DE4217428A1

DE4217428A1 - Hochleistungs-solarzellenstruktur

Info

Publication number: DE4217428A1
Application number: DE19924217428
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dipl Phys Schmidt; Gerhard Dipl Ing Wahl
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: WAHL, GERHARD, 74321 BIETIGHEIM-BISSINGEN, DE SCHM
Priority date: 1991-12-09
Filing date: 1992-05-27
Publication date: 1993-06-17

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochleistungs-Solarzellenstruk tur, die insbesondere für eine einseitige oder zweiseitige Bestrahlung vorgesehen ist, vorzugsweise kristalline Sili ziumsolarzelle mit np-Struktur auf der Basis von p-typ-Si liziumsubstraten und n-typ-Emitter an der der Sonne zuge wandten Vorderseite.

Um Solarzellen mit höchsten Wirkungsgraden zu erhalten, ist es u. a. erforderlich, Strukturen zu realisieren, die einen möglichst hohen Sammlungswirkungsgrad für die erzeugten La dungsträger besitzen. Dies schließt eine Minimierung der Rekombination in den oberflächennahen Bereichen ein.

Für die gebräuchliche kristalline Siliziumsolarzelle mit np-Struktur auf der Basis von p-typ-Siliziumsubstraten und n-typ-Emitter an der der Sonne zugewandten Vorderseite bein haltet dies die Verwendung von Passivierungsschichten an den Oberflächen, vorteilhaft in Kombination mit einem Rücksei tenfeld, das aus einer höher dotierten p⁺-Schicht resul tiert. Da im Bereich der ohmschen Kontaktfläche eine sehr hohe Rekombinationsrate vorliegt, sollte deren Flächenanteil so gering wie möglich sein, ohne daß Kontaktübergangswider standsverluste auftreten.

Theoretische Berechnungen (z. B. Saitoh et al., Techn. Di gest Int. Photovoltaic Science and Engineering Conf., Tokyo, S. 83 (1987)) zur Festlegung des Designs der dotierten Zonen haben folgende Merkregeln für eine optimale Auslegung erge ben: Für Bereiche mit hoher Oberflächenrekombinationsrate (z. B. ohmsche Kontaktflächen) sollte die Oberflächenkonzen tration der Dotierung hoch (z. B. < 10²⁰ cm^-3 bei n-typ- Emitter) und die dotierte Zone flach (z. B. < 0,3 µm) sein. Für Bereiche mit niedriger Oberflächenrekombinationsrate (z. B. Bereiche mit Oberflächenpassivierung) sollte die Oberflächenkonzentration der Dotierung niedrig (zum Beispiel 5-10×18¹⁸ cm^-3) und die dotierte Zone tief (zum Beispiel 1-2 µm) sein.

Bisherige Hochleistungssolarzellen aus Silizium ähneln meist der in Fig. 1 gezeigten Struktur (J. Zhao etr al., Proceed. 22nd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Las Vegas, 7-11. October 1991), oft in vereinfachter Form. Dabei wird die stärker dotierte n⁺⁺- bzw. p⁺⁺-Schicht zunächst durch photolithographisch definierte Öffnungen in einem Maskie rungsoxid durch Eindiffusion eines Dotierstoffes herge stellt. Nach Entfernen des Maskierungsoxides auf der ent sprechenden Zellenseite erfolgt eine ganzflächige Diffusion zur Herstellung der niedrig dotierten n⁺- bzw. p⁺-Schicht bereiche. Weitere Prozeßschritte sind das Entfernen der nach der Diffusion zurückbleibenden dotierten Glasschichten auf den Oberflächen, das Aufwachsen des Passivierungsoxides, sowie die photolithographische Definition der Öffnungen im Passivierungsoxid für die Herstellung des ohmschen Kontaktes zwischen den höher dotierten n⁺⁺- bzw. p⁺⁺-Schichten und den danach meist in Vakuum-Aufdampftechnik aufgebrachten Metall kontakten. Zum Schluß wird meist noch eine doppellagige An tireflexbeschichtung (AR-Schicht) aufgebracht.

Dieser Herstellungsprozeß ist sehr aufwendig und daher wenig kostengünstig. Wegen der Toleranzen bei den Photolithogra phieschritten müssen außerdem die höher dotierten Schicht flächen deutlich größer hergestellt werden als die im ohm schen Kontakt zum Silizium stehenden metallischen Kontakt flächen, was zu nicht optimalen Ergebnissen führt.

