DE4143084A1 - Verfahren zur herstellung einer solarzelle sowie solarzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit einem Halbleitermaterial für ein Halbleitersubstrat, in welchem durch einfallende Strahlungsenergie Ladungsträger erzeugt werden, wobei zumindest eine Halbleitersubstratfläche Erhebungen aufweist, auf denen elektrisch leitende Kontakte zum Ableiten von Ladungsträgern ausgebildet werden und wobei die Halbleitersubstratfläche zumindest zwischen den elektrisch leitenden Kontakten mit einem Passivierungsmaterial abgedeckt wird sowie auf eine Solarzelle bestehend aus einem Halbleitermaterial für ein Halbleitersubstrat, in welchem durch einfallende Strahlungsenergie Ladungsträger erzeugbar sind, die durch ein elektrisches Feld trennbar und sodann ableitbar sind, wobei auf einer Halbleitersubstratfläche Erhebungen ausgebildet sind, auf denen Ladungsträger ableitende elektrisch leitende Kontakte angeordnet sind, und wobei die Halbleitersubstratfläche zumindest im Bereich zwischen den Kontakten mit einem eine Passivierungsschicht bildenden Passivierungsmaterial abgedeckt ist.

Wesentliche Voraussetzungen zur Erzielung sehr hoher Wirkungsgrade bei photovoltaischen Solarzellen sind neben einer optimalen Einkopplung des Lichtes durch geeignete Oberflächenstrukturierung und Kontaktanordnung vor allem eine möglichst geringe Kontaktfläche und eine sehr gute Oberflächenpassivierung im aktiven Gebiet des Halbleiters. Hierdurch werden Kurzschlußstrom und über die Erniedrigung des Sättigungssperrstroms sowohl die Leerlaufspannung als auch der Füllfaktor der Solarzelle erhöht. Die gegenwärtig höchsten Laborwirkungsgrade (nahe 24%) für mit dotiertem pn- Übergang hergestellte Siliziumsolarzellen werden erreicht durch eine aufwendige photolitographisch erzeugte Oberflächenstruktur, Hochtemperaturpassivierung mittels einer thermischen Siliziumdioxidschicht, in welche wiederum durch Photolithographie und Ätzung kleinste Öffnungen für die zur Ableitung der Ladungsträger erforderlichen Metallkontakte eingebracht werden (M. A. Green, S. R. Wenham, J. Zhao, J. Zolper and A. W. Blakers, Proceedings 21.IEEE Photovoltaic Specialists Conference, S. 207, 1990). Eine Doppeldiffusion im Kontaktbereich trägt zur weiteren Verminderung des Sättigungssperrstroms bei. Der komplexe Herstellungsprozeß dürfte jedoch für eine kostengünstige Massenproduktion terrestrischer Solarzellen nur bedingt durchführbar sein.

R. Hezel, W. Hoffmann and K. Jaeger, Proceedings 10th European Photovoltaic Solar Energy Conference. Lisbon 1991, ist eine hervorzuhebende MIS Inversionsschichtsolarzelle zu entnehmen, die zur Senkung der Herstellungskosten bei hohem Wirkungsgrad führt. Die Herstellung kann aufgrund des induzierten pn-Übergangs durch einfache Niedertemperaturprozesse erfolgen und ist dadurch vor allem für sehr dünne, auch beidseitig lichtempfindliche (bifacial) Ausführungsformen geeignet. Um den Wirkungsgrad der Solarzelle noch weiter zu erhöhen, ist u. a. neben der Verringerung der Kontaktfläche eine drastische Verbesserung der Oberflächenpassivierung erforderlich.

Es ist bekannt, daß die Qualität der Siliziumoberflächenpassivierung durch die Abscheidung einer Plasmasiliziumnitridschicht bei etwa 450°C und damit der Wirkungsgrad erheblich gesteigert werden kann (W. Bauch and R. Hezel, Proceedings 19th E. C. Photovoltaic Solar Energy Conference, S. 390, Freiburg 1989). Hierzu sind jedoch zur Erzeugung von Öffnungen in der Passivierschicht und zur Definition des Kontaktgitters zwei Photolithographieschritte erforderlich, die sich in einer Massenproduktion und bei großen Solarzellenflächen nur sehr schwer kostengünstig durchführen lassen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, mittels einfacher Technologie und gegebenenfalls unter Anwendung großflächiger und insbesondere sehr einfacher Bearbeitungsmethoden sowohl durch Hochtemperatur- als auch insbesondere durch Niedertemperaturprozesse sehr effiziente Solarzellen herzustellen. Dabei soll eine Anwendbarkeit für alle Arten von Halbleitern, Element- und Verbindungshalbleiter, sowohl in einkristalliner Form beliebiger Oberflächenorientierung, in polykristalliner Form jeglicher Korngröße und Orientierung als auch im amorphen Zustand, in selbsttragender (dicker) Ausführung als auch mit Dünnfilmhalbleitern.

Das Problem wird verfahrensmäßig im wesentlichen dadurch gelöst, daß nach Ausbildung der Erhebung die Halbleitersubstratfläche ganzflächig oder weitgehend ganzflächig mit dem Passivierungsmaterial abgedeckt wird, daß von den Erhebungen auf diesen vorhandenes Passivierungsmaterial sowie Halbleitermaterial entfernt wird und daß zumindest auf so freigelegte Bereiche der Erhebungen die elektrisch leitenden Kontakte bildendes Material angeordnet wird.

Ferner wird das Problem auch durch eine Solarzelle gelöst, die sich dadurch auszeichnet, daß die Kontakte auf den zuvor von Passivierungsschichtmaterial abgedeckten und sodann von diesem und von Halbleitermaterial entfernten Spitzenbereichen der Erhebungen angeordnet sind und sich zumindest bereichsweise über Passivierungsschichtmaterial insbesondere entlang zumindest jeweils einer vorzugsweise steil abfallenden Seitenfläche (Flanke) der Erhebungen über dem Passivierungsschichtmaterial erstrecken.

Jeweilige Ausgestaltungen ergeben sich sowohl aus den Unteransprüchen als auch aus der gesamten Erläuterung der Erfindung.

Durch die erfindungsgemäße Lehre können ohne komplexe Photolithographie und Ätzschritte und vorwiegend durch Selbstjustierung, also ohne Maskierung, zusammenhängende Kontaktfingersysteme sehr kleiner Berührungsfläche mit dem Halbleiter, großem Leiterquerschnitt und trotzdem geringer Abschattung erzeugt werden, die entweder zur Ableitung von Minoritäts- oder von Majoritätsladungsträgern auf der Vorder- oder Rückseite der Solarzelle dienen können.

Ein weiteres wesentliches Merkmal des Erfindungsgedankens ist, daß die aktive Fläche zwischen den ein Kontaktgitter bildenden Kontakten von einer durchsichtigen Schicht überzogen ist, die die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit des Halbleiters minimiert und gleichzeitig als Antireflexionsschicht dient. Diese Schicht wird zur Erzielung optimaler Passiviereigenschaften vor der Kontaktherstellung und damit ohne jegliche Einschränkungen bezüglich Temperatur und Dauer des Prozesses aufgebracht werden. Die Auswahl der anwendbaren Schichten ist damit nicht eingeschränkt.

