DE2835136C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Es sind bereits Versuche zur Herstellung von Solarelementen durch Implantation von Ionen in geeignet dotiertes Halbleiter­ substrat durchgeführt worden (J. T. Burril et al. IEEE Trans. Electron Devices 14, 10 (1967), A. R. Kirkpatrick et al. IEEE Trans. Electron Devices 24, 429 (1977)).

Das Halbleitersubstrat wurde zu diesem Zweck kontinuierlich mit dem gerasterten Ionenstrahl einer Implantationsanlage beauf­ schlagt, welche gemäß dem allgemein üblichen Bauprinzip solcher Anlagen eine Ionenquelle mit nachgeschalteter Extraktionselek­ trode, einen Separationsteil zur Ausfilterung einer zur Im­ plantation verwendeten Ionenart sowie eine Beschleunigerstrecke aufweist.

Bei dem bekannten Herstellungsverfahren werden homogen dotierte Halbleiterscheiben erhalten, die noch mit Stromentnahmekontak­ ten versehen werden müssen. Diese Kontakte werden üblicherweise durch Aufdampfen und Einsintern oder Einlegieren einer Metall­ schicht erzeugt. Dabei sind im Falle der Kontakte auf der der optischen Strahlung auszusetzenden Seite der Scheiben zwei einander zuwider laufende Forderungen zu erfüllen. Zum einen soll die Kontaktfläche möglichst groß sein, um eine hohe Stromentnahme zu ermöglichen; zum anderen gilt es, den durch die Kontaktierung bewirkten Verlust an aktiver Fläche des Solarelements möglichst gering zu halten. Als tragbarer Kom­ promiß wird derzeit ein Anteil der Kontaktfläche von 10% an der Gesamtfläche angesehen, der mit kamm- oder fischgrätförmigen Kontaktmustern realisiert wird. Eine dringend gebotene weitere Reduzierung dieses Verlustanteils ist bei der bei diesem Verfahren angewendeten Kontaktierungs-Technik nicht möglich.

Ein weiteres Merkmal des bekannten Verfahrens besteht darin, daß die Arbeitsschritte zur Herstellung einer Solarzelle in räumlich voneinander getrennten Vorrichtungen durchgeführt werden. Der Transport der Halbleiterscheiben von einer Vor­ richtung zur nächsten erfolgt mit einem Transportsystem.

Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Solarelementen ist durch die Fachveröffentlichung von H. J. Hovel und J. M. Woodall, "Method for Si and GaAs Solar Cell Diffusion" IBM Technical Disclosure Bulletin, 1973, S. 2083f, bekanntgewor­ den. Die beschriebenen Elemente weisen in der Substratober­ fläche Bereiche höherer Dotierung als der Rest der Fläche auf. Derartig strukturierte Oberflächen können wegen der höheren elektrischen Leitfähigkeit in den stärker dotierten Bereichen als Grundlage für die Reduzierung der Kontaktfläche herangezo­ gen werden.

Allerdings erfordert das zur Herstellung eingesetzte Verfahren zahlreiche Verfahrensschritte: zunächst die Abscheidung einer Schicht, z. B. SiO₂, sodann eines Fotolackes mit anschließender Belichtung durch eine geeignete Maske, Entwicklung des Foto­ lackes, Ätzen der Schicht, Entfernen des Fotolackes und schließlich Dotierung durch Diffusion.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Solarimplantationstechnik liegt in dem erwähnten labormäßigen Aufbau der verwendeten Implantationsanlage begründet, der einer billigen Massenferti­ gung im Wege steht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe Solarelemente hergestellt werden können, bei denen auf der der optischen Strahlung auszusetzenden Seite der Halb­ leiterstruktur wenigstens ein Bereich stärker dotiert wird als der Rest der Fläche dieser Seite, das einfacher ist und zur Massenproduktion von Solarzellen geeignet ist, sowie eine Vor­ richtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Teile der Ansprü­ che 1 und 6 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprü­ che. Der Ausgangspunkt der Erfindung besteht in einer erhöhten Dotierung des zur Herstellung eines Solarelements verwendeten Halbleitersubstrats in wählbaren Bereichen seiner der optischen Strahlung ausgesetzten Fläche. Diese hochdotierten Bereiche wirken als ohmsche Stromentnahmekontakte und tragen gleichzei­ tig, wenn auch im Vergleich zur niedriger dotierten restlichen Fläche in etwas geringerem Maße zu der Konversion von Licht in Strom bei. Es genügt dann, auf den einzelnen hochdotierten Be­ reichen metallische Leiter mit einer vernachlässigbaren Kon­ taktfläche anzubringen; die hochdotierten Bereiche können bei geeigneter Anordnung und Ausbildung - wie noch im folgenden gezeigt - auch durch einen einzigen metallischen Leiter mit­ einander verbunden werden, der nur einen Bruchteil der von bekannten Kontaktkonfigurationen eingenommenen Fläche bean­ sprucht.