Eine andere leichter zu realisierende Struktur zeigt Fig. 2. Hier wird zunächst (beim gezeigten Beispiel nur auf der Vor derseite) die niedriger dotierte Schicht hergestellt und darauf das gleichermaßen als Passivierung-, Maskierungs- und Antireflexschicht wirkende Oxid aufgebracht. Durch dieses werden dann mittels eins Nd-Yag-Laserstrahls oder mechani scher Verfahren Gräben im Silizium hergestellt. Die dabei entstehenden Störungen des Kristallgefüges im Grabenbereich erfordern einen anschließenden naßchemischen Ätzschritt zur Abtragung der gestörten Zone.

Danach erfolgt die Herstellung der höher dotierten n⁺⁺- bzw. p⁺⁺-Bereiche. Nach Reduzierung der Oxiddicke auf die für eine optimale Antireflexwirkung benötigte Dicke von λ/4 · n (λ = Wellenlänge des Lichtes im Reflexionsminimum, n = Bre chungsindex) werden die Metallkontakte durch stromloses Ab scheiden von Ni/Cu-Schichten in den Gräben hergestellt.

Dieser zunächst einfach erscheinende Herstellungsprozeß hat jedoch auch mehrere Nachteile: Die Reduzierung der Oxiddicke auf λ/4 · n ist aufwendig und schwer kontrollierbar. Außer dem ergibt das Siliziumoxid wegen seines nicht optimalen Brechungsindex (1,4 statt 2,3) nicht die optimale optische Anpassung für die im Modul eingebettete Zelle. Außerdem er fordern die galvanischen Kontaktherstellprozesse aufwendige Maßnahmen zur Reduzierung von Umweltbelastungen. Die Gräben reduzieren außerdem die Stabilität der Solarzelle, insbeson dere bei den zur Materialeinsparung angestrebten dünnen Solarzellen. Die verschiedenen naßchemischen Prozesse, ein schließlich des Grabenätzschrittes, stehen außerdem einer Massenfertigung im kontinuierlichen Durchlaufverfahren ent gegen, wodurch eine Senkung der Herstellkosten nur begrenzt möglich ist.

Letztlich erfüllen alle bisher vorgeschlagenen Strukturen für Hochleistungssolarzellen nicht in vollendeter Weise die zur Erzielung optimaler Wirkungsgrade theoretisch gerech ten Bedingungen und erfordern außerdem zu aufwendige Pro zesse zu ihrer Herstellung bzw. haben andere wie die u. a. zuvor erwähnten Nachteile.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Hoch leistungs-Solarzellenstruktur der eingangs genannten Art zu schaffen, die in vereinfachter Weise gegenüber den bisheri gen Verfahren hergestellt werden kann, die den theoretischen Anforderungen gerecht wird und mit der ein optimaler Wir kungsgrad erzielt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf den zur Bestrahlung vorgesehenen Solarzellenseiten tiefe, an den Oberflächen niedrig dotierte n⁺- bzw. p⁺-Schichten angeord net sind, und daß in diese Schichten im Bereich der ohmschen Kontaktflächen der metallischen Kontakte flache, an der Oberfläche höher dotierte n⁺⁺- bzw. p⁺⁺-Schichten, inte griert sind.

Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die neue Struktur für beiderseitige Bestrahlung vorgesehen sein kann. Ist nur eine einseitige Bestrahlung bei der Anwendung vorge sehen, ist auch eine vereinfachte Variante denkbar. So könn te nur auf der zur Bestrahlung vorgesehenen Seite die neue Struktur ausgeführt und auf der anderen Seite eine der be kannten einfacheren Strukturmerkmale (z. B. nur eine homogen dotierte Zone) verwendet werden.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer oben beschriebenen Hochleistungs-Solarzellenstruktur weist fol gende Verfahrensschritte auf:

a) auf den Stirnflächen eines Siliziumsubstrates wird eine niedrig dotierte tiefe n⁺-Schicht bzw. eine niedrig do tierte tiefe p⁺-Schicht (mit niedriger Oberflächenkonzen tration) ganzflächig hergestellt,
b) auf den niedrigdotierten, tiefen Schichten wird jeweils eine Passivierungsoxidschicht erzeugt,
c) auf die Passivierungsoxidschichten werden Absorptions schichten aus Siliziumnitrid, Titanoxid oder Tantaloxid aufgebracht,
d) im Bereich der vorgesehenen ohmschen Kontaktflächen bzw. der metallischen Kontakte werden in den Absorptions schichten und den Passivierungsschichten Diffusions fenster durch Bestrahlung mit Laserlicht geöffnet,
e) in den Fensteröffnungen werden die höher dotierten flachen n⁺⁺- bzw. p⁺⁺-Schichten (mit hoher Oberflächen konzentration) durch Eindiffusion von Dotierstoffen her gestellt, und
f) auf die Absorptionsschichten werden die metallischen Kon takte, die die Fensteröffnungen in den Absorptionsschich ten und den Passivierungsoxidschichten ausfüllen, aufge bracht.

Eine erfindungsgemäße Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß nach dem Aufbringen der Absorptions- Schichten aus Siliziumnitrid, Titanoxid oder Tantaloxid auf diese Schichten jeweils eine Siliziumoxidschicht in ei ner für Diffusionsmasken benötigten Dicke aufgebracht wird, und daß diese Maskierungsoxidschichten bei der Bestrahlung mit Laserlicht in den Bereichen der Fensteröffnungen abge tragen werden und bei der Herstellung der höher dotierten Schichten die Absorptionsschichten während des Diffusions vorganges schützen.

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 4 bis 12 beschrieben.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfin dung dargestellt, und zwar zeigen die Fig. 3 und 4, die sich an die den Stand der Technik wiedergebenden und ein gangs beschriebenen Fig. 1 und 2 anschließen, jeweils eine schematische Darstellung einer Hochleistungs-Solarzel lenstruktur im Querschnitt.

Diese Hochleistungs-Solarzellenstrukturen bestehen aus einem Siliziumsubstrat 1, auf dessen Stirnflächen eine niedrig do tierte tiefe n⁺-Schicht (2) bzw. eine niedrig dotierte p⁺- Schicht (7), jeweils eine Passivierungsoxidschicht (4) bzw. (9), jeweils eine Absorptionsschicht (5, 10), die als Anti reflexschicht ausgebildet sein kann, und elektrische Kontak te (6) bzw. (11) hergestellt sind. Die in Fig. 4 dargestell te Struktur weist zusätzlich noch jeweils die, die Absorp tionsschichten (AR-Schichten) (5) bzw. (10) bedeckenden Si liziumoxidschichten (Maskierungsoxidschichten) (12) bzw. (13) auf, deren Bedeutung und Herstellung untenstehend be schrieben wird.

Beide gezeigten Strukturen, die jeweils für eine beidersei tige Bestrahlung vorgesehen sind, weisen im Bereich der ohm schen Kontaktflächen 3/6 bzw. 8/11 an der Oberfläche höher dotierte flache n⁺⁺- bzw. p⁺⁺-Schichten auf, die in die an der Oberfläche niedrig dotierten n⁺- bzw. p⁺-Schichten (2) bzw. (7) integriert sind und die mit den elektrischen Kon takten (6) bzw. (11) in elektrisch leitender Verbindung stehen.

Das Verfahren zur Realisierung der in Fig. 3 und 4 gezeig ten Strukturen beginnt mit der ganzflächigen Herstellung der niedrig dotierten tiefen Schichten (2) und (7) mittels der üblichen Verfahren, beispielsweise Diffusionsverfahren. Als nächstes erfolgt die Herstellung der Passivierungsoxid schichten (4) und (9) (etwa durch thermische Oxidation).

Zur Herstellung der höher dotierten Schichten (3) und (8) mittels Diffusion von Dotieratomen wird eine Diffusions maske benötigt, für die üblicherweise eine hinreichend dicke (<100mm) Siliziumoxidschicht verwendet wird. Für die Öffnung des Diffusionsfensters in diesem Oxid bietet sich als flexi belste und kostengünstigste Methode der Einsatz eines Laser strahles an, der jedoch nicht zu einer Schädigung der darun ter liegenden Siliziumschichten führen darf. Daher scheidet die Verwendung der bisher eingesetzten (langwelligen) Nd- YAG-Laser aus. Auch die Verwendung eines kurzwelligen Excimer-Lasers stellt zunächst keine Lösung dar. Da die Ab sorption z. B. für Laserlicht der Wellenlänge λ = 240 nm im Siliziumoxid so gering ist, würde die darunterliegende Siliziumschicht durch eindringendes Laserlicht geschädigt werden.