Es kommen sowohl der bei hohen Temperaturen (<500°C, vorzugsweise <700°C) im Fall des Siliziums durch Aufoxidation erzeugte und als thermische Siliziumoxid bezeichnete Film, wie er bisher für Hocheffizienzsolarzellen verwendet wird, in Frage, als auch auf andere Art, wie beispielsweise durch chemische Dampfphasenabscheidung ("CVD"), vorzugsweise plasmaunterstützt, auf dem Halbleiter erzeugte Schichten wie Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, Aluminiumoxid und andere. Dabei soll für die Oberflächen- und Volumenpassivierung des Halbleiters der günstige Einfluß von in die Schicht eingebautem bzw. während der Abscheidereaktion entstehendem hochaktiven Wasserstoff ausgenutzt werden. Auch ist für die Passivierung der Einbau von elektrischen Ladungen in die Passivierschicht nahe der Halbleiteroberfläche von Vorteil, wodurch im Halbleiter Inversion oder Akkumulation, je nach dem Vorzeichen der Ladungen, erzeugt wird (ladungsinduzierte Passivierung). Zur Erzielung einer möglichst niedrigen Oberflächenzustandsdichte bei niedrigen Herstelltemperaturen hat sich unter Ausnutzung von Wasserstoffeinbau und positiven Isolatorladungen das durch Plasmaunterstützung im CVD-Verfahren bei Temperaturen zwischen 300°C und 500°C abgeschiedene bzw. getemperte Siliziumnitrid als sehr vorteilhaft erwiesen. Für alle nach dem Erfindungsgedanken eingeführten Solarzellenstrukturen, insbesondere für die nach dem MIS Inversionsschichtprinzip arbeitenden Zellen, sollen die Halbleiteroberfläche nicht schädigende Verfahren, z. B. das sogenannte Remote- oder Downstream-Plasma-CVD- Verfahren (Mikrowellen, ECR) zur Herstellung der durchsichtigen Isolator-Passivierschicht bevorzugt werden.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Halbleiteroberfläche mit einer Struktur aus parallel verlaufenden Gräben zu versehen, wobei die einzelnen Gräben durch möglichst spitz zulaufende, erhöhte Halbleiterbereiche - den Erhebungen - voneinander getrennt sind. Auf dem so strukturierten Halbleiter wird ganzflächig die Passivierschicht erzeugt, vorzugsweise gemäß zuvor beschriebener Verfahren, wobei diese in gleichmäßiger Dicke die gesamte Oberfläche überzieht. Zur Freilegung der Kontaktbereiche wird die meist gut isolierende Passivierschicht durch möglichst geringes Abtragen der vorzugsweise sich nach oben verjüngenden, erhöhten Halbleiterstege - den Erhebungen - entfernt und durch geeignete Metallisierungsverfahren selektiv die eine Kontaktfingerstruktur bildenden Kontakte aufgebracht. Die Größe der von der Passivierschicht freigelegten Halbleiterfläche und damit der eigentlichen Kontaktfläche kann neben dem beim Erzeugen der Gräben gewählten Furchenabstand im Falle der sich vorzugsweise nach unten verbreiternden Stege auch auf einfache Weise durch die Höhe des Abtrags eingestellt werden.

Durch die erfindungsgemäße Lehre wird nicht nur die Möglichkeit der einfachen selektiven Entfernung der Passivierschicht und der anschließenden selektiven Aufbringung der Metallkontaktfinger gewährleistet, sondern durch die beschriebene Oberflächenstrukturierung in Form von Gräben oder ähnlichen Vertiefungen wird außerdem noch die Einkopplung des Lichtes in den Halbleiter stark verbessert. Es ergibt sich eine Doppelfunktion der Erhebungen.

Als Metallisierungsverfahren kann ein selbstjustierendes Verfahren wie vorteilhafterweise die Methode des Schrägaufdampfens im Hochvakuum verwendet werden. Hierdurch kann ohne jegliche Maske und Justierung jeweils auf einer Seite der Stege eine relativ dicke und ausgedehnte Metallschicht, auf dem flachen oberflächlichen Kontaktbereich jedoch wegen des geringen Aufdampfwinkels eine dünne und schmale Metallschicht aufgebracht werden. Dadurch wird automatisch die angestrebte kleine Kontaktfläche des Metalls mit dem Halbleiter bei großem Metallquerschnitt und wegen des sehr steilen Flankenbereichs auch eine geringe Lichtabschattung durch die Metallbahnen erreicht. Zusätzlich wird das auf die im Flankenbereich verlaufenden Metallfinger auftreffende Licht noch in die Gräben hineinreflektiert und damit sehr gut ausgenutzt.

Erfindungsgemäß verläuft folglich der weitaus größte Teil der zur Stromableitung dienenden elektrisch leitenden Kontakte wie Metallfinger nicht auf dem Halbleiter, sondern auf der isolierenden Passivierschicht und trägt somit nicht zur Erhöhung des Sättigungssperrstromes bei.

Die Metallisierung kann neben der Schrägaufdampfung im Vakuum auch durch andere Methoden selbstjustierend und ohne Maskierung erfolgen. Elektrolytische Metallabscheidung oder stromloses Metallisieren ("electroless plating") bieten sich besonders an, da die Maskierung automatisch durch die seitlich an den Flanken sich befindliche Passivierschicht erfolgt. Auf den isolierenden Bereichen scheidet sich zunächst kein Metall ab, so daß dieses sich überwiegend auf den freigelegten horizontalen Stegbereichen und schließlich durch seitliches Herauswachsen auch teilweise beidseitig auf den steilen passivierten Flanken befindet und somit eine pilzförmige Form annimmt. Dieses selbstjustierende Metallisierungsverfahren eignet sich besonders für diffundierte, ionenimplantierte oder durch Legieren dotierte Kontaktbereiche. Ein weiterer sehr geeigneter, selbstjustierender Vorschlag zur Ausbildung der elektrisch leitenden Kontakte sieht vor, die strukturierte Oberfläche nach dem Abtragen der Passivierschicht in eine leitfähige Paste oder in ein Metallbad gezielt einzutauchen ("dip coating"), wobei nur die Stegoberseite mit der freien Halbleiteroberfläche und je nach Eintauchtiefe auch die passivierten Flankenbereiche mit dem Metall bedeckt werden. Der jeweilige Metallfingerquerschnitt wird demnach durch die Eintauchtiefe, Viskosität des Bades etc. bestimmt und kann in weiten Bereichen variiert werden, ohne die Lichtabschattung wesentlich zu beeinflussen. Auch hier erfolgt, ähnlich wie beim Schrägaufdampfen, jedoch auf beiden Seiten des Stegs, eine zusätzliche Reflexion des Lichtes in die Gräben hinein und damit eine sehr vorteilhafte Lichteinkopplung. Auch ist die Möglichkeit gegeben, die Metallpaste im Schleuderverfahren ("spin-on"-Verfahren) gezielt einseitig an den Stegspitzen sowie an den flachen horizontalen Stegbereichen aufzubringen.

Die Grabenstruktur mit den erhöhten Zwischenbereichen kann wirtschaftlich vorzugsweise durch großflächig anwendbare, mechanische Methoden ohne jegliche Maskierung ("mechanical grooving"), aber auch auch andere Art, beispielsweise durch Trockenätzverfahren mit Hilfe einer mechanischen Maske, erzeugt werden. Bei den Methoden zur Herstellung der parallelen Gräben stehen aber mechanische, großflächig anwendbare Verfahren im Vordergrund. Dabei bieten sich beispielsweise das Sägen mit einem oder mehreren parallelen Sägeblättern ("saw dicing"), das Fräsen mit entsprechend strukturierten Werkzeugen aber auch das Gattersägen ("multiblade sawing") an. Letztere besteht aus einer Anordnung von vielen parallelen Metallstreifen, deren Sägequerschnitt beliebige Formen (eckig, rund, abgerundete Ecken etc.) besitzen kann. Durch die Anordnung der einzelnen Metallblätter und deren Strukturierung können bestimmte Grabenfolgen mit Unterbrechungen der einzelnen Gräben erzeugt werden. Derartige Strukturen können beispielsweise für die Anbringung des Hauptableiters des Stromes ("busbar") bei Solarzellen von Bedeutung sein.

Infolge des geringen Sägeschadens und anderer Vorteile wegen bietet sich für die Oberflächenstrukturierung besonders die Drahtsägetechnik mit Hilfe einer Anordnung paralleler Drähte an ("multiwire sawing"). Diese Methode wurde in den letzten Jahren erfolgreich zum Sägen von Halbleiterblöcken in dünne Scheiben eingeführt. Von Bedeutung ist dabei die Wahl des entsprechenden Schleifmittels ("slurry"). Bei Verwendung entsprechender Drahtdurchmesser und Abstände der Drähte können großflächig auf einfache Weise gerundete Gräben verschiedener Breite, Tiefe und mit verschiedenen Abständen, d. h. mit unterschiedlich breiten Kontaktbereichen, erzeugt werden. Die Gräben können aber im Querschnitt auch nahezu rechteckig sein, mit sehr steilen Flanken und flachem Boden, mit abgerundeten Ecken, im Schnitt ellipsenförmig oder auch spitz zulaufend.

Zur Verringerung der Lichtreflexion können Grabenboden und Wände noch besonders strukturiert sein, wobei die bekannte Texturierung mittels einer eine bestimmte Kristallebene bevorzugt abtragenden Ätze nur als Beispiel angeführt werden soll. Bei Vorliegen einer (100) orientierten Halbleiteroberfläche können dadurch vorteilhafterweise nicht texturierte, glatte Flanken (zur Reflexion des Lichtes in die Gräben hinein, insbesondere wenn die Flanken teilweise mit Metall bedeckt sind) und texturierte Grabenböden erhalten werden. Auch die horizontalen schmalen Kontaktbereiche können vorteilhafterweise texturiert sein, wodurch nach den weiter unten folgenden Ausführungen auf einfache Weise Punktkontakte entstehen.

