DE69631815T2

DE69631815T2 - Struktur und Herstellungsverfahren einer Solarzelle mit selbstausgerichtetem Rückseitenkontakt aus einer Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE69631815T2
Application number: DE69631815T
Authority: DE
Inventors: Daniel L. Pittsburgh Meier
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1995-11-22
Filing date: 1996-07-17
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2016-07-18
Also published as: CA2181281C; EP0776051B1; MX9603156A; CN1155106C; BR9605346A; TW318286B; DE69631815D1; KR970030942A; CN1158011A; US5641362A; AU7063096A; EP0776051A3; AU717476B2; ES2216041T3; EP0776051A2; JPH09172196A; CA2181281A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten Entwurf und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Rückseitenkontakt-Solarzelle.
Der Fortschritt bei der Entwicklung photovoltaischer Zellen hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, von denen neue Entwürfe, neue Materialien und neue Herstellungstechniken wichtig sind. In der Vergangenheit wurden mit Recht große Anstrengungen. auf den Versuch gerichtet, den Umwandlungswirkungsgrad der Solarzelle zu erhöhen. Der Fortschritt war dramatisch. Für eine AM1-Beleuchtung (Sonnenlicht durch eine Dicke der Erdatmosphäre) hatte eine Selen-Solarzelle 1914 einen Wirkungsgrad von 1 %, 1954 wurde ein Wirkungsgrad von 6 % für eine Silicium-Einkristallzelle erreicht, während in der Mitte der 80er Jahre über Wirkungsgrade zwischen 22 und 25 % in Solarzellen berichtet wurde. Bei Konzentratorzellen, bei denen Linsen oder Spiegel verwendet werden, um das Sonnenlicht auf erheblich höhere Werte als die normale Intensität zu verstärken, wurde über Wirkungsgrade von 27,5 % berichtet, was sich günstig mit dem thermischen Wirkungsgrad von 38 – 40 % bei einem typischen Kraftwerk mit fossilen Brennstoffen und dem Wirkungsgrad von 32 – 34 % eines Leichtwasser-Kernkraftwerks vergleichen läßt.
Um eine Solarzelle für umfangreiche Anwendungen, wie das Bereitstellen elektrischer Energie für Privatwohnungen und -häuser, wirtschaftlich zu machen, sind jedoch außer einem hohen Wirkungsgrad andere Erwägungen wichtig. Ein Faktor besteht in den Herstellungskosten einer Zelle. Während die meisten freistehenden Häuser genügend Dachfläche für Solarzellen herkömmlicher Konstruktion haben, um jährlich 8500 kWh an elektrischer Energie zu liefern, was für das durchschnittliche Heim ausreicht; besteht ein Engpaß für die Kommerzialisierung nicht im Wirkungsgrad, sondern im Verringern der Kosten je Flächeneinheit einer Solarzelle. Ein vielversprechender Kandidat für diese Aufgabe sind Silicium-Solarzellen, insbesondere jene Zellen, die aus dünnen (≈ 100 μm aufweisenden) Siliciumsubstraten hergestellt sind, wobei qualitativ hochwertiges Silicium wirksam verwendet wird. Die Herausforderung besteht gegenwärtig darin, die Einheitskosten für diese Solarzellen so weit zu verringern, daß sie mit traditionellen Energieversorgungen mit fossilen Brennstoffen bei gegenwärtigen Energiepreisen konkurrieren können. Ein Weg hierfür besteht in verbesserten Herstellungs-techniken.
Zusätzlich zu den Herstellungstechniken bieten bestimmte Entwurfsstrukturen Vorteile gegenüber anderen Entwürfen. Ein solcher überlegener Entwurf scheint in Rückseitenkontakt-Solarzellen, insbesondere solchen, bei denen dünne Siliciumsubstrate verwendet werden, zu bestehen.