Um derartige Schäden zu vermeiden, erfolgt zunächst auf den Passivierungsoxidschichten (4) und (9) die Herstellung der Absorptionsschichten (5) und (10). Dafür können z. B. einige 100 Å dicke Schichten aus Siliziumnitrid, Titanoxid oder Tantaloxid verwendet werden. Diese absorbieren Laserlicht mit λ = 240 nm bereits bei derart geringen Einstrahlener gien, die zur Schädigung von Silizium nicht ausreichend sind. Da diese Schichten auch als Antireflexbeschichtungen üblich sind, wurde die Dicke von λ/4 · n getestet. Versu che zeigten, daß die Absorptionsschichten dieser Dicke sehr gut die Bedingung erfüllen, einen Abtrag ohne Schädigung darunterliegender Siliziumschichten durchzuführen. Zwar könnte z. B. Siliziumnitrid auch als Diffusionsmaske Verwen dung finden, jedoch würden durch die Diffusion seine opti schen Eigenschaften so stark beeinträchtigt, daß es den An sprüchen an eine gute Antireflexschicht nicht mehr genügt.

Daher wird über die, als AR-Schicht ausgelegten Absorptions schichten (5) und (10), eine Siliziumoxidschicht (12) bzw. (13) mittels üblicher Verfahren (z. B. CVD-Abscheidung) in der für Diffusionsmasken benötigten Dicke aufgebracht, die gleichzeitig die darunterliegende Absorptionsschicht während der Diffusion schützt. Als weiterer Verfahrensschritt er folgt dann die Öffnung der Diffusionsfenster durch Bestrah lung mit Laserlicht, das durch die Maskierungsoxidschicht in die Absorptionsschicht eindringt und darin absorbiert wird, wodurch das Schichtmaterial abdampft und dabei die Maskie rungsoxidschicht mit abgehoben wird. Durch die so erzeugten Fensteröffnungen wird direkt anschließend die Herstellung der an der Oberfläche höher dotierten Schichten (3) und (8) bevorzugt mittels üblicher Diffusionsverfahren durchgeführt, denn die für gute optische und passivierende Eigenschaften erforderlichen Passivierungsoxide mit Dicken von 100-300 Å stellen keine Beeinträchtigung für die Diffusion dar. Die Maskierungsoxidschichten (12, 13) können entweder ganz oder zumindest teilweise auf den Oberflächen verbleiben, da sie sich bei der eingebetteten Zelle optisch neutral verhalten (siehe Fig. 4), oder auch z. B. mittels üblicher Ätzverfah ren in Flußsäuremischungen abgetragen werden (siehe Fig. 3), falls nach der Herstellung der Kontakte (6, 11) eine zweite AR-Beschichtung zur Erzielung einer doppellagigen AR-Schicht aufgebracht werden soll. Da insbesondere die bei den hohen Diffusionstemperaturen getemperten Siliziumnitridschichten in schwachen Flußsäurelösungen unlöslich sind, ist in diesem Fall das vollständige Abtragen des Maskierungsoxids problem los möglich. Die anschließende Kontaktherstellung kann mit allen üblichen Verfahren erfolgen, z. B. ist die preiswerte Siebdrucktechnik hierfür einsetzbar.

Abwandlungen der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Struktur, wie zum Beispiel mit punkt- oder linienförmigen an der Oberflä che hochdotierten Bereichen (3) bzw. (8), und den zugehöri gen gleichgroßen Fensteröffnungen in Kombination mit finger förmigen oder ganzflächigen Kontaktschichten, sind ebenfalls möglich unter Beibehaltung der prinzipiellen neuen Struktur merkmale und des Verfahrens zu ihrer Herstellung.

Der oben beschriebene, ein wesentliches Merkmal der Erfin dung dargestellten Verfahrensschritt zum Öffnen von Fenstern in Maskierungsschichten ohne Schädigung darunterliegender Siliziumschichten könnte vorteilhafterweise auch bei der Herstellung anderer elektronischer Bauelemente eingesetzt werden.