Das erfindungsgemäß hervorzuhebende bevorzugt großflächige Abtragen der Passivierschicht und eines Teils des Halbleitermaterials im Bereich der sehr schmalen Erhebungen, die die späteren Kontaktbereiche bilden, kann neben anderen Methoden vorteilhafterweise ebenfalls durch mechanische Methoden erfolgen. Hierbei sind über große Flächen gleichmäßiges Läppen, Fräsen, Schleifen und Bürsten mittels z. B. Fächerschleifen, Bürstwalzen, Schleifwalzen, Polierrollen etc. zu nennen, wobei wieder wegen der geringen Oberflächenschädigung des Halbleiters Drahtläppen ("wire lapping", "milling") mit Hilfe eines oder mehrerer Drähte hervorzuheben ist. Bei letzterem Vorschlag kann auf einfache Weise ein hoher Durchsatz erreicht werden, indem die Halbleiterscheiben kontinuierlich unter einem oder mehreren sich bewegenden Drähten in entsprechendem Abstand hindurchgefahren werden.

Neben den mechanischen Methoden zum lokalen Abtragen der Passivierschicht auf den erhöhten Bereichen können auch speziell entwickelte naßchemische Verfahren oder bevorzugt Trockenätzmethoden beispielsweise mit gerichtetem Ätzabtrag (Plasmaätzung, Ionenätzung, Laserätzung etc.) angewendet werden.

Beispielsweise kann ein parallel zur Oberfläche gerichteter Teilchen- oder Laserstrahl bevorzugt und ohne starke Schädigung die erhöhten Bereiche samt Passivierschicht in dem gewünschten Maße abätzen, ohne daß eine Justierung oder Maskierung erforderlich ist. Plasmaätzen durch eine mechanische Maske kommt ebenfalls in Frage.

Die erfindungsgemäße Lehre zur Erzeugung erhöhter Kontaktbereiche, von denen selektiv auf einfache Weise die Passivierschicht entfernt und das Kontaktmetall aufgebracht werden kann, bezieht sich nicht nur auf relativ dicke selbsttragende Halbleiterscheiben, in die Gräben eingebracht werden. Vielmehr kann dieses Prinzip auch auf Dünnschichthalbleiter bzw. Dünnschichtsolarzellen angewendet werden, die auf einem Fremdsubstrat aufgebracht sind. Hierzu wird die Grabenstruktur bereits in das Fremdsubstrat eingearbeitet, das in der Regel aus Metall (meist mit einer darüber liegenden Diffusionsbarrierenschicht), aus leitfähiger oder isolierender Keramik, aus Graphit oder ähnlichen Materialien besteht. In der hierauf abgeschiedenen Halbleiterschicht, die aus polykristallinem sowie aus amorphem Silizium oder aus Verbindungshalbleitern bestehen kann, wird die Solarzelle einschließlich Passivierschicht aufgebaut und nach dem Erfindungsgedanken auf den erhöhten Bereichen die Passivierschicht entfernt und vorzugsweise durch ein oben beschriebenes selbstjustierendes Verfahren die Kontaktmetallisierung vorgenommen. Ein Ausführungsbeispiel der Dünnschichtsolarzellen wird weiter unten beschrieben.

Selbstverständlich kann bei den erfindungsgemäßen sehr gut passivierten Solarzellen auf die Anwendung der selbstjustierenden Metallisierung verzichtet werden und statt dessen das Metall nach der herkömmlichen Art beispielsweise durch Vakuum-Aufdampfen durch eine mechanische Maske, durch Siebdruck oder andere Verfahren aufgebracht werden. Dazu wird die Passivierschicht auf den erhöhten Bereichen entweder gezielt nur im Bereich der später erfolgenden Metallisierung oder ganzflächig entfernt. Im letzteren Fall muß allerdings nach den meist in Streifenform hergestellten Metallbahnen noch eine Passivierung der vorher von der Passivierschicht befreiten, aber nicht mit dem Metall bedeckten erhöhten Bereiche der aktiven Solarzellenoberfläche bei entsprechend mit dem Metallkontakt verträglichen niederen Temperaturen erfolgen. Der Vorteil der letzteren Konfiguration gegenüber den herkömmlichen Zellen besteht darin, daß der größte Teil der Halbleiteroberfläche mit einer sehr guten Passivierung versehen ist und somit auch aufgrund der sehr kleinen Kontaktfläche hohe Wirkungsgrade zu erreichen sind.

Die erfindungsgemäße Lehre zur Erzeugung erhöhter Halbleiterbereiche und der selektiven Entfernung der Passivierschicht auf diesen Kontaktbereichen kann auch vorteilhafterweise zur einfachen Herstellung von neuartigen, äußerst gut passivierten Punktkontaktsolarzellen erweitert werden. Erfindungsgemäß ist es möglich, bei einfacher Technologie optimale Passivierschichten wie thermisches Siliziumdioxid oder Plasmasiliziumnitrid, die bei Temperaturen von 800°C-1000°C bzw. 400°C-500°C hergestellt oder nachbehandelt werden, zu verwenden, da deren Präparation vor der Kontaktherstellung erfolgen kann.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, an einer einkristallinen texturierten Siliziumoberfläche, die mit Pyramiden einstellbarer Größe besetzt ist, zunächst die Passivierschicht ganzflächig zu erzeugen und durch definiertes Abtragen der Pyramidenspitzen (vorzugsweise durch Streifen oder Läppen) das Silizium als kleine quadratische Flächen (Pyramidenstumpf) freizulegen und dann schließlich ganzflächig oder in Streifen das Metall aufzubringen. Die Größe der Kontaktflächen kann infolge der sich nach unten verbreiternden Pyramiden durch die Tiefe des Abtrags der Pyramidenspitzen beliebig erhöht werden, bis hin zur 100%igen Metallbedeckung bei völliger Beseitigung der Pyramiden.

Die Flächendichte der Pyramiden und damit der Punktkontakte kann durch die Höhe der Pyramiden gezielt variiert werden. Mit zunehmender Höhe nimmt nämlich die Zahl der Pyramiden pro Flächeneinheit ab. Die Pyramiden oder anders geformte erhabene Bereiche können durch anisotropes Ätzen erzeugt werden, wie es beispielsweise zur Texturierung von Solarzellen zwecks Verminderung der Lichtreflexion angewandt wird. Für Silizium kommen alkalische Lösungen bei erhöhter Temperatur in Frage, die für verschiedene Kristallorientierungen unterschiedliche Ätzraten aufweisen. Durch diesen Texturätzprozeß kann ohne Maskierung die Einstellung von Höhe und Dichte der Pyramiden erfolgen.

Somit sind auf einfache Weise Kontaktdichte und -fläche nach Belieben regelbar.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines den Zeichnungen zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels. Es zeigt

Fig. 1a einen Ausschnitt einer MIS Inversionsschichtsolarzelle,

Fig. 1b ein Detail der MIS Inversionsschichtsolarzelle nach Fig. 1a,

Fig. 2a einen Ausschnitt einer Solarzelle mit pn-Übergang und MIS-Kontakten,

Fig. 2b ein Detail der Solarzelle nach Fig. 2a,

Fig. 3a einen Ausschnitt einer weiteren Solarzelle mit pn-Übergang,

Fig. 3b ein Detail der Solarzelle nach Fig. 3a,

Fig. 4 einen Ausschnitt einer Dünnschichtsolarzelle,

Fig. 5 einen Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Solarzelle,

Fig. 6a einen Ausschnitt einer zur Solarzelle nach Fig. 5 modifizierten Ausführungsform,

Fig. 6b ein Detail der Solarzelle nach Fig. 6a, zusätzlich mit einer Texturierung im Kontaktbereich,

Fig. 7 eine Rückseite einer Solarzelle zur Sammlung von Majoritätsträgern,

Fig. 8 einen Ausschnitt einer Punktkontakt-MIS-Inversionsschicht-Solarzelle mit texturierter Oberfläche,

Fig. 9a einen Ausschnitt einer weiteren texturierten Punktkontakt-Solarzelle,

Fig. 9b ein Detail der Solarzelle nach Fig. 9a,

Fig. 10a einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsform einer Solarzelle,

Fig. 10b ein Detail der Solarzelle nach Fig. 10a und

Fig. 11 eine strukturierte Rückseite einer Punktkontakt-Solarzelle.

Die erfindungsgemäße Lehre ist grundsätzlich bei jeder Solarzelle realisierbar. In den Ausführungsbeispielen werden jedoch nur MIS Inversionsschicht-Solarzellen und Zellen mit dotiertem pn-Übergang beschrieben. Dabei werden - soweit wie möglich - für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.

