallisierung anzugeben, welches einfach, sicher und schnell durchzuführen ist und welches zu einer Solarzelle mit hohem Wirkungsgrad und gut haftenden Kontakten führt.The problem of the present invention is a method for Generation of a solar cell without front-side metallization indicate which one is easy, safe and quick to perform and which is a solar cell with high efficiency and leads to adherent contacts.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Solarzelle nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Solarzelle sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen. This object is achieved by a solar cell Claim 1 solved. Advantageous embodiments of the invention and a method for producing this solar cell the other claims.
Die Erfindung nutzt eine vorteilhafte Kombination von Dick film- und Dünnschichtverfahren zur Herstellung der p- und der n-Kontakte. Ein ähnliches Verfahren für eine herkömmliche So larzelle mit Vorderseiten- und Rückseitenkontakten ist bei spielsweise aus WO 93/19492 bekannt. Der Halbleiterkörper der erfindungsgemäßen Solarzelle besteht wie bekannt aus p-dotiertem Silizium, dessen Vorderseite zur Verbesserung der Lichteinfallsgeometrie texturiert ist. Auf der Rückseite be findet sich eine Passivierungsschicht, vorzugsweise eine Oxidschicht. In dieser Passivierungsschicht sind fingerförmi ge Öffnungen ausgespart, in denen sich die n-Kontakte in Form metallischer Dünnschichtkontakte befinden. Auch die p-Kontakte (Dickfilmkontakte) sind fingerförmig ausgebildet, greifen mit den ebenfalls fingerförmigen Dünnschichtkontakten berührungslos ineinander und bestehen aus einer aufgedruckten silberhaltigen Paste. Unterhalb der fingerförmigen Kontakte befinden sich hochdotierte n⁺- bzw. p⁺-Gebiete, die nicht miteinander überlappen und zwischen denen sich jeweils ein pn-Übergang ausbildet. Durch die Kombination von Dickfilm- und Dünnschichttechnik können so alternierende Kontakte in einem Linienraster erzeugt werden, das einen Rasterabstand von minimal ca. 200 um erreichen kann.The invention uses an advantageous combination of Dick film and thin film processes for the production of the p- and the n contacts. A similar procedure for a conventional So Lar cell with front and rear contacts is included known for example from WO 93/19492. The semiconductor body of the solar cell according to the invention consists of, as is known p-doped silicon, the front of which to improve the Light incidence geometry is textured. Be on the back there is a passivation layer, preferably one Oxide layer. In this passivation layer are finger-shaped Opened openings in which the n-contacts are in shape metallic thin film contacts. Even the p contacts (Thick film contacts) are finger-shaped, grip with the finger-shaped thin-film contacts into each other without contact and consist of a printed silver-containing paste. Below the finger-shaped contacts there are highly doped n⁺ or p⁺ areas that are not overlap with each other and between each one pn junction forms. By combining thick film and thin film technology can alternate contacts in a grid of lines are generated that have a grid spacing of at least about 200 µm.
Die Dünnschichtkontakte bestehen vorzugsweise aus einer Nic kelschicht, die in den Öffnungen der Passivierungsschicht di rekt auf der Halbleiteroberfläche aufgebracht ist und die mit einem weiteren Metall verstärkt ist. Dieses weitere Metall kann Kupfer oder Silber sein. Die Nickelschicht zeichnet sich durch eine gute Haftung auf dem Siliziumhalbleiterkörper aus. Das verstärkende Metall gewährleistet ausreichend elektrische Leitfähigkeit.The thin-film contacts preferably consist of a Nic kelschicht in the openings of the passivation layer di is applied directly to the semiconductor surface and with another metal is reinforced. This other metal can be copper or silver. The nickel layer stands out by good adhesion to the silicon semiconductor body. The reinforcing metal ensures sufficient electrical Conductivity.
Im Herstellverfahren erfolgt das Aufbringen der Kontakte und das Erzeugen der hochdotierten Gebiete selbstjustierend. Da durch ist eine hohe Verfahrenssicherheit gewährleistet. Au ßerdem wird es möglich, den Abstand zwischen den einzelnen fingerförmigen Kontakten auf einen niedrigen Abstand hin zu optimieren, der bis zu 200 µm Rasterabstand bzw. bis zu 100 µm lichtem Abstand zwischen den einzelnen Kontakten betragen kann.The contacts and are applied in the manufacturing process the self-adjusting generation of the highly doped areas. There ensures a high level of procedural security. Au It also becomes possible to change the distance between each finger-shaped contacts towards a short distance optimize the up to 200 µm grid spacing or up to 100 µm clear distance between the individual contacts can.