Die metallische Kontaktierung der hochdotierten Bereiche bedarf darüber hinaus keiner zusätzlichen Sintermaßnahmen; vielmehr kann sie im billigen Siebdruck oder durch Klebetechnik erfol­ gen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Ionenimplantationsanlage,

Fig. 2 ein bei getakteter Beförderung des Substrats erhaltenes Muster der hochdotierten Bereiche samt metallischer Zuleitung,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Ionenimplantationsanlage,

Fig. 4 ein Dotierungsprofil für ein mit der Anlage nach Fig. 3 hergestelltes Solarelement (nach einer Temperaturbehandlung gezeichnet); gestrichelt: Profil im Streifen, der durch den getakteten Betrieb hergestellt wurde.

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevor­ zugte Implantationsanlage ist in Fig. 1 dargestellt.

Die Anlage weist ein Gehäuse 1 von z. B. rohrförmiger Gestalt auf, welches durch nicht gezeigte Einrichtungen evakuierbar ist und eine Ionenquelle 2, eine Extraktionselektrode 3 und im Be­ darfsfall auch noch eine Fokussierungseinrichtung 5 umschließt. Verzichtet wird jedoch auf eine darüber hinaus üblicherweise vorgesehene Beschleunigerstrecke und einen Separationsteil. Erstens reichen die für die Herstellung von Solarelementen mittels der Extraktionselektrode erzielbaren Ionenenergien völlig aus. Zweitens eröffnet das Fehlen des Separationsteils die in einer Parallelanmeldung beschriebene Möglichkeit der Mehrfachimplantation, die gerade in bezug auf die Herstellung von Solarelementen äußerst vorteilhaft ist. Und drittens ergibt sich durch den genannten Verzicht ein besonders kompakter, billiger und bezüglich der Vakuumverhältnisse umkomplizierter Aufbau, der sich leicht in einen Produktionsablauf integrieren läßt.

Das Gehäuse 1 weist eine offene Stirnseite auf, in deren Ebene ein Flansch 6 am Gehäuse 1 angebracht ist, der zusammen mit einem Wandteil 7 zu einem senkrecht zur Ionenstrahlrichtung verlaufenden Schleusenkanal 8 ausgebildet ist, durch den die Halbleitersubstrate 9 der Reihe nach befördert und dabei be­ strahlt werden. Die Schleusenfunktion des Kanals 8 läßt sich durch die bekannte Technik des differentiellen Pumpens erzie­ len.

Die gewünschte stärkere Dotierung einzelner Bereiche wird auf folgende Weise realisiert.

Die Bewegung der die Substrate 9 durch den Ionen­ strahl befördernden Transporteinrichtung 13 ist mittels geeigneter, nicht dargestellter Einrichtungen derart steuerbar, daß ein jedes Substrat 9 den Ionenstrahl schrittweise durchläuft, d. h. jeweils abwechselnd um einen bestimmten einstellbaren Bruchteil seiner Dimension in Vorschubrichtung mit wählbarer Geschwin­ digkeit verschoben und anschließend jeweils für ein wählbares Zeitintervall angehalten wird. Durch einen derartigen getakte­ ten Betrieb der Transporteinrichtung ergeben sich insbesondere in Verbindung mit einem rechteckförmigen, durch die Ausbildung der Öffnung 4 der Extraktionselektrode 3 bedingten Strahlquer­ schnitt parallele streifenförmige Bereiche 12 von im Vergleich zu den Zwischenräumen 15 stärkerer Dotierung. Diese Bereiche entstehen während der Standzeiten. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß ein absoluter Stillstand zur Erzeugung der hochdotierten Bereiche nicht unbedingt erforderlich ist; eine bloße intervallweise Verringerung der Beförderungsgeschwindig­ keit genügt ebenfalls bereits, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Gleichzeitig kann während dieser Zeit die Extrak­ tionsspannung erhöht werden, um die erhöhte Dotierung auf ein größeres Volumen des Substrats zu verteilen.

Das Ergebnis einer getakteten Beförderung des Substrats 9 durch den Strahl 10 ist in Fig. 2 dargestellt. Die erhaltenen hoch­ dotierten Streifen 12 können durch eine flächenmäßig nicht ins Gewicht fallende Metallisierung 14 am Rande der Substratscheibe verbunden werden. Die Metallisierung 14 ist dabei z. B. im Siebdruckverfahren hergestellt oder durch Aufbringung eines Klebers, der gleichzeitig der Montage dienen kann.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung aus zwei gegeneinander geschalteten Implantationsvorrichtungen nach Fig. 1, mit denen ein komplet­ tes Solarelement in einem Arbeitsgang samt den erfindungsge­ mäßen hochdotierten Kontaktbereichen hergestellt werden kann.