Claims

1. Hochleistungs-Solarzellenstruktur, die insbesondere für eine einseitige oder zweiseitige Bestrahlung vorgesehen ist, vorzugsweise kristalline Siliziumsolarzelle mit np- Struktur auf der Basis von p-typ-Siliziumsubstraten und n-typ-Emitter an der der Sonne zugewandten Vorderseite, dadurch gekennzeichnet, daß auf den zur Bestrahlung vor gesehenen Solarzellenseiten tiefe, an den Oberflächen niedrig dotierte n⁺- bzw. p⁺-Schichten (2 bzw. 7) ange ordnet sind, und daß in diese Schichten (2 bzw. 7) im Bereich der ohmschen Kontaktflächen (3/6 bzw. 8/11) der metallischen Kontakte (6 bzw. 11) flache, an der Ober fläche höher dotierte n⁺⁺- bzw. p⁺⁺-Schichten (3 bzw. 8) integriert sind.

2. Verfahren zur Herstellung einer Hochleistungs-Solarzel lenstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) auf den Stirnflächen des Siliziumsubstrates (1) wird eine niedrig dotierte tiefe n⁺-Schicht (2) bzw. eine niedrig dotierte tiefe p⁺-Schicht (7) (mit niedriger Oberflächenkonzentration) ganzflächig hergestellt,
b) auf den niedrig dotierten tiefen Schichten (2, 7) wird jeweils eine Passivierungsoxidschicht (4, 9) erzeugt,
c) auf die Passivierungsoxidschichten (4, 9) werden Ab sorptionsschichten (5, 10 ) aus Siliziumnitrid, Titan oxid oder Tantaloxid aufgebracht,
d) im Bereich der vorgesehenen ohmschen Kontaktflächen (3/6 bzw. 8/1) der metallischen Kontakte (6 bzw. 11) werden in den Absorptionsschichten (5, 10) und den Passivierungsschichten (4, 9) Diffusionsfenster durch Bestrahlung mit Laserlicht geöffnet,
e) in den Fensteröffnungen werden die höher dotierten flachen n⁺⁺- bzw. p⁺⁺-Schichten (3, 8) (mit hoher Oberflächenkonzentration) durch Eindiffusion von Dotierstoffen hergestellt, und
f) auf die Absorptionsschichten (5, 10) werden die metal lischen Kontakte (6, 11), die die Fensteröffnungen in den Absorptionsschichten (5, 10) und Passivierungs oxidschichten (4, 9) ausfüllen, aufgebracht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen der Absorptionsschichten (5, 10) aus Siliziumnitrid, Titanoxid oder Tantaloxid auf diese Schichten (5, 10) jeweils eine als Maskierungsoxidschicht dienende Siliziumoxidschicht (12 bzw. 13) in einer für Diffusionsmasken benötigten Dicke aufgebracht wird, und daß diese Maskierungsoxidschichten (12, 13) bei der Be strahlung mit Laserlicht in den Bereichen der Fensteröff nungen abgetragen werden und bei der Herstellung der hö her dotierten Schichten (3, 8) die Absorptionsschichten (5, 10) während des Diffusionsvorganges schützen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Ver wendung eines CVD-Abscheidungsverfahrens zur Herstellung der Siliziumoxidschichten (12, 13).

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die tiefen dotierten n⁺- bzw. p⁺-Schichten (2, 7) durch ein Diffusionsverfahren auf den Stirnseiten des Si liziumsubstrates (1) hergestellt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 5, gekennzeichnet durch ein Aufwachsen der Passivierungsoxidschichten (4, 9) durch thermische Oxidation auf die tiefen dotierten Schichten (2, 7).

7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsschichten (5, 10) als Antireflexbe schichtungen dienen und mit einer Dicke von λ/4 · n aufgebracht werden, wobei λ die Wellenlänge und n den Brechungsindex des Materials der Absorptionsschichten be zeichnen.

8. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 7, dadurch gekennzeich net, daß auf die Absorptionsschichten (5, 10) und die Kontakte (6, 11) eine Antireflex-Schicht aufgebracht wird, wobei die gegebenenfalls auf den Absorptionsschich ten (5, 10) vorhandenen Maskierungsoxidschichten (12, 13) vorher entfernt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein Ätz verfahren in Flußsäuremischungen zum Abtragen der Maskie rungsoxidschichten (12, 13).

10. Verfahren nach Anspruch 2, 3, 7 oder 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Antireflexbeschichtungen (5, 10) durch Aufdampfen, Aufschleudern, Aufsprühen, durch thermische Verfahren oder durch einen CVD-Prozeß hergestellt wer den.

11. Verfahren nach Anspruch 2 oder 8, dadurch gekennzeich net, daß die Herstellung der metallischen Kontakte (6, 11) durch Siebdrucktechnik erfolgt.