Die Definition der Dünnschichtkontakte erfordert einen Struk turierungsschritt, mit dem Öffnungen in der Passivierungs schicht, üblicherweise in der Oxidschicht auf der Rückseite der Solarzelle erzeugt werden. Zur Strukturierung kann eine Photolackschicht aufgebracht und durch Belichten und Entwic keln strukturiert werden. Die Öffnungen in der Passivierungs schicht werden dann durch Ätzen erzeugt, wobei die verblei bende Photolackstruktur als Ätzmaske dient. Gegebenenfalls können die Öffnungen durch Ätzen des Halbleiterkörpers zu Gräben vertieft werden, die eine bessere Haftung der Dünn schichtmetallisierung in diesen Gräben ermöglichen und abhän gig vom Halbleitermaterial eine Verbesserung des Wirkungs grads bewirken. Möglich ist es auch, die Öffnungen direkt durch Laserstrukturierung oder mechanische Bearbeitung zu er zeugen, wobei auch hier je nach Strukturierungstiefe die Öff nungen in der Passivierungsschicht zu Gräben im Halbleiter körper vertieft sein können.The definition of thin-film contacts requires a structure turation step, with the openings in the passivation layer, usually in the oxide layer on the back the solar cell are generated. For structuring a Photoresist layer applied and by exposure and development be structured. The openings in the passivation layer are then produced by etching, whereby the lead practicing photoresist structure serves as an etching mask. Possibly can close the openings by etching the semiconductor body Ditches are deepened, which better adhesion of the thin Enable and depend on layer metallization in these trenches gig of semiconductor material an improvement in effectiveness degrees. It is also possible to open the openings directly through laser structuring or mechanical processing testify, here also depending on the structuring depth the public in the passivation layer to form trenches in the semiconductor body can be deepened.
Die anschließende Phosphordiffusion führt zur Erzeugung von n⁺-dotierten Gebieten im Bereich der Öffnungen, da nur dort der Dotierstoff in den Halbleiterkörper eindringen kann. Durch geeignete Wahl der Diffusionsbedingungen ist es mög lich, die hochdotierten Gebiete genau zu begrenzen, bzw. de ren Größe genau zu kontrollieren.The subsequent phosphorus diffusion leads to the generation of n⁺-doped areas in the area of the openings, since only there the dopant can penetrate into the semiconductor body. A suitable choice of diffusion conditions makes it possible Lich to delimit the highly-doped areas precisely, or de control their size precisely.
Die Definition der Dickfilmkontakte (p-Kontakte) erfolgt beim Aufdrucken. Dazu sind Sieb-, Schablonen- und Tampondruckver fahren geeignet. Während sich mit Siebdruckverfahren Struk turbreiten bis ca. 80 µm erreichen lassen, können mit den an deren Verfahren noch schmalere Strukturbreiten bis ca. 20 µm erwartet werden. Thick film contacts (p contacts) are defined at Imprint. This includes screen, stencil and pad printing drive suitable. While Struk can reach up to approx. 80 µm with the their processes have even narrower structure widths of up to approx. 20 µm to be expected.
Die Dickfilmkontakte werden in Form einer elektrisch leitfä higen Paste aufgedruckt. Diese enthält neben den die Leitfä higkeit vermittelnden Metallpartikeln, insbesondere Silber, noch anorganisches Oxid und gegebenenfalls Binder. Während die Oxidzuschläge die Haftung auf dem Halbleiterkörper ver mitteln, wird mit dem Binder eine verarbeitungsfähige Be schaffenheit der Paste eingestellt. Als weiteren Bestandteil enthält die elektrisch leitfähige Paste noch einen Dotier stoffzuschlag zum Erzeugen einer p-Dotierung. Entsprechend enthält die Paste beispielsweise geeignete Bor- oder Alumini umverbindungen bzw. metallisches Aluminium.The thick film contacts are in the form of an electrically conductive printed paste. In addition to the guidelines ability-imparting metal particles, in particular silver, still inorganic oxide and optionally binder. While the oxide surcharges ver the adhesion on the semiconductor body averaging, the binder becomes a processable loading the texture of the paste is set. As a further component the electrically conductive paste also contains a dopant Material surcharge for generating p-type doping. Corresponding the paste contains, for example, suitable boron or aluminum connections or metallic aluminum.
Im anschließenden Sintervorgang werden die Dickfilmkontakte gehärtet und auf den Halbleiterkörper aufgesintert. Gleich zeitig wird der enthaltene Dotierstoff in den Halbleiterkör per eingetrieben und eine gut leitfähige Verbindung zwischen den p⁺-Gebieten und den aufgedruckten Dickfilmkontakten durch die Passivierungsschicht hindurch hergestellt.In the subsequent sintering process, the thick film contacts hardened and sintered onto the semiconductor body. Soon the dopant contained in the semiconductor body by driven in and a good conductive connection between the p⁺ areas and the printed thick film contacts through the passivation layer.
Die Dickfilmkontakte werden so aufgedruckt, daß die p⁺-dotierten Gebiete nicht mit den vorher im Bereich der Öffnun gen hergestellten n⁺-dotierten Gebieten überlappen. Dennoch wird die Geometrie der Dünnschicht- und Dickfilmkontakte auf einen minimalen Abstand zueinander optimiert.The thick film contacts are printed so that the p⁺-doped areas not with those previously in the area of the opening overlap gene produced n⁺-doped regions. Yet the geometry of the thin-film and thick-film contacts optimized a minimum distance from each other.