Silicium-Solarzellen mit einem Homoübergang haben einen pn-Übergang zum Trennen lichterzeugter Elektronen von lichterzeugten Löchern. Damit die Solarzelle richtig funktioniert, müssen Elektronen auf den Kontakt für das n-leitende Material gerichtet werden und Löcher auf den Kontakt für das p-leitende Material gerichtet werden. Die Lichtintensität in einem Halbleiter nimmt in Tiefenrichtung monoton ab, so daß sich der pn-Übergang vorzugsweise in der Nähe der beleuchteten Fläche befindet, um die Rekombination von Löchern und Elektronen zu reduzieren, bevor sie durch den pn-Übergang getrennt werden. Wenngleich bei dünnen Silicium-Solarzellen die Dicke einer Zelle kleiner ist als bei herkömmlichen Silicium-Solarzellen (≈ 300 μm) und die Wahrscheinlichkeit, daß ein Photon in ein Elektronen-Loch-Paar oder in ein Ladungsträger-Ladungsträger-Paar umgewandelt wird, kleiner ist, kann die durchschnittliche Lebensdauer eines lichterzeugten Elektronen-Loch-Paars derart sein, daß das lichterzeugte Elektron-Loch-Paar bestehenbleibt, bis es zu den jeweiligen Kontakten überführt wird. Das heißt, daß bei einer dünnen Silicium-Solarzelle die Minoritätsträger-Diffusionslänge, verglichen mit der Dicke der Zelle, verhältnismäßig groß sein kann, so daß die Funktionsweise der Zelle nicht übermäßig beeinträchtigt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung gleicht die Minoritätsträger-Diffusionslänge der Dicke der Zelle oder ist größer als diese.
Weiterhin haben herkömmliche (Frontkontakt-) Silicium-Solarzellen eine Struktur, bei der ein großer pn-Übergang über das ganze Substrat auf der beleuchteten Seite der Zelle ausgebildet ist. Dieser herkömmliche Entwurf hat in der Hinsicht den Vorteil der Einfachheit, daß für den Emitter (typischerweise die p-leitende Schicht in einer Zelle mit pn-Übergang) keine Strukturierung erforderlich ist, weil er die ganze Frontfläche bedeckt. Für die Frontfläche und die Emitterschicht gelten bei diesem Anordnungstyp jedoch gleichzeitige und einander widersprechende Anforderungen. Einerseits sollte die Emitterdiffusion flach sein und eine niedrige Dotierungskonzentration (< 1 × 10¹⁹ cm ³) aufweisen, um die Rekombination zu verringern, die bei höheren Dotierungskonzentrationen auftritt. Weil andererseits ein solcher flacher, leichtdotierter Emitter einen hohen Schichtwiderstand aufweist (der Strom fließt seitlich durch die obere Schicht einer herkömmlichen Zelle, und zwischen allen Kontaktgitterleitungen ist der Schichtwiderstand umgekehrt proportional zur Dicke der dotierten Schicht), welcher im allgemeinen größer als 100 Ohm/Quadratzentimeter ist, ist es erforderlich, daß die Gitterkontaktleitungen enger beabstandet sind, um übermäßige ohmsche Leistungsverluste zu verhindern.
Dicht beabstandete Kontaktleitungen in einer herkömmlichen Frontkontaktzelle bedeuten eine verringerte Leistung der Zelle infolge des Abschattens des zugrundeliegenden Siliciums durch das Kontaktmaterial. Falls zusätzlich die Dotierungskonzentration niedrig ist, ist die Kontakt- Dotierstoff-Grenzschicht gleichrichtend (in der Art einer Schottky-Diode) und nicht ohmsch, wobei mit der Einschaltspannung der Diode ein entsprechender Leistungsverlust einhergeht. Je höher jedoch die Dotierungskonzentration ist, desto größer ist die Rekombination von Elektronen und Löchern in der Emitterschicht, was schädlich ist, und sie tritt typischerweise am stärksten in der Nähe der Oberfläche auf, wo ankommendes Licht einstrahlt. Schließlich bedeutet das Texturieren der Frontfläche zur Erhöhung des Lichteinfangs, daß die Kontaktleitungen über eine raube Oberfläche laufen müssen, ohne daß der Durchgang verlorengeht, was schwierig zu erreichen sein kann. Zusätzlich manchen manche Texturierungsverfahren, wie das poröses Silicium verwendende Verfahren, das Erzeugen einer Emitter-Diffusionsschicht mit einer annehmbaren Gleichmäßigkeit schwieriger.
