DE3815512C2 - Solarzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Solarzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

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DE3815512C2 DE19883815512 DE3815512A DE3815512C2 DE 3815512 C2 DE3815512 C2 DE 3815512C2 DE 19883815512 DE19883815512 DE 19883815512 DE 3815512 A DE3815512 A DE 3815512A DE 3815512 C2 DE3815512 C2 DE 3815512C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 oder 3. Eine derartige Solarzelle ist aus der US-PS 39 88 167 bekannt.
Eine Solarzelle aus einem Halbleiterkörper mit n⁺/p- Struktur, dessen Rückseite eine Antireflexschicht aus Aluminium aufweist (BSR-Wirkung, BSR: Back-Surface-Re­ flection), zeigt eine hohe effektive Rekombinationsge­ schwindigkeit der Minoritätsträger. Dies kann durch ein p⁺-Rückseitenfeld (BSF-Wirkung, BSF: Back-Surface-Field) verhindert werden, indem vor dem Aufdampfen des Alumi­ niums ganzflächig eine p⁺-Zone auf der Rückseite des Halbleiterkörpers, beispielsweise durch Bordiffusion, Borimplantation oder Aluminium-Einlegierung, erzeugt wird.
Solche Solarzellen sind aus dem Konferenzbericht "Conf. Rec., Tenth IEEE Photovoltaic Specialists Conf.", Nov. 13-15, 1973, Seiten 207-211, bekannt. Jedoch sind diese Verfahren zur Herstellung der p⁺-Zone aufwen­ dig und kostenintensiv. Außerdem findet im hochdotierten p⁺-Gebiet eine beträchtliche Absorption von Infrarot­ strahlung durch freie Ladungsträgerabsorption statt, wodurch die Arbeitstemperatur der Zelle ansteigt.
In der PCT-WO 87/07766 ist ebenfalls eine derartige Solarzelle mit einer ganzflächigen p⁺-Schicht auf der Rückseite des Halbleiterkörpers beschrieben. Diese Solarzelle weist neben einer zwischen dem Halbleiterkörper und dem ganzflächigen Rückseitenkontakt liegenden Isolationsschicht eine Anzahl von höher dotierten p⁺-Zonen auf, die die ganzflächige p⁺-Schicht durchdringen und in die p-Schicht des Halbleiterkörpers eingreifen. Zur Herstellung der höher dotierten p⁺-Zonen wird zunächst eine Metallpaste in einem vorgegebenen Muster durch Siebdruck auf die Isolationsschicht aufgebracht. Anschließend erfolgt eine Wärmebehandlung, aufgrund derer Metallpartikel die Isolationsschicht und die ganzflächige p⁺-Schicht durchdringen und an vorgegebenen Regionen in die p-Schicht des Halbleiterkörpers eindringen. Nach dem Abkühlen des Halbleiterkörpers werden die überschüssigen Ablagerungen von Metallteilen derart entfernt, daß Öffnungen in der Isolationsschicht oberhalb der höher dotierten p⁺-Zonen entstehen. Abschließend erfolgt die Aufbringung des ganzflächigen Rückseitenkontaktes auf die Isolationsschicht, wobei der elektrische Kontakt zwischen Rückseitenkontakt und den höher dotierten p⁺-Zonen durch in den Öffnungen der Isolationsschicht abgelagerte Metallteile des Rückseitenkontaktes gegeben ist. Nachteile dieser vorbekannten Solarzelle sind in der Vielzahl von Verfahrensschritten zur Herstellung der ganzflächigen p⁺-Schicht und der höher dotierten p⁺-Zonen sowie in dem damit verbundenen hohen technischen Aufwand zu sehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu­ grunde, eine Solarzelle mit BSR- und BSF-Wirkung der eingangs genannten Art anzugeben, die einfach und ko­ stengünstig herstellbar ist. Diese Aufgabe wird erfin­ dungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 bzw. Anspruch 3 gelöst.