In Fig. 1a ist ein Ausschnitt der strahlungsseitigen Frontfläche einer MIS Inversionsschichtsolarzelle (10) dargestellt. Die Zelle (10) besteht aus einem Halbleitergrundkörper (12), einer durch Ladung in einer Isolierschicht induzierten Inversionsschicht (14) (bei p-Halbleiter aus Elektronen aufgebaut), einer durchsichtigen Isolator- bzw. Passivierschicht (16), einem dünnen Tunneloxid (18), das zusammen mit einem Metall (20) einen MIS Kontakt zur Sammlung von Minoritätsträgern bildet. Mit dem Bezugszeichen (22) ist eine durch die Austrittsarbeitsdifferenz von Metall (20) und Halbleiter (12) an der Halbleiteroberfläche gebildete Inversionsschicht versehen. Die Rückseite der Solarzelle (10) kann beliebig gestaltet werden, beispielsweise aus einem ganzflächigen oder unterbrochenen Ohmschen Kontakt mit Passivierung des Zwischenbereiches bestehen, mit einem Rückseitenfeld (BSF) oder mit erhabenen Ohmschen Kontakten (siehe EP 88 105 201.3 A1), die auf ähnliche Weise durch lokales Entfernen der Passivierschicht und selektive Metallisierung hergestellt werden können wie obige Vorderseite. Insoweit wird auch auf die Offenbarung in der EP 88 105 201.A1 Bezug genommen.

Die Herstellung der Solarzelle (10) ist sehr einfach. Nach Ausbildung einer Grabenstruktur - parallel zueinander verlaufende erhöhte Bereiche oder Erhebungen (24), (26), (28) oder Stege und zwischen diesen verlaufende Vertiefungen (30), (32) oder Gräben - an der Halbleiteroberfläche, vorzugsweise auf mechanische Weise, und Entfernung des Oberflächenschadens wird ganzflächig die Passivierschicht (16) (beispielsweise SiO₂, CVD SiO₂, Siliziumnitrid oder Doppelschicht SiO₂/Si₃N₄, bevorzugt plasmaunterstützt) aufgebracht. Auf den erhöhten Bereichen, die auch völlig spitz zulaufen können, wird die Isolierschicht (16) und je nach gewünschter Breite des Kontaktbereiches ein Teil des Halbleiters, bevorzugt auf mechanische Weise, entfernt. Nach Beseitigung einer möglicherweise erzeugten geschädigten Halbleitersubstratschicht wird die dünne Tunnelisolatorschicht (18) (∼1,5 nm dick, beispielsweise Siliziumoxid, Oxynitrid oder Siliziumnitrid) erzeugt, gefolgt von der Schrägaufdampfung des Metalls (20) im Vakuum. Dadurch wird auf der Seitenflanke (34), (36), (38) der erhöhten Bereiche (24), (26), (28) wesentlich mehr Metall aufgebracht als auf den horizontal verlaufenden eigentlichen Kontaktbereichen (40), (42), (44) (in den Figuren ist dieser Sachverhalt nicht maßstabsgetreu wiedergegeben). Der Aufdampfwinkel bestimmt dabei die Breite des zu Kontaktfingern abgeschiedenen und ausgebildeten Metalls.

Der wesentliche dickere, auf dem Isolator (16) verlaufende Teil der Metallisierung - die auch einfach Kontakt genannt wird - stellt den eigentlichen Träger des Stromes dar, dessen Widerstand mit der Breite und Dicke beliebig klein gemacht werden kann, ohne die Abschattung merklich zu erhöhen.

Der horizontale Kontaktbereich (40), (42), (44) mit dem Halbleiter wird erfindungsgemäß, um einen niedrigen Sättigungssperrstrom (hohe Leerlaufspannung!) sowie geringe Lichtabschattung zu erhalten, sehr schmal ausgelegt, wobei die Breite u. a. einstellbar ist durch die Abtragungstiefe des Halbleitermaterials von den Erhebungen (24), (26), (28).

In Fig. 1a ist gezeigt, wie die Metallisierung der Flanken (34), (36) (38) mit ihrer sehr geringen Abschattung noch das einfallende Licht auf die gegenüberliegende Halbleiterflanke reflektiert und damit zusätzlich durch den Schrägeinfall eine sehr gute Einkopplung des Lichtes und Sammlung der Ladungsträger bedingt.

In Fig. 1a wird auch deutlich, daß der Kontakt, also die Metallisierung zumindest die durch das Abtragen des Passivierungsschichtmaterials gewonnenen Stirnflächen (17), (19) der Passivierschicht (16) abdeckt.

Als wesentliche Vorteile der Erfindung sind demnach hervorzuheben:
Selbstjustierende, also maskenfreie Aufbringung der Kontaktbereiche (20) bei minimaler Kontaktfläche und Lichtabschattung, aber trotzdem hoher Leitfähigkeit,
sehr gute, unabhängig von den Metallkontakten (20) durchführbare Oberflächenpassivierung, die gleichzeitig für geringste Lichtreflexion zusammen mit einer möglichen Texturierung der Halbleiteroberfläche sorgt.

Somit wird eine MIS Inversionsschichtsolarzelle zur Verfügung gestellt, mit der man auf einfache Weise höchste Wirkungsgrade erreichen kann.

Wendet man eine der Fig. 1a, 1b entsprechende Struktur zur Sammlung von Majoritätsladungsträgern an (Fig. 7), so entfällt das Tunneloxid und das Metall wird im Falle des Siliziums bei Temperaturen von 350°C-500°C zur Formierung des Ohmschen Kontaktes getempert.

Die erfindungsgemäße Lehre läßt sich auch vorteilhafterweise auf konventionelle Solarzellen mit durch Diffusion bzw. Ionenimplantation hergestellten pn-Übergängen anwenden. In den Fig. 2a, 2b, 3a, 3b sind zwei Ausführungsbeispiele von Solarzellen (46) und (48) dargestellt, die beide eine hochdotierte Emitterschicht (50) im aktiven Bereich der Solarzelle (46) bzw. (48) unter der Passivierschicht (16) enthalten, die Kontaktbereiche jedoch im Fall der Fig. 2a, 2b aus einem MIS Kontakt, im Fall von Fig. 3a, 3b aus einem dotierten Kontakt bestehen.

In Fig. 2a, 2b sind der Halbleiterkörper (12), die durch Diffusion bzw. Ionenimplantation hergestellte hochdotierte Emitterschicht (50) (bei p-Halbleiter eine n⁺-Schicht, bei n-Halbleiter eine p⁺-Schicht), die Oberflächenpassivierschicht (16 ), die Tunnelschicht (18) (bei Silizium vorzugsweise etwa 1,5 nm Siliziumoxid) für Minoritätsladungsträger und die Metallschicht (20) für den MIS Kontakt. Mit dem Bezugszeichen (22) ist die unter dem Metall (20) aufgrund der Austrittsarbeitsdifferenz von Metall und Halbleiter entstandene Inversionsschicht angedeutet. Es koppelt also im Falle des p-Halbleiters die n⁺-Dotierschicht (50) des aktiven Halbleiteroberflächenbereiches direkt an die Elektronen- Inversionsschicht (22) des MIS-Kontaktes an. Der Elektronenübergang in das Metall erfolgt teils direkt aus der n⁺-Schicht und teils über die Inversionsschicht. Auch hier sind wieder erfindungsgemäß auf einfache Weise die Vorteile des Schrägaufdampfens und der Oberflächenpassivierung gegeben, wie im Zusammenhang mit den Fig. 1a, 1b beschrieben worden ist.

In Fig. 3a, 3b, befinden sich an der gesamten Halbleiteroberfläche, im aktiven gut passivierten Gebiet wie auch unter den Metallfingern (20) ein hochdotierter Oberflächenbereich (50) (n⁺-Schicht bei p-Halbleiter und p⁺-Schicht bei n-Halbleiter) über den die Minoritätsladungsträger den Metallfingern oder Metallbahnen (20) zugeführt werden. Dabei sind erneut der Halbleitergrundkörper mit (12), die hochdotierte Oberflächenschicht im aktiven Bereich mit (50), die durchsichtige Passivierschicht (beispielsweise SiO₂, CVD SiO₂, Siliziumnitrid oder Doppelschichten, plasmaunterstützt) mit (16), der hochdotierte Bereich unter dem Metallfinger (20) mit (52) und die durch Schrägaufdampfen erhaltenen Metallkontaktbahnen mit (20) bezeichnet, die nur eine sehr kleine Kontaktfläche zum Halbleitersubstrat (12) besitzen und überwiegend auf der Passivierschicht (16) verlaufen.

Die hochdotierte Schicht (52) unter dem Metall (20) kann im günstigen Fall (tiefer pn- Übergang) durch das im schmalen erhöhten Bereich erfolgende Zusammenlaufen bzw. Überlappen von Dotiergebieten (54) und (56) gebildet werden oder durch eine zusätzlich nach dem lokalen Entfernen der Passivierschicht (16) (durch Abflachen der erhöhten Bereiche (24), (26), (28)) eingebrachte Dotierung.