Im nächsten Schritt werden die Dünnschichtkontakte durch che mische Metallisierung des Halbleiterkörpers in den Öffnungen der Passivierungsschicht erzeugt. Da die chemische Abschei dung vorzugsweise auf einer hochdotierten und elektrisch gut leitenden Halbleiteroberfläche stattfindet, kann sie gezielt in den Öffnungen erfolgen. Durch einen dazwischengeschalteten Ätzschritt wird die Halbleiteroberfläche in den Öffnungen von einer inzwischen gebildeten dünnen Oxidschicht befreit. Dazu kann eine Fluoridionen enthaltende saure Lösung dienen.In the next step, the thin-film contacts are replaced by che Mix metallization of the semiconductor body in the openings of the passivation layer. Because the chemical separation preferably on a highly doped and electrically good conductive semiconductor surface takes place, it can be targeted done in the openings. Through an intermediary Etching step is the semiconductor surface in the openings of a thin oxide layer formed in the meantime. To an acidic solution containing fluoride ions can serve.
Für die Dünnschichtkontakte wird zunächst eine Nickelschicht abgeschieden. Diese läßt sich schnell und einfach auf (gereinigten) Halbleiteroberflächen in rein chemischer Weise abscheiden. Die erzeugten Nickelschichten zeigen dabei eine gute Haftung auf dem Halbleiterkörper. Vorzugsweise wird die Nickelschicht nur dünn abgeschieden und anschließend mit ei nem weiteren, elektrisch gut leitfähigen Metall verstärkt. Das weitere Metall kann ebenfalls durch chemische Abscheidung oder durch galvanische Verstärkung der Nickelschicht aufge bracht werden.A nickel layer is first used for the thin-film contacts deposited. This can be opened quickly and easily (Cleaned) semiconductor surfaces in a purely chemical way separate. The nickel layers produced show one good adhesion to the semiconductor body. Preferably the Nickel layer only thinly deposited and then with egg nem another, electrically highly conductive metal reinforced. The other metal can also be by chemical deposition or by galvanic reinforcement of the nickel layer be brought.
Möglich ist es auch, die Nickelabscheidung durch vorherige Erzeugung einer Palladiumkeimschicht zu beschleunigen. Diese kann durch eine kurze Behandlung der Halbleiteroberfläche mit einer Pd-Ionen enthaltenden Lösung erfolgen. Enthält diese außerdem noch Fluoridionen in saurem Medium, so kann der vor herige Ätzschritt entfallen.It is also possible to deposit nickel by previous ones Accelerate generation of a palladium seed layer. This can be treated with a short treatment of the semiconductor surface a solution containing Pd ions. Contains this also fluoride ions in an acid medium, so it can previous etching step is omitted.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Ab scheidung sowohl der Nickelschicht als auch der Schicht des weiteren Metalls lichtinduziert erfolgen, bzw. durch Licht einstrahlung unterstützt werden. Dabei werden im Halbleiter körper Ladungsträgerpaare erzeugt und im internen Feld des Halbleiterkörpers bzw. der Solarzelle getrennt. Dadurch ste hen an den p⁺-dotierten Gebieten Elektronen zu Reduktion der Metallionen zur Verfügung. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die die Metallionen enthaltende Lösung keinerlei Redukti onsmittel aufweisen muß. Zur lichtinduzierten chemischen Ab scheidung genügen daher stabile Metallisierungsbäder, wie sie beispielsweise in der Galvanik Verwendung finden. Dabei ist zu beachten, daß neben der lichtinduzierten Metallabscheidung in den n⁺-dotierten Gebieten gleichzeitig die über den p⁺-do tierten Gebieten aufgebrachten Kontakte in Lösung gehen. Es wurde festgestellt, daß die aufgedruckten Dickfilmstrukturen gut als sogenannte "Opferanode" geeignet sind. Neben einer Beschleunigung des Abscheideverfahrens hat die lichtinduzier te Metallabscheidung den weiteren Vorteil, daß sie bei nied rigeren Temperaturen als eine entsprechende "Dunkelabschei dung" bzw. eine entsprechende galvanische Abscheidung durch geführt werden kann, zum Beispiel bereits bei Raumtemperatur.In a further embodiment of the invention, the Ab separation of both the nickel layer and the layer of other metals are induced by light, or by light radiation are supported. Thereby, in the semiconductor body pairs of carriers generated and in the internal field of the Semiconductor body or the solar cell separately. Thereby ste at the p⁺-doped areas electrons to reduce the Metal ions available. This procedure has the advantage that the solution containing the metal ions does not contain any reducti must have onsmittel. For light-induced chemical ab Therefore, stable metallization baths like the one above are sufficient find use in electroplating, for example. It is note that in addition to the light-induced metal deposition in the n⁺-doped areas simultaneously via the p⁺-do contacts in the areas affected. It it was found that the printed thick film structures are well suited as so-called "sacrificial anodes". In addition to one The light-induced acceleration of the deposition process te metal deposition has the further advantage that at low higher temperatures than a corresponding "darkness" dung "or a corresponding galvanic deposition by can be performed, for example at room temperature.