Hierdurch ergibt sich eine stark verminderte effektive Rekombinationsgeschwindigkeit der Ladungsträger sowie eine einfache Rückseitenkontaktierung zur Abführung des Stromes.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß der ersten Lösung wird Aluminium als Kontaktmaterial verwen­ det. Hierdurch ergibt sich ein besonders geringer Über­ gangswiderstand des Rückseitenkontaktes. Vorteilhafter­ weise besteht bei beiden Lösungen der Halbleiterkörper aus Silizium und die Isolationsschicht aus Silizium­ dioxid, wobei bei einer weiteren vorteilhaften Ausbil­ dung der Erfindung diese Isolationsschicht als λ/4- Schicht zur Reflexion von IR-Strahlung ausgebildet wird, um durch die hierdurch erzielte geringere Wärmebelastung den Wirkungsgrad der Solarzelle zu erhöhen. Die Kontakt­ schicht besteht bei einer weiteren vorteilhaften Ausbil­ dung der Erfindung aus einer Schichtenfolge Titan-Pal­ ladium-Silber oder aus einer Schichtenfolge Aluminium- Titan-Palladium-Silber, wobei der Kontaktaufbau mit Aluminium eine weitere Erhöhung der Reflexion bewirkt.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfin­ dung sind die Öffnungen bzw. die begrenzten Bezirke kreisförmig ausgebildet und gleichmäßig über die Ober­ fläche der Isolationsschicht verteilt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind diese Öffnungen bzw. diese begrenzten Bezirke als schmale, parallel angeordnete Streifen ausgebildet. Hierdurch kann vorteilhafterweise die für die Herstellung der grids auf der Vorderseite der Solarzelle verwendete Maske auch zur Herstellung der erfindungsgemäßen strei­ fenförmigen Öffnungen bzw. Bezirke eingesetzt werden.
Das Verfahren der Erfindung zur Herstellung der Solar­ zelle gemäß der ersten Lösung der gestellten Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß auf der Rückseite des p- dotierten Halbleiterkörpers die Isolationsschicht er­ zeugt und anschließend eine n⁺-Dotierung zur Herstellung des n⁺p-Überganges auf der Vorderseite des Halbleiter­ körpers durchgeführt wird, daß mit Hilfe einer Maskie­ rung die Isolationsschicht zur Erzeugung der Öffnungen strukturiert wird, daß anschließend diese Öffnungen durch Ätzen hergestellt werden und das Kontaktmaterial in die Öffnungen der Isolationsschicht eingebracht und anschließend getempert wird, und daß danach die Aufbrin­ gung der Kontaktschicht auf die Isolationsschicht er­ folgt. Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur er­ sten Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß auf der Rückseite des p-dotierten Halbleiterkörpers die Isolationsschicht erzeugt wird, die mit Hilfe einer Mas­ kierung zur Erzeugung der Öffnungen strukturiert wird, daß zunächst diese Öffnungen durch Ätzen hergestellt werden, daß danach der Halbleiterkörper im Bereich der Öffnungen mit einem Dotierstoff, vorzugsweise Bor, do­ tiert wird, daß eine n⁺-Dotierung zur Erzeugung des n⁺p-Überganges auf der Vorderseite des Halbleiterkörpers hergestellt wird, und daß zuletzt die Aufbringung der Kontaktschicht auf die Isolationsschicht erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Solar­ zelle gemäß der zweiten Lösung der gestellten Aufgabe kennzeichnet sich dadurch, daß auf der Rückseite des p- dotierten Halbleiterkörpers die Isolationsschicht er­ zeugt und anschließend eine n⁺-Dotierung zur Herstellung des n⁺p-Überganges auf der Vorderseite des Halbleiter­ körpers durchgeführt wird, daß zur Bildung der Bezirke partiell eine Metallschicht, die vorzugsweise aus Alu­ minium besteht, auf die Isolationsschicht aufgebracht und anschließend getempert wird, und daß danach die Aufbringung der Kontaktschicht auf die Isolationsschicht erfolgt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens wird das Kontaktmaterial im ersten Verfahren mittels eines Aufdampf- oder Siebdruckverfah­ rens aufgebracht. Die Herstellung der partiell auf der Isolationsschicht aufgebrachten Metallschicht im zweiten Verfahren kann in der gleichen Weise erfolgen. In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Solarzelle wird die Tem­ perung im Ofen oder durch Bestrahlen mit einer Hochener­ gielampe durchgeführt.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es mög­ lich, solche Rückseitenkontakte einfach aufzubauen, wo­ bei die Solarzellen gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Lösung besonders kostengünstig herstellbar sind, wodurch sie für terrestrische Anwendungen geeignet werden.
Die Erfindung und ihre vorteilhafte Ausgestaltung wird noch anhand der Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer Solar­ zelle mit erfindungsgemäßem Rückseiten­ kontakt,
Fig. 2 und 3 die Rückseitenansichten der erfindungs­ gemäßen Solarzelle nach der Fig. 1, und
Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Solarzelle.