Aus diesem und anderen Gründen muß bei einer herkömmlichen Zellenstruktur zwischen dem Wunsch nach einer stark dotierten Oberfläche und dem Fördern der Bildung ohmschen Kontakts und einem reduzierten Abschatten und dem Wunsch nach einer leicht dotierten Oberfläche für eine reduzierte Trägerrekombination und eine wirksame Oberflächenpassivierung ein Ausgleich gefunden werden. Randbedingungen hinsichtlich der Texturierung und des Abschattens sind auch ein Problem. Ein alternativer Ansatz besteht darin, den pn-Übergang auf der Rückseite (der nicht beleuchteten Seite) der Zelle anzuordnen. Bei einer solchen Rückseitenkontakt-Solarzelle sind die Anforderungen zum Texturieren und Passivieren der Frontfläche von den Anforderungen zur Bildung des pn-Übergangs und zum Kontaktieren des Emitters und der Basis getrennt. Dies bedeutet, daß der pn-Übergang tief sein kann und daß der Emitter ohne große Folgen stark dotiert werden kann. Das Abschatten der beleuchteten Oberfläche ist kein Problem mehr, weil es auf der Frontfläche keine Kontakte gibt, und auch der Abstand der Metallkontaktleitungen ist kein Problem. Weil bei diesem Zelltyp im allgemeinen ineinandergreifende Kontakte verwendet werden, ist nahezu die Hälfte der Rückfläche mit Positivkontaktmetall bedeckt und die andere Hälfte mit Negativkontaktmetall bedeckt. Weil der pn-Übergang auf der Rückseite der Zelle liegt, muß die Minoritätsträger-Diffusionslänge in dem Ausgangsmaterial (der Basis) jedoch die Zelldicke übersteigen, um einen zufriedenstellenden Energieumwandlungs-Wirkungsgrad zu erhalten. Die besten Ergebnisse für diesen Ansatz wurden von einer Arbeitsgruppe an der Stanford University erhalten, welche über Wirkungsgrade von 21,3 % bei einer Sonnenbestrahlung (100 mW/cm² ) auf einer Fließzonen-Rückseitenkontakt-Siliciumzelle mit einer Dicke von 180 μm und einer Fläche von 35 cm² und von 22 % für eine AM1-Sonnenbeleuchtung bei 24 °C berichtet hat. (R.A. Sinton u.a., "Large-Area 21% Efficient Si Solar Cells", Konferenzaufzeichnungen der 23. IEEE Photovoltaic Specialists Conference, S. 157 (1993), R.A. Sinton u.a., IEEE Electron Device Lett., EDL-7, Nr. 7, S. 567 (1986), auf die beide hiermit verwiesen sei).
Eine Rückseitenkontakt-Si-Solarzelle in der Art des Entwurfs von Sinton u.a. erfordert eine verhältnismäßig komplizierte und kostspielige Herstellung, die im allgemeinen mit der Herstellung integrierter Schaltungen verbunden ist. Diese Prozesse umfassen getrennte p- und n-Diffusionen (die jeweils eine Maskierung benötigen), die Ausrichtung des Negativkontaktmetalls in Bezug auf das Positivkontaktmetall unter Verwendung von Photolithographie und das Aufbringen eines Mehrschicht-Kontaktmetallsystems durch Bedampfen oder Sputtern, wofür ein Vakuumsystem erforderlich ist. Wenngleich eine Rückseiten-Kontaktstruktur demgemäß erhebliche Vorteile gegenüber einer herkömmlichen Frontseiten-Kontaktstruktur hat, kann ihre Implementation kostspielig sein.
Verlinden u.a. und Sinton u.a. haben über eine Rückseitenkontakt-Zelle mit großen diffundierten Bereichen auf der Rückseite der Zelle zum Sammeln der erzeugten Ladungsträger berichtet, und zwar in Verlinden, P.J. u.a., "High Efficiency Silicon Point-Contact Solar Cells for Concentrator and High Value One-Sun Applications", Proc. of the 12th European Solar Energy Conf. (Amsterdam, Holland) (1994), und in Sinton R.A. u.a., "Improvements in Silicon Backside-Contact Solar Cells for High-Value One-Sun Applications", Proc. of the 13th European Photovoltaic Solar Energy Conf. (Nizza, Frankreich) (1995). Die n- und die p-Dotierungsdiffusionen und die Gitter befinden sich auf der Rückseite des Wafers. Die in diesen Veröffentlichungen offenbarte Zelle ist 160 μm dick und auf einem Substrat eines n-leitenden Fließzonen-Siliciumwafers mit einem hohen spezifischen Widerstand hergestellt. Die pn-Übergänge sind durch dicht miteinander verzahnte Rückseiten-Aluminiumfinger gebildet, die photolithographisch in die Rückseite der Zelle eingebracht sind. Die Gesamtanzahl der Photolithographiemasken beträgt 5. Die Aluminiumfinger werden durch einen strukturierten Polyimid-Isolierfilm bedeckt. Zwei größere Sammelleiter aus Kupfer werden dann zum Löten und zum Herstellen von Verbindungen auf den Oberteil des Polyimidfilms aufgebracht. Die Frontseite der Zelle wird texturiert und mit einer Einzelschicht einer Antireflexionsbeschichtung beschichtet und mit einer leichten (n+)-Dotierungsdiffusion passiviert.