Das bei der lichtinduzierten Metallabscheidung aus den Dick filmkontakten in Lösung gehende Metall ist abhängig von der Art des abzuscheidenden Metalls. Bei lichtinduzierter Ab scheidung von Nickel und Kupfer wird aus dem Dickfilmkontakt vorwiegend das als Dotierstoff enthaltene Aluminium gelöst. Es ist deshalb vorteilhaft, die Aluminiumdotierung in der Dickfilmpaste höher als üblich vorzunehmen. Bei der lichtin duzierten Abscheidung von Silber gehen sowohl Aluminium als auch Silber aus dem Dickfilmkontakt in Lösung. Auch deswegen muß beim Aufbringen der Dickfilmkontakte eine größere Struk turbreite bzw. ein höherer Querschnitt vorgesehen werden, der diesen Verlust ausgleichen kann.That with the light-induced metal deposition from the thick Metal contacts in solution depends on the metal Type of metal to be deposited. With light-induced Ab The thick film contact separates nickel and copper mainly dissolved the aluminum contained as a dopant. It is therefore advantageous to use aluminum in the Make thick film paste higher than usual. At the lichtin reduced deposition of silver go both aluminum and also silver from the thick film contact in solution. Also because of that must have a larger structure when applying the thick film contacts turbreite or a higher cross section are provided, the can compensate for this loss.
Als weiteres Metall wird über der Nickelschicht vorzugsweise Silber abgeschieden, was ebenfalls lichtinduziert stromlos aus bekannten chemischen oder galvanischen Silberbädern er folgen kann. Vorzugsweise wird dazu jedoch ein cyanidisches Silberbad verwendet.Another metal is preferred over the nickel layer Silver deposited, which is also light-induced without current from known chemical or galvanic silver baths can follow. However, a cyanide is preferred for this purpose Silver bath used.
In einem weiteren Temperschritt werden sowohl Haftung als auch elektrische Leitfähigkeit der Dünnschichtkontakte ver bessert.In a further tempering step, liability as well also ver electrical conductivity of the thin film contacts improves.
Auf der Vorderseite der nun bereits fertiggestellten Solar zelle kann zusätzlich noch eine Passivierungs- oder Antire flexschicht aus einem Dielektrikum aufgebracht werden. Ge eignet sind beispielsweise dünne Schichten aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Titanoxid oder Schichtkombinationen aus die sen Materialien.On the front of the already completed solar cell can also passivate or anti-pass flex layer can be applied from a dielectric. Ge thin layers of silicon oxide are suitable, for example, Silicon nitride, titanium oxide or layer combinations of the materials.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spiels und der dazugehörigen acht Figuren näher erläutert. In the following, the invention is illustrated by means of an embodiment game and the associated eight figures explained in more detail.
Die Fig. 1 bis 6 anhand schematischer Querschnitte durch eine Solarzelle verschiedene Verfahrensstufen und deren Her stellung, undThe position of Fig. 1 to 6 with reference to schematic cross sections of a different solar cell process steps and their Her, and
Fig. 7 und 8 zeigen mögliche geometrische Anordnungen von Dickfilm und Dünnschichtkontakten auf der Rückseite. FIGS. 7 and 8 show possible geometric arrangements of thick-film and thin-film contacts on the back.
Fig. 1: Als Halbleiterkörper 1 wird beispielsweise ein p-dotierter Cz-Wafer mit <100<-Orientierung gewählt. Möglich ist es jedoch auch, einen entsprechenden polykristallinen Si liziumwafer zu verwenden. Fig. 1: As a semiconductor body 1, a p-type CZ wafer with <100 <orientation is chosen, for example. However, it is also possible to use a corresponding polycrystalline silicon wafer.
Durch basische kristallorientierte Ätzung wird nach gegebe nenfalls vorgeschalteter kurzer Damageätzung zunächst auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 eine Texturierung 2 zur Verbesserung der Lichteinfallsgeometrie erzeugt. So entsteht eine aufgerauhte Oberfläche mit pyramidenförmigen Erhebungen, die in den weiteren Figuren nicht mehr dargestellt werden. Zur Passivierung der Oberfläche wird nun zumindest auf der Rückseite eine Passivierungsschicht 3, zum Beispiel eine Oxidschicht erzeugt. Auf der Vorderseite kann diese Passivie rungsschicht 3 gleichzeitig als Antireflexschicht dienen. Den gleichen Zweck kann auch eine Siliziumnitridschicht oder eine aus beiden Materialien kombinierte Schicht erfüllen. Möglich ist es auch, über der Oxidschicht eine Titanoxidschicht als Antireflexschicht zu erzeugen.By means of basic crystal-oriented etching, a texturing 2 for improving the light incidence geometry is first generated on the surface of the semiconductor body 1, if appropriate upstream. This creates a roughened surface with pyramid-shaped elevations, which are no longer shown in the other figures. To passivate the surface, a passivation layer 3 , for example an oxide layer, is now produced at least on the back. On the front, this passivation layer 3 can simultaneously serve as an anti-reflective layer. A silicon nitride layer or a layer combined from both materials can also serve the same purpose. It is also possible to produce a titanium oxide layer as an anti-reflective layer over the oxide layer.