In einem Teil des Kontaktbereiches, also unterhalb des Kontaktfingers (20), entsteht dann vorteilhafterweise eine durch die Doppeldiffusion bzw. Ionenimplantation entstandene sehr hochdotierte Schicht (52) (n⁺⁺ für p-Silizium), die den Sättigungssperrstrom der Solarzelle (48) weiter reduziert und damit insbesondere die Leerlaufspannung erhöht.

Wegen des einfach zu realisierenden geringen Kontaktabstandes und der hohen Leitfähigkeit der dotierten Oberflächenschicht (50) sowie der Kontaktbahnen eignet sich insbesondere die Solarzelle (48) auch für konzentriertes Licht.

Die bisherigen Ausführungsformen (Fig. 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b) beziehen sich darauf, daß die gezeigte Grabenstruktur vorzugsweise durch mechanische Verfahren im Halbleitergrundkörper (12) selbst erzeugt wird. Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße Lehre und die damit verbundenen Vorteile der zuvor erläuterten Solarzellenvorderseitenstrukturen aber auch für dünne Halbleiterfilme (58) realisiert werden.

Wie in Fig. 4 angedeutet, wird ein entsprechend dotierter Halbleiterfilm (60) auf ein mit Gräben (64), (66), (68) versehenes Substrat (62) (beispielsweise aus Metall, Keramik, Graphit etc.) aufgebracht. Die Oberseite des Halbleiterfilms (60) kann in Form einer Schicht (70) hochdotiert werden (z. B. bei p-Grunddotierung des Halbleiters wird eine n⁺-Schicht erzeugt, Homo-pn-Übergang) oder die Schicht (70) besteht aus einem anderen Halbleiter zur Erzeugung einer Heterostruktur. Anschließend wird eine Passivierschicht (72) ganzflächig aufgebracht und diese lokal durch Abflachen von zwischen den Gräben (64), (66), (68) verlaufenden erhöhten Bereichen oder Erhebungen oder Stegen (74), (76) (78) entfernt. Sodann erfolgt vorteilhafterweise durch Schrägaufdampfen im Vakuum die Metallisierung in Form von Metallstreifen (20), die einen Vorderseitenkontakt der Solarzelle (58) zur Sammlung der Minoritätsladungsträger bilden. Der Rückseitenkontakt ist beispielsweise entweder durch das Substrat (62) oder durch eine leitfähige Schicht zwischen dem Substrat (62) und der Halbleiterschicht (60) gegeben.

Somit können auch für dünne Halbleiterfilme nach der erfindungsgemäßen Lehre sehr kleine Kontaktflächen bei geringer Abschattung und hoher Kontaktfingerleitfähigkeit in Verbindung mit einer sehr guten Oberflächenpassivierung erreicht werden.

Entsprechend den Ausführungsformen der Fig. 1a bis 2b können zusätzlich zu dem im skizzierten Beispiel für den Fall der Halbleiterfilme das Inversionsschichtprinzip mit Inversionsschicht im aktiven Bereich in Verbindung mit dem MIS Kontakt bzw. hoch­ dotierter Emitter im akiven Bereich in Kombination mit MIS Kontakten angewendet werden.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einfacher Technologie eine kleine Kontaktfläche bei sehr guter Oberflächenpassivierung und damit einen hohen Wirkungs­ grad zu erhalten, ist anhand von Vorderseiten von Solarzellen (80), (82) in den Fig. 5, 6a und 6b aufgezeigt.

In beiden Beispielen ist die Halbleiteroberfläche wieder durch parallel laufende Ver­ tiefungen oder Gräben (84), (86), vorzugsweise auf mechanischem Wege erzeugt, gekennzeichnet, wobei aber die Metallisierung zur Bildung von Kontaktfingern (20) nicht durch Schrägaufdampfen erfolgt.

In Fig. 5 werden nur im Bereich der Kontaktfinger (20) die Spitzen der erhöhten und mit Passivierschicht (16) versehenen Bereiche (24), (26), (28) abgetragen und beispiels­ weise durch eine mechanische Maske Metall durch Vakuumverdampfung oder Katho­ denzerstäubung oder durch Siebdruck aufgebracht. Hierzu ist allerdings eine Grobjustie­ rung erforderlich.

Die Ausführungsformen der Fig. 5, 6a, 6b sind nur für eine hochdotierte Emitterschicht (50) im aktiven Bereich und unter den Kontakten (20) wiedergegeben; es können aber auch der Inversionsschichtfall (analog Fig. 1a, 1b) sowie die Kombination von hoch­ dotierter Schicht im aktiven Bereich und MIS Kontakt (analog Fig. 2a, 2b) für diese Ausführungsformen angewendet werden.

In Fig. 5 sind (12) der Halbleitergrundkörper, (50) die hochdotierte Emitterschicht (z. B. n⁺Schicht für p-Halbleiter), (16) die durchsichtige Passivierschicht und (20) die Metallfinger.

Um eine Justierung der Metallfinger (20) zu eliminieren, werden nach Fig. 6 ganzflächig die passivierten erhöhten Oberflächenbereiche (24), (26), (28) des Halbleiters (12) abgeflacht und damit schmale Bereiche des Halbleiters freigelegt. Die Metallbahnen (20) können nun beliebig, d. h. ohne Justierung, auf den Halbleiter aufgebracht werden. Es muß aber eine zusätzliche Passivierschicht (90) (z. B. plasmaunterstütztes CVD Siliziumnitrid) bei mit dem Metall verträglichen Temperaturen auf die freigelegten, nicht mit Metall bedeckten Halbleiterbereiche aufgebracht werden.

In Fig. 6 sind rein schematisch der Halbleitergrundkörper (12), die hochdotierte Emit­ terschicht (50) (z. B. n⁺ bei p-Halbleiter), die Passivierschicht (16) (z. B. thermisches SiO₂, CVD-SiO₂, Siliziumnitrid, Doppelschichten u. a.), die Metallisierung in Form der Finger (20) und die zweite Passivierschicht (90) dargestellt, für die thermisches SiO₂, das in entsprechender Dicke nur bei hohen Temperaturen hergestellt werden kann, nicht mehr infrage kommt. Hierfür bieten sich beispielsweise plasmaunterstütztes CVD SiO₂ bzw. Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid an. Die Doppelpassivierschicht, bestehend aus den Schichten (16) und (90), muß hinsichtlich Passivierung und Antireflexionseigen­ schaften optimiert werden durch Variation der jeweiligen Dicken und der Prozeßpara­ meter.

Der vergrößerte Ausschnitt in Fig. 6b soll die Möglichkeit zeigen, die erhöhten horizon­ talen Flächen sowohl im Bereich der Kontakte (20) als auch im aktiven Gebiet (92) der Solarzelle (82) zu texturieren und dadurch extrem kleine Kontaktflächen zu erzielen.

Der die Erfindung prägende Vorschlag, auf einfache Art sowohl eine optimale Ober­ flächenpassivierung des Halbleiters vor der Kontaktherstellung, als auch kleinste Kon­ taktflächen mit selbstjustierender Kontakterzeugung zu ermöglichen, kann nicht nur zur Sammlung von Minoritätsladungsträgern (vorzugsweise auf der Vorderseite) angewendet werden, sondern auch zur Sammlung von Majoritätsladungsträgern vorzugsweise auf der Solarzellenrückseite.

So soll in Fig. 7 nur ein Beispiel einer Solarzelle (94) mit struktuierter Rückseite (96) mit Ohmschen Streifenkontakten, d. h. lokaler Metallisierung und lokalem Rückseiten­ feld angegeben werden. Ein Halbleiterkörper (12), der im Beispiel p-dotiertes Silizium sein soll, mit einer Oberflächenpassivierschicht (98) (z. B. therm. SiO₂, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, Aluminiumoxid, Doppelschichten etc.), versehen. Ferner sind streifen­ förmige Metallkontakte (100), (102) vorgesehen, die im Beispiel durch Schrägaufdamp­ fen im Vakuum aufgedampft und bei entsprechender Temperatur zur Erzielung eines Ohmschen Kontaktes getempert wurden. Mit (104) ist eine durch Diffusion, Ionen­ implantation oder Legieren erzeugte hochdotierte Schicht (im Beispiel p⁺Silizium) gekennzeichnet, wodurch ein lokaler pp⁺Übergang zur Abbstoßung der Minoritäts­ ladungsträger ("back surface field") vorliegt. Die Passivierschicht (98) dient dabei nach dem Erfindungsgedanken gleichzeitig als Maskierung. Es kann aber auch auf die An­ bringung des dotierten Gebietes (104) ganz verzichtet werden.