In den Figuren sind jeweils gleiche Elemente mit glei­ chen Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 1 zeigt eine Solarzelle 1 aus einem eine Dicke von ca. 200 µm aufweisenden Halbleiterkörper 3 aus Si­ lizium, mit einem aus dem n⁺-dotierten Bereich 9 und dem p-dotierten Bereich 8 bestehenden, von der Vorderseite 11 in den Halbleiterkörper 3 sich erstreckenden n⁺p- Übergang 2. Auf der Rückseite 12, direkt auf dem p- dotierten Bereich 8 des Halbleiterkörpers 3 ist eine Oxidschicht 5, beispielsweise aus Siliziumdioxid, mit einer Dicke von ca. 0,25 µm angeordnet, die von den Öffnungen 6 durchsetzt ist. Hierbei ist diese Oxid­ schicht 5 im Bereich der Öffnungen 6 mit Kontaktmaterial 4a, beispielsweise Aluminium, beschichtet, so daß diese Öffnungen 6 vollständig mit diesem Kontaktmaterial auf­ gefüllt sind. Von diesen Öffnungen 6 ausgehend, sind hochdotierte, begrenzte p⁺-Zonen 7 in den Halbleiter­ körper 3 hinein ausgebildet. Durch diese partielle p⁺- Dotierung wird zusammen mit der Oxidschicht 5 eine ver­ gleichbare Wirkung wie eine ganzflächig ausgebildete p⁺-Zone erzielt, d. h. die Ladungsträgerrekombination ist sehr gering und entspricht der Wirkung einer BSF- Solarzelle.
Außerdem dienen diese mit Kontaktmaterial aufgefüllten Öffnungen 6 in der Oxidschicht 5 als stromabführende Elektroden, wobei der Strom über die auf der Oxidschicht 5 angeordnete und somit in ohmschen Kontakt über die Öffnungen 6 mit dem Halbleiterkörper 3 stehende Kontakt­ schicht 4 abgeführt wird. Diese die Rückseite 12 der Solarzelle 1 kontaktierende Schicht 4 besteht beispiels­ weise aus einer Schichtenfolge aus Titan-Palladium-Sil­ ber mit einer Dicke von ca. 2 µm, falls die Oxidschicht 5 als Antireflexschicht für IR-Strahlung (λ/4-Dicke) ausgeführt ist, wird mit dieser Schichtenfolge für Strah­ lung unterhalb der Bandkante des Siliziums eine Refle­ xion von über 70% erzielt. Ist jedoch die Kontakt­ schicht 4 aus einer Schichtenfolge Aluminium-Titan-Pal­ ladium-Silber aufgebaut, so kann eine beachtliche Re­ flexion von über 80% erreicht werden. Die hierdurch verminderte Wärmebildung in der Solarzelle führt im Weltraum zu einer Wirkungsgraderhöhung von ca. 4-8%. Die Öffnungen 6 können verschiedenartig auf der Oxid­ schicht 5 ausgestaltet sein. Nach Fig. 2 sind diese Öffnungen 6 streifenförmig ausgebildet und parallel zu­ einander angeordnet. In vorteilhafter Weise sind sie, gemäß Fig. 1, parallel zu den auf der Vorderseite 11 der Solarzelle 1 sich befindenden Kontaktfinger 10 in der Oxidschicht 5 angeordnet, wozu die zur Herstellung der Kontaktfigur 10 eingesetzte Maske verwendet wird. Gemäß Fig. 3 können diese Öffnungen auch kreisförmig mit einem Durchmesser von ca. 50 µm ausgebildet sein und gleichmäßig über die Oberfläche der Oxidschicht 5 ver­ teilt sein, wobei sie ca. 3% der Fläche der Rückseite 12 einnehmen.
Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Solarzelle gemäß der Fig. 1 wird ein p-dotierter Halbleiterkörper durch Aufbringen der Oxidschicht 5 auf einer Seite des Halb­ leiterkörpers so maskiert, daß auf der freien Seite durch eine n⁺-Dotierung der n⁺p-Übergang 2 geschaffen werden kann. Anschließend wird diese Oxidschicht 5 mit­ tels eines photolithografischen Prozesses zur Erzeugung der Öffnungen 6 strukturiert und geätzt. Danach wird die Oberfläche der Oxidschicht im Bereich der Öffnungen partiell mit Aluminium bedampft, wodurch die Öffnungen 6 vollständig mit Aluminium ausgefüllt werden. Durch die nachfolgende Temperung, beispielsweise in einem Ofen, bilden sich die mit Aluminium dotierten p⁺-Zonen 7 aus. Zuletzt wird die Kontaktschicht 4 aufgebracht.