Fig. 2: Zur Definierung der Dünnschichtkontakte werden nun Öffnungen 4 in der Passivierungsschicht 3 erzeugt (Planartechnik), die gegebenenfalls auch in Form von Gräben bis in das Silizium des Halbleiterkörpers 1 hineinreichen können (Grabentechnik). Fig. 2: apertures 4 are now generated in the passivation layer 3 to define the thin-film contacts (planar) which can extend, where appropriate, in the form of trenches into the silicon of the semiconductor body 1 (grave art).
Die Definition der Öffnungen, die der geometrischen Struktur des gewünschten Dünnschichtkontakts entspricht, kann zum Bei spiel durch Photolithographie und anschließendes Oxidätzen erfolgen. Danach können die Öffnungen durch basische Ätzung des Halbleiterkörpers 1 zu Gräben vertieft werden (in der Figur nicht dargestellt).The definition of the openings, which corresponds to the geometric structure of the desired thin-film contact, can be done for example by photolithography and subsequent oxide etching. The openings can then be deepened into trenches by basic etching of the semiconductor body 1 (not shown in the figure).
Eine direkte Erzeugung von Öffnungen 4 beziehungsweise von bis in den Halbleiterkörper 1 reichenden Gräben gelingt durch Laserschreiben oder durch mechanisches Abtragen, zum Beispiel mit Hilfe eines diamantbesetzten Werkzeuges.A direct creation of openings 4 or of trenches extending into the semiconductor body 1 is achieved by laser writing or by mechanical removal, for example with the aid of a diamond-tipped tool.
Zur photolithographischen Definition wird vorzugsweise ein Positivphotoresist verwendet, der nach Belichtung und Ent wicklung die Ätzmaske für die naßchemische Oxid- bzw. Nitrid öffnung darstellt, die beispielsweise in flußsäurehaltiger Lösung durchgeführt wird.A is preferably used for the photolithographic definition Positive photoresist is used, which after exposure and Ent winding the etching mask for the wet chemical oxide or nitride represents opening, for example, in hydrofluoric acid Solution is carried out.
Die Erzeugung von Gräben im Silizium gelingt in einer basi schen Lösung mit dem verbleibenden Oxid bzw. Nitrid als Ätz maske. Für besonders dünne Wafer ist wegen der Bruchgefahr die Planartechnik ohne Gräben bevorzugt.Trenches can be created in silicon in a basi solution with the remaining oxide or nitride as an etch mask. For particularly thin wafers is because of the risk of breakage preferred planar technology without trenches.
Im Ausführungsbeispiel werden Öffnungen mit einer Breite von ca. 20 bis 50 µm im Abstand von ca. 200 µm zueinander er zeugt.In the exemplary embodiment, openings with a width of approx. 20 to 50 µm at a distance of approx. 200 µm to each other testifies.
Fig. 3: Anschließend werden in den Öffnungen 4 in bekannter Weise n⁺-dotierte Gebiete 5 im Halbleiterkörper 1 durch eine Phosphordiffusion erzeugt. Fig. 3: Subsequently, in a known manner n⁺-doped regions 5 in the semiconductor body 1 generates in the openings 4 by a phosphorus diffusion.
Fig. 4: Im nächsten Verfahrensschritt werden die Dickfilm kontakte 6 durch Aufdrucken einer leitfähigen und zum Bei spiel Silber enthaltenden Paste erzeugt. Außerdem enthält die Paste als p-Dotierstoff noch Aluminium. Vorzugsweise wird zum Aufbringen ein Siebdruckverfahren verwendet. Andere geeignete Aufbringverfahren sind Schablonen- oder Tampondruck, Pasten schreiben, Aufwalzen oder ähnliche Verfahren. Die Dickfilm kontakte 6 werden neben den Öffnungen ausschließlich auf den Oberflächenbereichen der Rückseite aufgebracht, die noch mit der Passivierungsschicht 3 bedeckt sind. Fig. 4: In the next process step, the thick film contacts 6 are produced by printing a conductive paste containing silver for example. The paste also contains aluminum as a p-type dopant. A screen printing method is preferably used for the application. Other suitable application methods are stencil or pad printing, writing pastes, rolling or similar methods. The thick film contacts 6 are applied next to the openings only on the surface areas of the back, which are still covered with the passivation layer 3 .
Fig. 5: Beim Einbrennen oder Sintern der aufgedruckten Dick filmkontakte 6 bei ca. 750 bis 850°C wird der in der Paste zusätzlich enthaltene Dotierstoff zum Teil in den Halbleiter körper 1 eingetrieben und erzeugt p⁺-dotierte Gebiete 7. Die se gewährleisten einen guten ohmschen Kontakt zwischen dem Halbleiterkörper 1 und den Dickfilmkontakten 6. Fig. 5: When baking or sintering the printed thick film contacts 6 at about 750 to 850 ° C, the additional dopant contained in the paste is partially driven into the semiconductor body 1 and generates p⁺-doped regions 7th These ensure a good ohmic contact between the semiconductor body 1 and the thick film contacts 6 .