Die Solarzelle nach Fig. 7 eignet sich besonders für zweiseitige lichtempfindliche ("bifacial") Solarzellen, um auch das von hinten einfallende Licht besonders effizient auszunützen.

Die Metallschicht (100) kann lokal - wie im Zusammenhang mit Fig. 1a-4 erläutert -, aber auch nach anderen Verfahren selbstjustierend aufgebracht werden (z. B. stromlose Metallisierung, Tauchverfahren, Schleuderverfahren). Auch eine ganz­ flächige Metallisierung der Rückseite (96) ist möglich, wobei sich, da das Metall größ­ tenteils auf der Passivierschicht (98) verläuft, bei geringer Kontaktfläche zusätzlich ein sehr guter optischer Rückseitenreflektor ("back surface mirror") ergibt.

Bei Verwendung eines n-dotierten Halbleitermaterials (12) in Fig. 7 stellt die Schicht (104) einen stark n-dotierten (n⁺) Bereich dar, so daß ein nn⁺Übergang vorliegt. Wiederum können die mit der Passivierschicht (98) bedeckten Vertiefungen oder Furchen (106) beliebige Formen haben (eckig, gerundete Kanten etc.) Auch hier steht die Erzeugung der Furchen (106) mittels der Drahtsäge- oder Gattersägetechnik im Vordergrund. Furchentiefe und Furchenabstand können in weiten Grenzen variieren. Die Kombination der in Fig. 7 skizzierten, mit Gräben (106) versehenen Solarzellen­ rückseite (96) mit den in Fig. 1a bis 6b aufgeführten, ähnlich strukturierten Vorder­ seitenkonfigurationen ist vorteilhaft, insbesondere wenn die Vertiefungen auf der Vorderseite senkrecht zu denen auf der Rückseite verlaufen.

Anhand der Fig. 8 bis 11 soll die Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre für textu­ rierte, also vorzugsweise pyramiden- oder kegelförmige Vorsprünge aufweisende Solar­ zellen zur Erzielung von Punktkontaktsolarzellen erläutert werden.

Dabei soll die Erfindung zur Erzeugung von Punktkontakten am Beispiel eines Ohm­ schen, eines MIS Kontaktes und eines dotierten Kontaktes beschrieben werden.

Auf aus einer Oberfläche eines Siliziumhalbleitersubstrats hervorspringende Pyramiden befindet sich zunächst eine Passivierschicht (z. B. therm. SiO₂, CVD Si₃N₄ etc.). Durch Abtragen der Pyramidenspitzen wird das Silizium freigelegt und mit Metall überzogen und im Fall des Ohmschen Kontaktes noch einer Temperung zwischen 400°C und 500°C unterzogen. Somit sind auf dem Pyramidenstumpf quadratische Punktkontakte ent­ standen, die Seitenflächen sind passiviert.

Im Fall des MIS Kontaktes läßt man nach dem Entfernen der Pyramidenspitze eine dünne Tunneloxidschicht aufwachsen. Sodann wird die Metallschicht abgeschieden. Die Methode kann auch vorteilhaft eingesetzt werden, um lokal diffundierte oder ionen­ implantierte Gebiete beispielsweise für Punktkontakte zu erzeugen, da die Passivier­ schicht gleich als Maske dient und somit eine gezielte selbstjustierende Dotierung dieser Bereiche erlaubt. Wenn es sich beim Halbleiter um p-dotiertes Silizium handelt, kann durch n⁺-Dotierung (z. B. Phosphor) ein minoritätsträgersammelnder Punktkontakt (n⁺p), durch p⁺-Dotierung ein majoritätsträgersammelnder Kontakt (pp⁺) erzeugt werden. Entsprechendes gilt bei der Verwendung von n-dotiertem Silizium (p⁺n und n⁺n).

Die erfindungsgemäße Lehre der abgeflachten Pyramiden kann zunächst für die her­ kömmlichen, auf der Vorderseite die Minoritätsträger und auf der Rückseite die Majori­ tätsträger sammelnden Solarzellen vorteilhaft eingesetzt werden. In jedem Fall werden dadurch auf einfache Weise wie bei den schon ausgeführten Zellentypen eine optimale Passivierung der Halbleiteroberfläche, sehr kleine Kontaktflächen von Metall und Halbleiter und damit hohe Wirkungsgrade erreicht.

Dabei müssen an den zu kontaktierenden Stellen beispielsweise in Form einer Finger­ struktur mit geeigneten Methoden, vorzugsweise durch mechanisches Schleifen, Fräsen oder Läppen, die Pyramiden gezielt abgeflacht, daduch die Passivierschicht lokal entfernt und hierauf die Metallbahnen aufgebracht werden. Letzteres kann beispiels­ weise durch Aufdampfen oder Sputtern durch eine justierbare mechanische Maske oder durch Siebdruck geschehen.

Für die Anwendung des Verfahrens auf die MIS Inversionsschicht Solarzelle, auf deren Vorderseite sich ein MIS Kontaktgitter befindet und die aktive Fläche zwischen den Metallkontakten wie Kontaktfingern mit einer an der Grenzfläche zum Halbleiter Ladungen enthaltenden durchsichtigen Isolatorschicht bedeckt ist, müssen im Kon­ taktbereich die abgeflachten Pyramiden mit einer etwa 1 nm-2 nm dicken sogenannten Tunneloxidschicht versehen werden. Die Pyramiden werden daher nur an den Stellen abgeflacht, auf denen die Metallfinger aufgebracht werden, also ähnlich zu dem in Fig. 5 gezeigten Fall der Grabenstruktur. Das Gebiet zwischen den Kontakten ist vollständig mit der Passivierschicht überzogen.

Im oben beschriebenen Fall ist es jedoch erforderlich, das Metall exakt auf die vor­ gesehenen, aus abgeflachten Pyramiden bestehenden Kontaktbereiche aufzubringen. Hierzu ist eine Justierung erforderlich. Um diese Justierung zu eliminieren, kann eine Struktur, die in Fig. 8 angedeutet ist, für die Solarzellenvorderseite zur Anwendung kommen.

Eine in Fig. 8 dargestellte Solarzelle (108) umfaßt u. a. einen Halbleitergrundkörper (110), eine dünne Tunneloxidschicht (112) und eine Metallisierung (114) für einen MIS Tunnelkontakt, eine vor der Abflachung von Pyramiden (116), (118) und vor Aufbrin­ gung der Metallisierung (114) bei höheren Temperaturen aufgebrachte Passivierschicht (120) (z. B. therm. SiO₂, Si₃N₄ oder Doppelschicht etc.) sowie eine nach der Metallisie­ rung aufgebrachte Passivier-Isolatorschicht (122). Im Bereich der Pyramiden bzw. späteren Pyramidenstümpfe (116), (118) kann sich zwischen dem Halbleiter (110) und der Passivierschicht (122) noch eine zweite dünne Passivierschicht, vorzugsweise Silizi­ umoxid befinden.

Verfahrensmäßig wird wie folgt vorgegangen:
Nach der Passivierung der gesamten Vorderseite der Solarzelle (108) werden die Pyramiden (116), (118) abgeflacht und damit die Passivierschicht (120) lokal entfernt. Sodann wird auf den freigelegten Halbleiterstellen das Tunneloxid (112) der Dicke 1 nm- 2 nm erzeugt und das Metallgitter (114) an beliebiger Stelle aufgebracht. Schließlich wid die so erhaltene Struktur mit der vorzugsweise aus der Gasphase bei Temperaturen bis 350°C abgeschiedenen Passivierschicht (122) überzogen, um insbesondere die zwischen der Metallisierung, also den Kontaktfingern (114) verbliebenen vorher freige­ legten Halbleiterflächen (Pyramidenstümpfe (116)) zu passivieren und durch die einge­ bauten Isolatorladungen an diesen Stellen eine Inversionsschicht zu erzeugen. Plasmasili­ ziumnitrid in Verbindung mit einer Cäsiumkontamination ist hierfür gut geeignet. Der überwiegende Teil der Oberfläche, d. h. die Seitenflächen der Pyramidenstümpfe (116) sind mit der anfangs aufgebrachten sehr guten Passivierschicht (120) überzogen.

Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine herkömmliche, diffundier­ te oder ionenimplantierte Solarzelle erweist sich als sehr vorteilhaft. Dabei sollen drei Möglichkeiten hervorgehoben werden.