In US-A-4 315 097 ist eine photovoltaische Zelle offenbart, die ein p-leitendes Substrat mit einer nicht abgeschatteten. Fläche, die dafür ausgelegt ist, einfallende Strahlung zu empfangen, und einer zweiten Fläche, die ohmsche Kontakte und Metall-Isolator-Halbleiter-(MIS)-Kontakte enthält, aufweist. Die Rückseite der Zelle enthält Elektroden und Dünnfilme, die zum Ziehen und zum Sammeln der nützlichen elektrischen Energie von der Vorrichtung verwendet werden. Die Elektroden weisen abwechselnde ohmsche Metallkontakte und Minoritätsträger-MIS-Kontakte auf. Die für diese Verwendung eingesetzten Metallisierungsfilme dienen auch als Reflektoren auf der Rückseite der photovoltaischen Zelle. Die ohmschen Kontakte weisen Metallstreifen, gewöhnlich aus Aluminium, auf, welche direkt auf der Rückseite des Substrats angeordnet sind und auch mit dem Silicium legiert sind. Die Minoritäts träger werden gebildet, indem zuerst eine äußerst dünne Schicht aus Siliciumdioxid direkt auf der Rückseite des Substrats gebildet wird, das die Bereiche zwischen den ohmschen Metallkontakten bedeckt. Metallelektrodenstreifen, die gewöhnlich aus Aluminium bestehen, werden dann auf die Außenfläche der Siliciumdioxidschicht in einem Bereich ausgelegt, der zwischen den ohmschen Metallkontakten liegt und gewöhnlich parallel zu diesen verläuft. Diese Metall-Isolator-Halbleiter-Kontakte bedecken normalerweise eine größere Fläche als die ohmschen Metallkontakte, um die Minoritätsträgersammlung durch diese Elektroden. zu minimieren. Eine Siliciumnitridschicht wird dann auf die restlichen unbedeckten Außenflächen der als eine Antireflexionsbeschichtung dienenden Siliciumdioxidschicht aufgebracht, um die hohe positive Ladung festzuhalten und um das darunterliegende Material zu schützen.
Cheek u.a. offenbaren eine photovoltaische Zelle, die auf der Bildung . einer Aluminium-Silicium-Legierung zur Bildung eines Teils des Sammelübergangs beruht. Cheek, C. u.a., "Aluminum Alloy High Efficiency Solar Cells", Photovoltaic Specialists Conf. (Las Vegas, Nevada) (1985). Diese Vorrichtung wird unter Verwendung einer integralen Siebdrucktechnoligie hergestellt und führt zu Gesamtflächen-Zellenwirkungsgraden von 14,3 %. Das n-leitende einkristalline Siliciumsubstrat wird durch Diffusion von Bor von einer aufgebrachten Oxidschicht stark dotiert, um einen flachen p-leitenden Bereich zu bilden. Eine Tinte auf Aluminiumbasis wird als nächstes auf die Frontfläche gedruckt, um ein Sammelgitter zu bilden. Das Einbrennen der Aluminiumgitterfinger führt zum Wiederablagern einer stark aluminiumdotierten Siliciumschicht unter den Kontaktgitterfingern.