Fig. 6: Anschließend werden die Dünnschichtkontakte durch Metallisierung der in den Gräben bzw. Öffnungen 4 freige legten n⁺-dotierten Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 er zeugt. Dazu wird zunächst eine Nickelschicht 8 photoinduziert stromlos auf den freigelegten n⁺-dotierten Halbleiterober flächen abgeschieden. Fig. 6: Subsequently, the thin-film contacts by metallization of the trenches or openings 4 freige n⁺-doped surface lay of the semiconductor body 1 he witnesses. For this purpose, a nickel layer 8 is first photo-induced electrolessly deposited on the exposed n⁺-doped semiconductor surfaces.
Als Metallisierungsbad dient beispielsweise ein üblicherweise für die Galvanik verwendetes Nickelsulfamat-Bad. Es ist je doch auch möglich, andere Nickelbäder zu verwenden, bei spielsweise Bäder zur chemischen Nickelabscheidung, welche sauer bis basisch eingestellt sein können. Dabei ist das in den chemischen Abscheidebädern vorhandene Reduktionsmittel prinzipiell nicht erforderlich, kann die Abscheidung aber un terstützen.For example, a usually serves as the metallization bath nickel sulfamate bath used for electroplating. It is ever but also possible to use other nickel baths at for example, baths for chemical nickel deposition, which can be acidic to basic. It is in reducing agents present in the chemical deposition baths in principle not necessary, but the deposition can be un support.
Unmittelbar vor der Nickelabscheidung werden die Wafer sowohl bei der Planar- als auch bei Grabentechnik durch kurzes Ein tauchen in bzw. kurze Behandlung mit einer sauren, Fluoridio nen enthaltenden Lösung von dem dünnen Oxidfilm befreit, der sich während des Einbrennprozesses der Dickfilmkontakte 6 auf der in den Öffnungen 4 bzw. Gräben freigelegten Halbleiter oberfläche gebildet hat. Zur Nickelabscheidung selbst werden die Substrate mit nach oben weisender Rückseite in dem Metal lisierungsbad mit einer geeigneten Strahlungsquelle, bei spielsweise einer 75 Watt Glühlampe oder einer 150 Watt IR-Lampe bei ca. 50-60°C in einem leicht basischen chemischen Abscheidebad bestrahlt. Bereits nach wenigen Sekunden setzt die Nickelabscheidung auf der Halbleiteroberfläche ein. Schon nach ca. ein bis zwei Minuten ist eine gut haftende ausrei chend dicke Nickelschicht 8 erzeugt, über der zur Verstärkung direkt eine weitere Metallschicht 9 erzeugt werden kann. Nach einer Abscheidezeit von 1 bis 3 Minuten wird eine Nickel schicht von 0,2 bis 2 µm Dicke erhalten.Immediately before the nickel deposition, the wafers are freed from the thin oxide film in both the planar and trench technology by briefly immersing them in or briefly treating them with an acidic solution containing fluoridions, which is deposited during the baking process of the thick film contacts 6 on the in the openings 4 or trenches exposed semiconductor surface has formed. For nickel deposition itself, the substrates are irradiated with the rear side facing upwards in the metalization bath with a suitable radiation source, for example a 75 watt incandescent lamp or a 150 watt IR lamp at approx. 50-60 ° C. in a slightly basic chemical deposition bath. The nickel deposition on the semiconductor surface begins after only a few seconds. Already after about one to two minutes, a well-adhering, sufficiently thick nickel layer 8 is produced, via which a further metal layer 9 can be produced directly for reinforcement. After a deposition time of 1 to 3 minutes, a nickel layer with a thickness of 0.2 to 2 μm is obtained.
Als weitere Metallschicht 9 wird darüber eine ca. 5 bis 20 µm dicke Kupferschicht erzeugt, beispielsweise durch chemische Abscheidung aus einem entsprechenden kommerziell erhältlichen Kupferabscheidebad, oder analog zur Erzeugung der Nickel schicht 8 photoinduziert stromlos aus einem beliebigen kup ferhaltigen Bad, beispielsweise aus einer Kupfersulfatlösung.As a further metal layer 9 , an approximately 5 to 20 μm thick copper layer is produced, for example by chemical deposition from a corresponding commercially available copper deposition bath, or analogously to the production of the nickel layer 8 photo-induced currentless from any copper-containing bath, for example from a copper sulfate solution.
Wegen der Oxidationsempfindlichkeit der Nickelschicht 8 wird die verstärkende Kupferschicht 9 vorzugsweise unmittelbar nach der Erzeugung der Nickelschicht abgeschieden. Die Kup ferschicht wiederum kann durch Aufbringen einer weiteren dün nen Schicht gegen Oxidation geschützt werden, beispielsweise durch einen dünnen Überzug aus Silber oder Zinn.Because of the sensitivity of the nickel layer 8 to oxidation, the reinforcing copper layer 9 is preferably deposited immediately after the nickel layer has been produced. The copper layer in turn can be protected against oxidation by applying a further thin layer, for example by means of a thin coating of silver or tin.