• a) Kombination der dotierten aktiven Gebiete mit MIS Kontakten (siehe Fig. 9a, 9b).
  Eine in Fig. 9 im Ausschnitt (ohne Rückkontakt) rein prinzipiell dargestellte Solarzelle (124) umfaßt einen Halbleitergrundkörper (126), ein Tunneloxid (128), eine Metallisierung für den MIS Kontakt (130), eine vorwiegend durch Diffusion oder Ionenimplantation stark dotierte Oberflächenschicht (132) (Emitter, n⁺ bei p-Substrat bzw. p⁺ bei n-Substrat) und eine Passivierschicht (134) (z. B. therm. SiO₂, CVD SiO₂, CVD Si₃N₄ Doppelschicht etc.). Hierbei wird ganzflächig unter der texturierten, Pyramiden oder andere Geometrien aufweisende Erhebungen (136), (138) und passivierten Halbleiteroberfläche ein pn-Übergang beispiels­ weise durch Diffusion oder Ionenimplantation erzeugt (z. B. n⁺ Gebiet auf p- Silizium). Im Kontaktbereich wird die Passivierschicht (134) durch Abflachen der Pyramiden (136), (138) lokal entfernt und diese so gewonnenen Punktkontakt­ stellen (140), (142) mit der etwa 1 nm-2 nm dicken Tunneloxidschicht (128) versehen. Daran schließt sich das lokale Aufbringen der Metallschicht (130) an, wobei bei p-Silizium vorzugsweise die Aufdampfung von Aluminium infrage kommt. Dabei koppelt die n⁺Schicht direkt an die Inversionsschicht unter dem Metall (130) an. Zusätzlich kann über die gesamte Oberfläche inklusive Metall­ bahnen (130) eine Passivierschicht - wie in Fig. 8 - abgeschieden werden. Auch hier ist es möglich, zur Vermeidung der Justierung der Metallbahnen, auf der gesamten Vorderseite die Pyramiden abzuflachen und nach der Metallisierung wieder ganzflächig eine Passivierschicht bei mit der Metallisierung verträglichen Temperaturen aufzubringen.
• b) Doppeldiffusion im Bereich der Kontakte (siehe Fig. 10a, 10b).
  Durch das Abtragen der Pyramiden (136), (138) wird bei der diffundierten bzw. implantierten Solarzelle (124) gemäß Fig. 9a, 9b auch weitgehend das dotierte Gebiet und damit lokal im Kontaktbereich der pn-Übergang beseitigt. Bei einer normalen Kontaktierung (nicht wie in Fig. 9a, 9b) mit einem Metall niedriger Austrittsarbeit, um im p-Halbleiter Verarmung bzw. Inversion zu erzeugen und Einlegieren bei höheren Temperaturen würde somit ein Kurzschluß zum Substrat (126) entstehen.
  Durch die Ausführungsform gemäß Fig. 10a und 10b soll dies vermieden werden.
  In einer rein schematischen auch nur im Ausschnitt dargestellten Solarzelle (144) ist ein Halbleitergrundkörper (146) strukturiert, weist auch punktförmige Erhe­ bungen wie Pyramiden (148), (150) auf. Auf dem Halbleitergrundkörper (146) befindet sich eine anfänglich erzeugte dotierte Oberflächenschicht (152) (Emitter n⁺ bei p-Substrat bzw. p⁺ bei n-Substrat), eine nach dem Abflachen der Pyrami­ den (148), (150) nur im Kontaktbereich erzeugte hochdotierte Schicht (154), ein Kontaktmetall (156) und eine Passivierschicht (158). Es wird demnach vorzugs­ weise durch Diffusion oder Ionenimplantation an der Kontaktstelle das hoch­ dotierte Gebiet (154) erzeugt, wobei die Passivierschicht (158) als Maske dient. Anschließend wird, wie in der konventionellen Siliziumsolarzellentechnologie üblich, das Metall (156) mit gewünschten Eigenschaften aufgebracht und mit dem dotierten Gebiet (154) ein Ohmscher Kontakt mit niedrigem Übergangswider­ stand erzeugt. Infolge der seitlich an den abgeflachten Pyramiden (150) vorhan­ denen Dotiergebiete (152) werden durch die Doppeldiffusion die partiell sehr stark dotierten Gebiete (154) (n⁺⁺) erzeugt, wodurch der Sättigungssperrstrom dieser Kontakte sehr niedrig und damit die erreichbaren Leerlaufspannungen und Füllfaktoren sehr groß werden. Zu einem niedrigen Sättigungssperrstrom trägt auch wesentlich die erfindungsgemäß klein ausgebildete Kontaktfläche bei.
  Analog zum Beispiel der MIS Inversionsschichtsolarzelle nach Fig. 8 kann auch die diffundierte bzw. ionenimplantierte Solarzelle (144) ohne die Notwendigkeit einer Justierung des Metallgitters (156) hergestellt werden und zwar durch ganzflächiges Abtragen der Pyramidenspitzen mit anschließender ganzflächiger zweiter Diffusion oder Ionenimplantation, wobei dann die hochdotierten Gebiete (154) auf der gesamten Solarzellenoberfläche vorhanden sind. Analog zur Schicht (122) in Fig. 8 ist es auch hier vorteilhaft eine zweite Passivierschicht über die gesamte Solarzellenoberfläche abzuscheiden, ohne jedoch die Kontakte (156) zu beeinträchtigen.
• c) Bei nur geringer Abtragtiefe der Pyramiden und möglicherweise tieferen pn- Übergängen gelingt es jedoch wegen der Überlappung der dotierten Gebiete (siehe z. B. Fig. 6b sowie Fig. 9a, 9b, 10a, 10b) im oberen Bereich der Pyrami­ den, die hohe Dotierung im abgeflachten Kontaktgebiet zu erhalten, so daß sich eine Doppeldiffusion erübrigt und damit der Prozeß vereinfacht wird. Durch die Überlappung ist vorteilhafterweise eine Dotierungserhöhung gegeben.

Als weitere sehr vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre zur Erzeugung erhöhter Bereiche und der lokalen Entfernung der Passivierschicht - vorzugsweise durch mechanische Methoden - ergibt sich aus einer Kombination der in den Fig. 1 bis 6 gezeigten Grabenstrukturen mit den in den Fig. 8 bis 10 aufgeführten Punktkontakt­ anordnungen in Form abgeflachter Pyramiden. Dadurch können auf einfache Weise extrem kleine Kontaktbereiche und daher zusammen mit der sehr guten Oberflächen­ passivierung äußerst niedrige Sättigungsperrströme erzielt werden. Wie anhand der Fig. 6b verdeutlicht werden sollte, ergeben sich durch die Texturierung der zwischen den Gräben vorhandenen erhöhten Bereiche wesentliche Vorteile. Zum einen sind im aktiven Gebiet der Solarzelle diejenigen Bereiche, die nicht von der optimal wirkenden Passivierschicht (16) abgedeckt sind, sehr klein, da diese Bereiche punktförmig sind. Hierdurch wird Rekombination von Ladungsträgern verringert. Zum anderen hat sich im von den elektrisch leitenden Kontakten zum Ableiten der Ladungsträger bedeckten Gebiet die eigentliche Berührungsfläche zwischen dem Metall und dem Halbleiter durch die Punktkontakte erheblich reduziert. Der überwiegende Teil des Halbleiters bzw. der hochdotierten Schicht ist erwähntermaßen von der optimierten Passivierschicht (16) bedeckt. Diese Vorteile der Texturierung können für alle der in den Fig. 1 bis 7 gezeig­ ten Ausführungsformen realisiert werden, wobei der Fall der Inversionsschichtsolarzelle nach Fig. 1a und 1b besonders hervorzuheben ist.

Erhöhte Punktkontakte können erfindungsgemäß auch auf andere Weise erzeugt werden. Ausgehend von den in Fig. 1 bis 7 gezeigten Grabenstrukturen, die beispiels­ weise durch Drahtsägen erzeugt wurden, kann durch ähnliches Sägen mit parallelen und definiert voneinander entfernten Drähten unter einem möglichst rechten Winkel zu den Ausgangsgräben, eine regelmäßige Anordnung von sich nach unten erweiternden Säulen erzeugt werden. Der Querschnitt dieser Säulen und damit die Form der Punktkontakte kann rechteckig, quadratisch oder rautenförmig sein, je nach Sägewinkel. Eine beliebige Variation der Punktkontaktfläche ist durch die Wahl der Drahtabstände möglich.

Die Zellenrückseite für obige Anordnungen zur Sammlung der Majoritätsladungsträger kann in vielen Varianten ausgeführt sein. Sie kann beispielsweise untexturiert oder texturiert sein, ganzflächig oder in Streifen mit Metall bedeckt sein, wobei im letzteren Fall der Zwischenbereich mit einer Passivierschicht überzogen wird. Abflachen der Pyramiden im Kontaktbereich gemäß des Erfindungsgedankens, ganzflächig oder in Streifen, zur Reduzierung des Ohmschen Kontaktanteils ist ebenfalls möglich.