Die beiden Implantationsanlagen A und B sind bezüglich ihrer Strahlrichtungen koaxial zueinander ausgerichtet und bilden mit ihren Flanschteilen den Schleusenkanal 8. Durch diesen Kanal beförderte Halbleitersubstrate werden also auf beiden Seiten gleichzeitig dotiert. Verwendet man p-dotiertes Substratmate­ rial und implantiert von einer Seite Ionen eines dreiwertigen und von der anderen Seite eines fünfwertigen Elements, so er­ gibt sich die gewünschte Diodenstruktur inklusive Rückkontakt. Wird die Transporteinrichtung 13 dabei gleichzeitig in der er­ findungsgemäßen Weise getaktet, so werden auf der Vorderseite auch die gewünschten hochdotierten n Kontaktbereiche erzeugt. Das Beispiel eines resultierenden Dotierungsprofils ist in Fig. 4 wiedergegeben. Der Rückkontakt erhält dabei zwar ebenfalls eine aus stärker und vergleichsweise weniger stark dotierten Bereichen bestehende Konfiguration; für die Funktion des so hergestellten Elements ist dieser Umstand jedoch nicht nach­ teilig.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Solarelementen, bei welchem ein pn-Übergang in einem Halbleitersubstrat erzeugt wird, bei dem auf der, der optischen Strahlung auszusetzenden Seite des Halbleitersubstrats, wenigstens ein Bereich stärker mit gleichartiger Dotierung dotiert wird, als der Rest der Fläche dieser Seite, und bei dem die metallische Kontaktierung in diesem stärker dotierten Bereich erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der pn-Übergang, als auch der stärker dotierte Bereich in einem Verfahrensgang durch Ionenimplantation erzeugt werden, indem das Substrat in einer Richtung durch einen Ionenstrahl von geringerer Querschnittsfläche als die Substratoberfläche transportiert wird, wobei die Transportgeschwindigkeit des Substrats für wenigstens ein Zeitintervall wählbarer Länge während der Anwesenheit des Substrats im Strahlengang auf einen vorgebbaren Wert verringert, vorzugsweise zu Null gemacht wird, und daß der stärker dotierte Bereich anschließend in einem kleinen Teil seiner Fläche metallisch kontaktiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ionenstrahl von streifenförmigem Querschnitt verwendet wird und daß die Bewegung des Substrats durch den Ionenstrahl in mehreren gleichabständigen Schritten erfolgt, die größer als die Breite des Strahlquerschnitts aber kleiner als die Dimension des Substrats in Bewegungsrichtung sind, und daß das Substrat nach jedem Schritt für jeweils gleichgroße Zeitintervalle angehalten wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß während des Anhaltens des Substrates gleich­ zeitig die Extraktionsspannung erhöht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils während des Stillstands entstehenden strei­ fenförmigen hochdotierten Bereiche durch die metallische Kontaktierung miteinander verbunden werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Substrat gleichzeitig von der Rückseite mit einem weiteren Ionenstrahl, welcher eine geeignete Ionenart zur Erzeugung eines Rückkontakts umfaßt, beauf­ schlagt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer Ionenimplantationsanlage, die ein evakuierbares, eine Ionenquelle und eine Extraktionselek­ trode umschließendes Gehäuse, eine Targetkammer und eine Transporteinrichtung zur Beförderung von Halbleitersubstra­ ten der Reihe nach durch die Targetkammer aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitersubstrate (9) von den aus der Extraktionselektrode (3) austretenden Ionen (10) unmit­ telbar beaufschlagt werden, und daß eine Steuereinrichtung zum getakteten Betrieb der Transporteinrichtung (13) derart vorgesehen ist, daß jedes Substrat (9) den Ionenstrahl schrittweise mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit um einen bestimmten Bruchteil des Substratdurchmessers durchläuft und nach jedem Schritt während eines vorgebbaren Zeitintervalls angehalten wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Ionenimplantationsanlage (B) im wesentlichen gleichen Aufbaus wie die erste Ionenimplantationsanlage (A) mit zu letzterer koaxialer aber entgegengesetzter Strahl­ richtung (10′) derart an die Targetkammer (8) angeschlossen ist, daß eine gleichzeitige Dotierung der Halbleitersub­ strate (9) von beiden Seiten während des getakteten Trans­ ports möglich ist.