Vorzugsweise wird die weitere Metallschicht 9 jedoch durch lichtinduzierte Abscheidung einer ca. 4 bis 10 µm dicken Sil berschicht erzeugt. Dazu kann eine bislang nur zur galvani schen Silberabscheidung geeignete Silbersalzlösung auf der Basis von KAg(CN)₂ verwendet werden. Die Durchführung der photoinduzierten Abscheidung erfolgt bei Raumtemperatur. Auf grund der klaren Silbersalzlösung kann die Silberabscheidung auch im Hordenbetrieb durchgeführt werden, wobei mehrere Wa fer hintereinander in geringem Abstand zueinander in die Me tallisierungsbäder eingestellt werden und z. B. schräg von oben belichtet werden. Bei Belichtung mit einer 75 Watt Glüh lampe aus einer Entfernung von ca. 30 cm ist die Silber schicht 9 in der genannten Dicke innerhalb von 1 bis 3 Minu ten bei Raumtemperatur abgeschieden. However, the further metal layer 9 is preferably produced by light-induced deposition of an approximately 4 to 10 μm thick silver overlayer. For this purpose, a silver salt solution based on KAg (CN) ₂, which was previously only suitable for galvanic silver deposition, can be used. The photo-induced deposition is carried out at room temperature. Due to the clear silver salt solution, the silver deposition can also be carried out in tray operation, with several wa fer one behind the other at a short distance in the tallization baths and z. B. be exposed obliquely from above. When exposed to a 75 watt incandescent lamp from a distance of approx. 30 cm, the silver layer 9 is deposited in the thickness mentioned within 1 to 3 minutes at room temperature.
Fig. 6 zeigt ausschnittsweise eine Öffnung 4 mit darin abge schiedenem nun komplettem Dünnschichtkontakt. Ist die Öffnung zu einem Graben vertieft, kann dieser einen V-förmigen Quer schnitt aufweisen. Er kann aber auch mit flachem Boden, also mit trapezförmigem oder rechteckigem Querschnitt erzeugt wer den. In dem Fall kann der Grabenboden mit einer weiteren Tex turierung versehen werden, deren Erzeugung beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 567 764 vorgeschlagen wird. Die Tiefe des Grabens kann z. B. 15 µm betragen, kann aber auch flacher oder tiefer ausgeführt sein. Mit den ange gebenen Schichtdicken werden können in Gräben Dünnschichtkon takte erzeugt, deren Oberfläche nicht über das Niveau der Oxidschicht 3 herausragt. Solche versenkte Kontakte zeigen auch bei starker mechanischer Beanspruchung eine gute Haftung und sind daher gegen Abriß oder sonstige Beschädigung gut ge schützt. Möglich ist es jedoch auch, die Dünnschichtkontakte dicker auszuführen, so daß sie gegenüber der restlichen Ober fläche der Oxidschicht erhaben sind, wie es beispielsweise in Fig. 6 dargestellt ist. Fig. 6 shows sections of an opening 4 with abge different now complete thin-film contact. If the opening is recessed into a trench, this can have a V-shaped cross section. But it can also be created with a flat bottom, i.e. with a trapezoidal or rectangular cross section. In that case, the trench floor can be provided with a further texturing, the production of which is proposed, for example, in European patent application EP-A-0 567 764. The depth of the trench can e.g. B. 15 microns, but can also be made flatter or deeper. With the specified layer thicknesses, thin-film contacts can be produced in trenches, the surface of which does not protrude above the level of the oxide layer 3 . Such sunk contacts show good adhesion even under heavy mechanical stress and are therefore well protected against tearing or other damage. However, it is also possible to make the thin-film contacts thicker so that they are raised in relation to the rest of the upper surface of the oxide layer, as is shown, for example, in FIG. 6.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Herstellung fein strukturierter Dünnschichtkontakte mit Strukturbreiten bis hinab zu 20 µm wesentlich verbessert und vereinfacht.With the method according to the invention, the production is fine structured thin film contacts with structure widths up to significantly improved and simplified down to 20 µm.
Die an sich bekannte Grabentechnik hat außerdem den Vorteil, daß die in den Gräben erzeugten Kontakte eine größere Kon taktfläche zum Halbleiter aufweisen als entsprechende planar aufgebrachte Kontakte mit gleicher Grundfläche. In der Gra bentechnik lassen sich daher bei gleicher Leistungsfähigkeit der Kontakte schmalere Metallisierungsbahnen erzeugen, die zu einer geringeren Abschattung der Solarzellenoberfläche füh ren.The trench technology known per se also has the advantage that the contacts generated in the trenches have a larger con have clock area to the semiconductor as a corresponding planar applied contacts with the same footprint. In the Gra bentechnik can therefore be used with the same performance of the contacts produce narrower metallization paths that too less shading of the solar cell surface ren.
