DE3722198A1 - Verfahren zum herstellen von solarzellen - Google Patents
Verfahren zum herstellen von solarzellenInfo
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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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