Alternativ kann das Aluminium im Bereich der Öffnungen 6 mittels eines Siebdruckverfahrens aufgebracht werden. Zur Ausbildung der p⁺-Zonen 7 wird dieses Aluminium durch Bestrahlen mit einer Hochenergielampe getempert.
Zur Herstellung der p⁺-Zonen 7 kann als Dotiermaterial auch Bor statt Aluminium verwendet werden, wobei aber wegen der hohen Dotierungstemperatur von Bor die n⁺- Dotierung zur Erzeugung des n⁺p-Überganges 2 erst nach dieser Bor-Dotierung durchgeführt werden kann. Es wird also gemäß den oben bezeichneten Verfahrensschritten zuerst die Oxidschicht 5 erzeugt, strukturiert und die Öffnungen 6 geätzt und daran anschließend über diese Öffnungen 6 die Bordotierung zur Erzeugung der p⁺-Zonen 7 durchgeführt, bevor die n⁺-Dotierung zur Schaffung des n⁺p-Übergangs 2 erfolgt.
Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich bei einer erfindungsgemäßen Solarzelle nach Fig. 4, bei der die Öffnungen 6 gemäß der Solarzelle nach Fig. 1 entfallen, und statt dessen in Bereichen 6a die Oxidschicht 5 mit Aluminium dotiert ist. Dies wird dadurch erreicht, daß nach der Erzeugung der Oxidschicht 5 und des n⁺p- Überganges das Aluminium mit Hilfe einer Löchermaske mit einer Dicke von ca. 1-5 µm zur Definition der Bezirke 6a unter Ausbildung einer Aluminiumschicht 4a auf die Oxidschicht 5 aufgedampft wird. Durch eine nachfolgende Temperung, beispielsweise in einem Ofen, bilden sich einerseits die p⁺-Zonen 7 unter den Bezirken 6a aus und andererseits ergibt sich ein ohmscher Kontakt über diese Bezirke 6a zum Halbleiterkörper 3.
Das Aluminium kann auch mittels eines Siebdruckverfah­ rens unter Ausbildung einer Schicht 4a gemäß Fig. 4 zur Definition der Bezirke 6a auf die Oxidschicht 5 aufge­ bracht werden, um anschließend durch Bestrahlen mit einer Hochenergielampe getempert zu werden, wodurch sich die gewünschten p⁺-Zonen 7 unter den Bezirken 6a aus­ bilden.
Diese Bezirke 6a können in gleicher Weise wie die Öff­ nungen 6 entweder kreisförmig und gleichmäßig auf der Oxidschicht verteilt sein oder aber als parallel ange­ ordnete schmale Streifen ausgebildet werden.
Eine solche Solarzelle nach Fig. 4 ist besonders kosten­ günstig herstellbar, da die Strukturierung und Ätzung der Oxidschicht 5 entfällt. Daher ist diese Solarzelle besonders für terrestrische Anwendungen geeignet.
Die BSF-Wirkung der erfindungsgemäßen Solarzelle hängt außer von den p⁺-Zonen auch wesentlich von der Güte der Oxidschicht 5 ab. Die Rekombinationsgeschwindigkeit nimmt mit zunehmenden Verunreinigungen, wie beispiels­ weise von Fremdeinschlüssen, zu. Es ist daher von Vor­ teil, Solarzellen mit hochreinem Oxid zu schaffen.

Claims (17)

1. Solarzelle (1) aus einem einen n⁺p-Übergang (2) enthaltenden dotierten Halbleiterkörper (3), der auf der Rückseite (12) ganzflächig mit einer Kontaktschicht (4) bedeckt ist, wobei zwischen dem Halbleiterkörper (3) und der Kontaktschicht (4) eine ganzflächige Isolationsschicht (5) angeordnet ist, die mit Öffnungen (6) zur Bildung eines ohmschen Kontaktes zwischen dem Halbleiterkörper (3) und der Kontaktschicht (4) versehen ist, und wobei die Öffnungen (6) mit Kontaktmaterial (4a) ausgefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von den Öffnungen (6) in den Halbleiterkörper (3) hinein hochdotierte, begrenzte p⁺-Zonen (7) ausgebildet sind, und daß die zwischen diesen p⁺-Zonen (7) liegende, aus hochreinem Oxid bestehende Isolationsschicht (5) unmittelbar an dem p-dotierten Bereich (8) des Halbleiterkörpers (3) anliegt.
2. Solarzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Kontaktmaterial (4a) aus Aluminium besteht.
3. Solarzelle (1) aus einem einen n⁺p-Übergang (2) enthaltenden dotierten Halbleiterkörper (3), der auf der Rückseite (12) ganzflächig mit einer Kontaktschicht (4) bedeckt ist, wobei an der Rückseite (12) des Halbleiterkörpers (3) zwischen dem Halbleiterkörper (3) und der Kontaktschicht (4) ganzflächig eine Isolationsschicht (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (5) von begrenzten und mit einem Dotierstoff dotierten sowie ohmsche Kontakte zum Halbleiterkörper (3) bildenden Bezirken (6a) durchsetzt ist, daß ausgehend von den Bezirken (6a) in den Halbleiterkörper (3) hinein hochdotierte, begrenzte p⁺-Zonen (7) ausgebildet sind, und daß die zwischen diesen p⁺-Zonen (7) liegende, aus hochreinem Oxid bestehende Isolationsschicht (5) unmittelbar an dem p-dotierten Bereich (8) des Halbleiterkörpers (3) anliegt.
4. Solarzelle (1) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch den Dotierstoff Aluminium.
5. Solarzelle (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (3) aus Silizium und die Isolationsschicht (5) aus Silizium­ dioxid besteht.
6. Solarzelle (1) nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht (4) aus einer Schichtenfolge Titan-Palladium-Silber besteht.
7. Solarzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht (4) aus einer Schichtenfolge Aluminium-Titan-Palladium-Silber besteht.
8. Solarzelle (1) nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (5) eine λ/4-Dicke zur Reflexion von Infrarot-Strahlung aufweist.
9. Solarzelle (1) nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (6) bzw. die begrenzten Bezirke (6a) kreisförmig ausgebildet sind und gleichmäßig über die Oberfläche der Isolations­ schicht (5) verteilt sind.
10. Solarzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (6) bzw. die begrenzten Bezirke (6a) als schmale, parallel angeord­ nete Streifen ausgebildet sind.
11. Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle (1) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der Rückseite (12) des p-dotierten Halbleiterkörpers (3) die Isolationsschicht (5) erzeugt und anschließend eine n -Dotierung zur Herstellung des n⁺p-Überganges (2) auf der Vorderseite (11) des Halb­ leiterkörpers (5) durchgeführt wird, daß mit Hilfe einer Maskierung die Isolationsschicht (5) zur Erzeugung der Öffnungen (6) strukturiert wird, daß anschließend diese Öffnungen (6) durch Ätzen hergestellt werden und das Kontaktmaterial (4a) in die Öffnungen (6) der Isolations­ schicht (5) eingebracht und anschließend getempert wird, und daß danach die Aufbringung der Kontaktschicht (4) auf die Isolationsschicht (5) erfolgt.
12. Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle (1) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der Rückseite (12) des p-dotierten Halbleiterkörpers (3) die Isolationsschicht (5) erzeugt wird, die mit Hilfe einer Maskierung zur Erzeugung der Öffnungen (6) strukturiert wird, daß zunächst diese Öff­ nungen (6) durch Ätzen hergestellt werden, daß danach der Halbleiterkörper (3) im Bereich der Öffnungen (6) mit einem Dotierstoff dotiert wird, daß anschließend eine n⁺-Dotierung zur Erzeugung des n⁺p-Überganges (2) auf der Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers herge­ stellt wird, und daß zuletzt die Aufbringung der Kon­ taktschicht (4) auf die Isolationsschicht (5) erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch den Dotierstoff Bor.
14. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Rückseite (12) des p-dotierten Halbleiter­ körpers (3) die Isolationssschicht (5) erzeugt und anschließend eine n⁺-Dotierung zur Herstellung des n⁺p- Überganges (2) auf der Vorderseite (11) des Halbleiter­ körpers (3) durchgeführt wird, daß zur Bildung der Be­ zirke (6a) partiell eine Metallschicht (4a) auf die Iso­ lationsschicht (5) aufgebracht und anschließend getem­ pert wird, und daß danach die Aufbringung der Kontakt­ schicht (4) auf die Isolationsschicht (5) erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (4a) aus Aluminium besteht.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktmaterial (4a) bzw. die Metallschicht (4a) mittels eines Aufdampf- oder Siebdruckverfahrens aufgebracht wird.
17. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle (1) nach einem der Ansprüche 11 oder 14 bis 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Temperung im Ofen oder durch Bestrah­ len mit einer Hochenergielampe erfolgt.
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