Die durch chemische Abscheidung erzeugten Dünnschichtkontakte werden in einem Temperschritt bei 300 bis 450°C stabilisiert. Dabei verbessert sich auch der Wirkungsgrad der Solarzelle. The thin film contacts created by chemical deposition are stabilized in a tempering step at 300 to 450 ° C. This also improves the efficiency of the solar cell.
Fig. 7 zeigt in einer schematischen Darstellung eine mögli che Anordnung der Dickfilm- und Dünnschichtkontakte auf der Rückseite der Solarzelle. Die Kontakte sind jeweils in Form eines Kammes ausgebildet, wobei der breitere "Kammrücken" je weils die Busstruktur für die feineren "Zähne" (= fingerför mige Kontakte) darstellen. Die "Zähne" der kammförmigen Dick filmstruktur 6 sind dabei in die Zähne der ebenfalls kammför migen Dünnfilmstruktur 7 berührungsfrei so ineinandergescho ben, daß ein Mindestabstand zwischen den Strukturkanten von ca. 100 µm verbleibt. Fig. 7 shows a schematic representation of a possible arrangement of the thick film and thin film contacts on the back of the solar cell. The contacts are each in the form of a comb, the wider "comb back" each representing the bus structure for the finer "teeth" (= finger-shaped contacts). The "teeth" of the comb-shaped thick film structure 6 are in the teeth of the likewise comb-shaped thin film structure 7 in a contact-free manner such that a minimum distance between the structural edges of approximately 100 μm remains.
Fig. 8 zeigt eine weitere Möglichkeit zur geometrischen Aus gestaltung der Kontakte auf der Rückseite der erfindungsgemä ßen Solarzelle. Die fingerförmigen Kontakte sind hier in Form von Doppelkammstrukturen ausgebildet, wobei Kämme unter schiedlicher Polarität berührungsfrei ineinandergeschoben sind. Fig. 8 shows a further possibility for the geometric design of the contacts on the back of the solar cell according to the invention. The finger-shaped contacts are designed here in the form of double-comb structures, wherein combs are pushed into one another without contact under different polarities.
Claims (12)
- - mit einem kristallinen Halbleiterkörper (1) aus p-Si
- - mit einer texturierten Vorderseite (2)
- - mit einer Oxidschicht (3) auf der Rückseite
- - mit auf der Oxidschicht aufgedruckten fingerförmigen Dick filmkontakten (6) aus einer silberhaltigen Paste
- - mit ebenfalls fingerförmigen, in Öffnungen (4) in der Oxid schicht (3) aufgebrachten metallischen Dünschichtkontakten (8, 9),
- - With a crystalline semiconductor body ( 1 ) made of p-Si
- - with a textured front ( 2 )
- - With an oxide layer ( 3 ) on the back
- - With finger-shaped thick film contacts ( 6 ) printed on the oxide layer from a silver-containing paste
- - With finger-shaped, in openings ( 4 ) in the oxide layer ( 3 ) applied metallic thin layer contacts ( 8 , 9 ),
- - Texturierung der Vorderseite durch kristallorientiertes Ät zen einer Oberfläche des Halbleiterkörpers (1)
- - Oxidation des Halbleiterkörpers zur Erzeugung einer Oxid schicht (3) zumindest auf der der Texturierung gegenüber liegenden Rückseite
- - Strukturierung der Oxidschicht (3) auf der Rückseite zur Erzeugung fingerförmiger Öffnungen (4) darin
- - Durchführen einer Phosphordiffusion zur Erzeugung eines n⁺-dotierten Gebietes (5) im Halbleiterkörper (1) im Bereich der Öffnungen (4)
- - Erzeugung der Dickfilmkontakte (6) durch Aufdrucken und Einbrennen einer aluminium- und silberhaltigen Paste auf der Rückseite zwischen den fingerförmigen Öffnungen (4)
- - Erneutes Freiätzen der Öffnungen
- - Erzeugung der Dünnschichtkontakte (8, 9) durch Chemische Metallisierung des in den Öffnungen freiliegenden Halblei terkörpers und
- - Tempern des Halbleiterkörpers.
- - Texturing of the front side by crystal-oriented etching of a surface of the semiconductor body ( 1 )
- - Oxidation of the semiconductor body to produce an oxide layer ( 3 ) at least on the opposite side of the texturing
- - Structuring the oxide layer ( 3 ) on the back to create finger-shaped openings ( 4 ) therein
- - Carrying out a phosphorus diffusion to produce an n⁺-doped region ( 5 ) in the semiconductor body ( 1 ) in the region of the openings ( 4 )
- - Generation of the thick film contacts ( 6 ) by printing and baking an aluminum and silver-containing paste on the back between the finger-shaped openings ( 4 )
- - Open the openings again
- - Generation of the thin film contacts ( 8 , 9 ) by chemical metallization of the exposed in the openings semiconductor body and
- - Annealing the semiconductor body.
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