Analog zu der in Fig. 7 dargestellten Struktur zur Sammlung der Majoritätsladungsträger vorzugsweise auf der Solarzellenrückseite können auch die erfindungsgemäß vorgesehe­ nen abgeflachten Pyramiden als Punktkontakte vorteilhafterweise mit einem lokalen Rückseitenfeld ("back surface field") zur Majoritätsträgersammlung eingesetzt werden.

Ein Beispiel einer derartigen strukturierten Solarzellenrückseite ist der Fig. 11 zu entnehmen. Auf einem Halbleitergrundkörper (160) befindet sich eine Passivierschicht (162) (Einfach- oder Doppelschicht, therm. SiO₂, Siliziumnitrid etc.) eine Kontaktmetall­ schicht (164) und eine hochdotierte Zone (170) (bei Verwendung eines p-Halbleiters stellt dies eine p⁺Schicht dar) im Plateau der Strukturierung, die durch Pyramiden (168), Kegel, Säulen oder ähnliches gebildet ist, so daß im Pyramidenstumpf, also abgeflachten Bereich der Pyramide (168) ein pp⁺Übergang zur Abstoßung der Minoritätsträger vorliegt. Die Metallschicht (164) wird bei entsprechend höheren Temperaturen getem­ pert, damit sie mit dem Halbleiter bzw. mit der hochdotierten Schicht (170) einen guten Ohmschen Punktkontakt bildet. Auf die Schicht (170) kann aber auch verzichtet werden. Das Metall (164) kann ganzflächig aufgebracht werden, wobei es größtenteils auf den mit der Passivierschicht (162) versehenen Pyramidenflanken verläuft und damit einen sehr guten Rückseitenreflektor ("back surface mirror") bildet.

Das Metall (164) kann aber auch, ähnlich wie in den Fig. 8 bis 10, in Streifenform aufgebracht werden, wobei die dazwischenliegenden Halbleiterbereiche vorzugsweise mit einer zweiten Passivierschicht überzogen werden können. Damit ist eine Ausnutzung des rückseitig einfallenden Lichtes möglich.

Die zweite Passivierschicht ist analog zu der Ausführungsform in Fig. 8 besonders dann erforderlich, wenn auf der gesamten Rückseite die Pyramiden (168) abgeflacht und damit der Halbleiter lokal von der Passivierschicht befreit wird. Ähnlich wie in Fig. 9 für die Minoritätsträger sammelnden Kontakte der Vorderseite gezeigt wurde, können die Pyramiden (168) auch nur im Bereich der Metallkontaktstreifen abgeflacht und hoch­ dotiert werden, während im Gebiet zwischen den Streifen die völlig passivierten Pyra­ miden (168) erhalten bleiben.

Claims (26)

1. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit einem Halbleitermaterial für ein Halbleitersubstrat, in welchem durch einfallende Strahlungsenergie Ladungsträger erzeugt werden, wobei zumindest eine Halbleitersubstratfläche Erhebungen aufweist, auf denen elektrisch leitende Kontakte zum Ableiten von Ladungs­ trägern ausgebildet werden und wobei die Halbleitersubstratfläche zumindest zwischen den elektrisch leitenden Kontakten mit einem Passivierungsmaterial abgedeckt wird, dadurch gekennzeichnet,

• - daß nach Ausbildung der Erhebungen die Halbleitersubstratfläche ganzflächig oder weitgehend ganzflächig mit dem Passivierungsmaterial abgedeckt wird,
• - daß von den Erhebungen auf diesen vorhandenes Passivierungsmaterial sowie Halbleitermaterial entfernt werden und
• - daß zumindest auf so freigelegte Bereiche der Erhebungen die elektrisch leitenden Kontakte bildendes Material angeordnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß großflächig und im wesentlichen gleichzeitig von zumindest mehreren Erhebungen Passivierungsmaterial und Halbleitersubstratmaterial im gewünschten Umfang entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernen von Passivierungsmaterial und Halbleitersubstratmaterial auf mechanischem Wege wie durch Schleifen, Fräsen oder Läppen wie Drahtläppen entfernt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß großflächig und im wesentlichen gleichzeitig von zumindest mehreren Erhebungen Passivierungsmaterial und Halbleitersubstratmaterial auf naß­ chemischem Wege oder Trockenätzen entfernt werden.

5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die elektrisch leitenden Kontakte bildende Material maskierungsfrei aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das die elektrisch leitenden Kontakte bildende Material durch Schräg­ aufdampfen im Vakuum abgeschieden wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Passivierungsmaterial bei Temperaturen T₁ mit T₁ <500°C durch Oxidation oder durch chemische Dampfphasenabscheidung bei T₂ mit T₂ <250°C aufgebracht wird.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in aus dem Passivierungsmaterial ausgebildeter Passivierungsschicht Wasserstoff eingebaut wird.

9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht durch Plasma-CVD-Verfahren, insbesondere durch Remote oder Downstream-Plasma-CVD-Verfahren abgeschieden wird.

10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die elektrisch leitenden Kontakte bildende Material elektrolytisch oder durch stromlose Metallisierung abgeschieden wird.

11. Verfahren nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen durch Abtragen von Halbleitermaterial mittels z. B. parallel zueinander angeordneter Sägeblätter oder Drähte oder mittels Gattersägen ausgebildet werden.

12. Verfahren nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der Erhebungen Halbleitermaterial auf einem entsprechend vorstrukturierten Substrat aufgetragen wie abgeschieden wird.

13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht als Maske für weitere aufzutragende oder auszubil­ dende Schichten, insbesondere für das die elektrisch leitenden Kontakte bildende Material oder zur Ionendiffusion oder Ionenimplantation zur Ausbildung von dotierten Oberflächenschichten im Halbleitersubstrat verwendet wird.

14. Solarzelle bestehend aus einem Halbleitermaterial für ein Halbleitersubstrat, in welchem durch einfallende Strahlungsenergie Ladungsträger erzeugbar sind, die durch ein elektrisches Feld trennbar und sodann ableitbar sind, wobei auf einer Halbleitersubstratfläche Erhebungen ausgebildet sind, auf denen Ladungsträger ableitende elektrisch leitende Kontakte angeordnet sind, und wobei die Halbleitersubstratfläche zumindest im Bereich zwischen den Kontakten mit einem eine Passivierungsschicht bildenden Passivierungsmaterial abgedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (20, 100, 102, 114, 130, 156, 164) auf den zuvor von Passivie­ rungsschichtmaterial abgedeckten und sodann von diesem und von Halbleiterma­ terial entfernten Spitzenbereichen der Erhebungen (24, 26, 28, 116, 118, 136, 138, 148, 150) angeordnet sind und sich zumindest bereichsweise über Passivierungs­ material entlang erstrecken.

15. Solarzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kontakte (Metallisierung) (20, 100, 102, 114, 130, 156, 164) auf freigelegten Stirnflächen (17, 19) der Passivierungsschicht (16) erstrecken.

16. Solarzelle nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Metallisierung zumindest jeweils entlang einer Seitenfläche (Flanke) (34, 36, 38) der Erhebungen über Passivierungsschichtmaterial erstreckt.

17. Solarzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (Flanken) (34, 36, 38) der Erhebungen (24, 26, 28) konkav ausgebildet sind.

18. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (24, 26, 28) zumindest vor Ausbilden der Kontakte (20) eine Spitze aufweisen.

19. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstreckung der Kontakte (20) entlang freigelegten Halbleitermaterials geringer als entlang der Seitenflächen (34, 36, 38) ist.

20. Solarzelle nach zumindest Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (24, 26, 28) parallel oder im wesentlichen parallel zueinander verlaufen.

21. Solarzelle nach zumindest Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (116, 118, 136, 138, 148, 150, 168) kleinflächig durch von der Substratoberfläche vorspringende Pyramiden bzw. Pyramidenstümpfe, Kegel bzw. Kegelstümpfe oder Säulen gebildet sind.

22. Solarzelle nach zumindest Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Solarzelle (58, 82, 144) mit pn-Übergang im Bereich der Halbleiter­ substratoberfläche innerhalb der Erhebungen eine Überlappung dotierter Oberflächenbereiche (52) ausgebildet sind, auf denen unmittelbar Abschnitte der elektrisch leitenden Kontakte (20) angeordnet sind.

23. Solarzelle nach zumindest Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzelle vorder- und rückseitig jeweils parallel zueinander verlaufende Erhebungen bzw. Vertiefungen aufweist, wobei die rückseitigen einen zu den vorderseitigen abweichenden Verlauf zeigen.

24. Solarzelle nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen bzw. Vertiefungen von gegenüberliegenden Seiten der Solarzelle senkrecht oder im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen.

25. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (92) texturiert sind.

26. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial einkristallin, polykristallin, amorph oder ein Element- oder Verbindungshalbleiter ist.