DE3722198A1 - Verfahren zum herstellen von solarzellen - Google Patents

Verfahren zum herstellen von solarzellen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Solarzellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bekannte Solarzellen werden in der Weise hergestellt, daß in einem p- oder n-dotierten Halbleitersubstrat durch Gasphasendiffusion eine n- oder p-Schicht erzeugt wird. Dabei wird der gewünschte flache pn-Übergang, d.h. die geringstmögliche Eindringtiefe der dotierten Schicht, durch die Verfahrenstemperatur, d.h. die für den Diffusionsprozeß notwendige Temperatur, und durch die Störstellenkonzentration bestimmt. Um das Eindringen der Dotierstoffatome in das Gefüge des Substratmaterials zu erreichen, muß das Substrat einer Temperatur erheblich über 800°C ausgesetzt werden. Dies bedingt eine lange Verweilzeit im Diffusionsofen und kann eine unerwünschte Veränderung der Lebensdauer der Minoritätsladungsträger zur Folge haben. Ein weiterer Nachteil sind die verfahrensbedingt hohen Energiekosten.
Eine andere Methode zur Herstellung von Solarzellen durch Gegendotierung des Substratmaterials ist die Ionen­ implantation mit anschließender Wärmebehandlung zur Rekristallisation der durch die Implantation amorphisierten, oberflächlichen Halbleiterschicht. Dabei sind wohl keine unerwünscht hohen Prozeßtemperaturen erforderlich, jedoch ist dieses Verfahren mit hohen Anlagekosten verbunden und für eine wirtschaftliche Großserienherstellung von Solarzellen nicht geeignet.
Eine wesentliche Kenngröße bei Solarzellen ist der Querleitwert. Gegenüber Dioden und Gleichrichtern ist z.B. bei über das Gate abschaltbaren Thyristoren sowie bei Solarzellen ein hoher Querleitwert erwünscht und notwendig. Er steht in unmittelbarem Zusammenhang mit der Störstellenkonzentration. Bei Anwendung der Gas­ phasendiffusion wird verfahrensbedingt ein kontinuier­ lich verlaufendes Störstellenprofil mit temperatur­ abhängiger Eindringtiefe gebildet, welches einen allein durch physikalische Zusammenhänge bestimmten Querleit­ wert der dotierten Schicht zur Folge hat. Dieser ist unter gegebenen und gezielt wirtschaftlichen Prozeß­ bedingungen nicht veränderlich und daher nicht optimierbar.
Demzufolge ist die gerade bei Solarzellen zu stellende Forderung nach hoher Oberflächenkonzentration bei möglichst geringer Eindringtiefe des Störstellen­ materials mit der Gasphasendiffusion nicht erfüllbar.
Mit dem weiteren bekannten Verfahren der Ionen­ implantation kann diese Forderung im Ergebnis erfüllt werden, jedoch ist es für die Massenfertigung von Solarzellen aus dem vorgenannten Grund nicht anwendbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Solarzellen anzugeben, mit welchem reproduzierbar sehr flache pn-Übergänge zur Erhöhung des Quantenwirkungsgrades der Solarzellen erzielt werden können, und bei welchem gegenüber bekannten Verfahren durch Senken der Prozeßtemperatur sowie durch Verringern der Verweilzeit im Ofen Solarzellen in Großserien wirtschaftlicher gefertigt werden können. Die Lösung der Aufgabe besteht bei einem Verfahren der eingangs genannten Art in den kennzeichnenden Schritten des Anspruchs 1. In den Ansprüchen 2 bis 9 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens angegeben.
Vor dem Herstellen der Grenzschicht entgegengesetzten Leitungstyps an der einen Seite des Substrats wird das Substratmaterial, bevorzugt Scheiben aus Silizium mit einer Dicke im Bereich von 50 bis 500 µm, einem Ätzprozeß unterworfen, wodurch die natürliche Silizium- Dioxidschicht entfernt wird.
Im Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Siliziumscheiben oder -platten in einen Reaktionsofen mit einer Verfahrenstemperatur von ca. 700 bis 800°C eingebracht. Die Ofenatmosphäre kann z.B. aus Silan, einem Trägergas wie Wasserstoff und einer Phosphor- Wasserstoff-Verbindung als Dotiergas bestehen. Der Ofen kann für ein Abscheidungsverfahren bei normalem Atmosphärendruck oder für ein sogenanntes LPCVD- Verfahren mit vermindertem Druck bei 100 bis 150 mbar bemessen sein. Es sind Niederdruckverfahren mit sogenannter Plasma-Unterstützung bei Drücken bis auf 1 mbar bekannt.
Das Verfahren der chemischen Dampfphasenabscheidung ist bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung.
Der Anteil z.B. des Phosphor-Wasserstoff-Gases in der Ofenatmosphäre kann während des Dotierungsprozesses verändert werden, wodurch die Störstellenkonzentration wählbar eingestellt werden kann. Damit ist der besondere Vorteil der Ausbildung eines Stufenprofils verbunden, wodurch der gewünschte Profilverlauf in der Oberflächenschicht des Substratmaterials erzielbar ist. Bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ist somit der Querleitwert durch Veränderung des Dotiergasflusses in gewünschter Weise realisierbar. Die auf dem Substrat gebildete Schicht mit Störstellen des anderen Leitungstyps besteht dann z.B. aus zwei Teilschichten mit unterschiedlicher Störstellendichte. Demgegenüber wirkt bei der Gasphasendiffusion entsprechend den physikalischen Zusammenhängen stets Dotiermaterial in der Menge auf das Halbleitersubstrat, wie es temperaturabhängig von der Dotierstoffquelle abdampft und auf der Substratoberfläche eine Glasschicht als Depot für einen nachfolgenden Diffusionsprozeß bildet.
Durch Verminderung des atmosphärischen Druckes im Ofen­ raum wird das Einbringen des Dotierstoffes begünstigt.
Es kann einkristallines Halbleitermaterial mit Störstellen eines Leitungstyps oder aber polykristallines Material mit sonst gleichen Eigenschaften verwendet werden.
Durch eine kurzzeitige Temperaturbehandlung bei mehr als 800°C besteht die Möglichkeit, Dotierstoffatome aus der CVD-Halbleiterschicht in das Substratmaterial einzutreiben und den np- bzw. pn-Übergang in das Substrat zu verlegen.
Vorzugsweise wird Halbleitermaterial im Widerstandsbereich von 0,1 bis 0,01 ohm · cm verwendet. Durch Wahl der Verfahrensbedingungen kann eine Dicke der Gegendotier­ schicht im Bereich von 10 nm bis 1000 nm erzielt werden.
Beispielsweise kann bei einer Ofentemperatur von 750°C unter einem Druck von 2 mbar auf einem p-dotierten, einkristallinen Substrat eine n-dotierte erste Teilschicht von 0,1 µm Dicke mit einem spezifischen Widerstand von 0,05 Ohm · cm und darüber eine n-dotierte zweite Teilschicht von 0,1 µm Dicke mit einem spezifischen Widerstand von 0,001 Ohm · cm abgeschieden werden.
CVD-Halbleiterschichten gemäß der Erfindung können abhängig von der Abscheidetemperatur innerhalb von ca. 20 bis 30 Minuten aufgebracht werden, sodaß der Anlagendurchsatz im Vergleich zu bekannten Verfahren erheblich höher ist.
Die Kontaktierung der Bauelemente und das Aufbringen einer Antireflexionsschicht auf die Bauelemente erfolgen nach dem üblichen Standardverfahren.

Claims (10)

1. Verfahren zum Herstellen von Solarzellen, bei dem mit Hilfe eines Substrats aus Halbleitermaterial eine Folge von schichtförmigen Zonen unterschiedlichen Leitungstyps mit zwischenliegendem pn-Übergang gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen Hauptfläche des mit Störstellen des einen Leitungstyps versehenen Substrats mittels chemischer Dampfphasenabscheidung eine Schicht aus Halbleitermaterial aufgebracht wird, und daß die Schicht aus Halbleitermaterial während des Abscheidens mit Störstellen des anderen Leitungstyps dotiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial für die Folge schichtförmiger Zonen Silizium verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das Halbleitersubstrat einkristallines Silizium verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das Halbleitersubstrat polykristallines Silizium verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Dampfphasenabscheidung bei Atmosphärendruck durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Dampfphasenabscheidung bei niedrigerem als Atmosphärendruck mit oder ohne Plasmaunterstützung durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge aus schichtförmigen Zonen einer Wärmebehandlung unterworfen wird, welche ohne nachteilige Wirkung auf die Trägerlebensdauer im Substratmaterial ist, jedoch die Verlagerung des pn-Übergangs in das Substrat bewirkt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidetemperatur so eingestellt und die Dotier­ gasmenge im Verlauf der Abscheidung so verändert wird, daß bei geringstmöglichem Eindringen des Dotierstoffes die Dotierstoffkonzentration in der aufwachsenden Schicht mit deren Dicke zunimmt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidetemperatur so eingestellt und die Dotiergasmenge im Verlauf der Abscheidung so verändert wird, daß die Dotierstoffkonzentration in der auf­ wachsenden Schicht nach einem stufenförmig abgesetzten Profil zunimmt.
10. Solarzellen mit einer Folge von schichtförmigen Zonen unterschiedlichen Leitungstyps mit zwischen­ liegendem pn-Übergang, hergestellt nach dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Halbleitersubstrat mit Störstellen des einen Leitungstyps eine Schicht aus Halbleitermaterial mit Störstellen des anderen Leitungstyps angeordnet ist, und daß die Schicht eine vom Halbleitersubstrat aus mit der Schichtdicke stufenförmig abgesetzt zunehmende Störstellenkonzentration aufweist.
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