Die vorliegende Erfindung reduziert die Kosten zur Herstellung von Silicium-Solarzellen, während ein verhältnismäßig hoher Umwandlungswirkungsgrad der Solarzellen aufrechterhalten wird, durch Bereitstellen eines Verfahrens zum Herstellen einer Rückseitenkontakt-Silicium-Solarzelle mit den folgenden Schritten:

(a) Bereitstellen einer massiven Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, die eine Frontfläche vollständig aus dem ersten Leitfähigkeitstyp und eine Rückfläche aufweist,
(b) Ausbilden mehrerer dotierter Halbleiterbereiche entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in der massiven Schicht nahe der Rückfläche,
(c) Ausbilden eines ersten Satzes ohmscher Kontakte für die dotierten Bereiche auf der Rückfläche unter Verwendung eines Ohmkontakt-Metallmaterials,
(d) elektrisches Isolieren des ersten Satzes ohmscher Kontakte von den dazwischen liegenden Zwischenräumen, und
(e) Ausbilden eines zweiten Satzes ohmscher Kontakte auf der Rückfläche in den genannten Zwischenräumen unter Verwendung eines Ohmkontakt-Metallmaterials, wobei der zweite Satz ohmscher Kontakte von dem ersten Satz ohmscher Kontakte elektrisch isoliert ist,

Gemäß einem zweiten Aspekt sieht die Erfindung eine Rückseitenkontakt-Solarzelle vor, welche aufweist:

eine massive Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Frontfläche und einer Rückfläche, wobei die Frontfläche vollständig aus einem ersten Leitfähigkeitstyp besteht,
mehrere mit Abstand angeordnete dotierte Halbleiterbereiche entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die in der massiven Schicht nahe der Rückfläche ausgebildet sind und damit mehrere Halbleitergrenzschichten bilden,
einen ersten Satz mit Abstand angeordneter ohmscher Kontakte, die mit den mit Abstand angeordneten dotierten Halbleiterbereichen verbunden sind und entlang der Rückfläche angeordnet sind,
einen zweiten Satz ohmscher Kontakte, die in den Zwischenräumen innerhalb des ersten Satzes ohmscher Kontakte direkt mit der Rückfläche der massiven Schicht verbunden sind, und
eine isolierende Schicht zum elektrischen Isolieren des ersten Satzes mit Abstand angeordneter ohmscher Kontakte von dem zweiten Satz ohmscher Kontakte,
wobei der erste Satz mit Abstand angeordneter ohmscher Kontakte eine Legierung aus dem Halbleitermaterial der massiven Schicht und einem Gruppe-III-Metall einschließlich der Akzeptordotierung für die mit Abstand angeordneten dotierten Halbleiterbereiche enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß: die isolierende Schicht ein Oxid enthält, das den ersten Satz mit Abstand angeordneter ohmscher Kontakte bedeckt.

Bei dem neuartigen Herstellungsverfahren für die Rückseitenkontakt-Gitterleitungen wird ein verhältnismäßig kostengünstiges selbstausrichtendes Siebdruck-Kontaktsystem verwendet. Ein neuartiges Merkmal dieses Kontaktsystems besteht darin, daß es selbstausrichtend ist, indem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Eloxieren auf einen Satz der Kontakte angewendet wird, um sie zu isolieren, und selektiv Abschnitte der Oxidationsschicht zwischen diesen Kontakten entfernt werden, um das Substrat freizulegen und den anderen Kontaktsatz zu empfangen, wodurch ein genaues Ausrichten aufeinanderfolgender Maskensätze zum Erreichen des Gitterleitungsmusters überflüssig gemacht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere andere vorteilhafte Merkmale in die Silicium-Rückseitenkontakt-Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung aufgenommen, welche folgende einschließen: eine Oberflächentexturierung (sowohl während des Kristallwachstums als auch chemisch gebildet), Front- und Rückflächen-Feld-Minoritätsträger-Spiegel, eine Passivierung von Oberflächen unter Verwendung von Siliciumdioxidschichten, die Verwendung von Antireflexionsbeschichtungen, die Verwendung der ohmschen Kontakte als Rückflächen-Lichtreflektor, ein natürlicher Schutz gegen eine Beschädigung durch einen Vorspannungszustand in Sperrichtung infolge stark dotierter angrenzender (n⁺)- und (p⁺)-Bereiche und verbesserte Negativ- und Positivkontakt-Sammelleiter, welche einen Entwurf nach der "Oberflächenmontagetechnologie" ermöglichen, wenn Zellen in Reihe kontaktiert werden.
Die Erfindung wird nun eingehend nur als Beispiel mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben, worin:
1 einen Querschnitt eines dendritischen Netzsiliciumkörpers gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
2 den Querschnitt des Netzes an der Aluminiumaufbringungsstufe für den positiven Kontakt zeigt,
3 den Querschnitt des Netzes bei der Wärmebehandlungsstufe zeigt,
4A den Querschnitt des Netzes während der Isolation der ersten Metallstufe zur Bildung von Aluminiumoxid zeigt,
4B eine Nahansicht des Rückflächenabschnitts des Netzes aus 4A zeigt,
5A den Querschnitt des Netzes während des Entfernens von Siliciumoxid von der Rückfläche zeigt,
5B eine Nahansicht der Rückfläche des Netzes aus 5A zeigt,
6A den Querschnitt des Netzes während des Aufbringens von Metall für den negativen Kontakt zeigt,
6B eine Nahansicht der Rückfläche aus 6A zeigt,
7 eine Ansicht der fertigen Zelle von unten und von der Rückseite ist,
8 eine Draufsicht der Rückfläche eines Substrats mit 8 Zellen ist,
9 eine vergrößerte Ansicht der Rückfläche von einer der Zellen auf dem Substrat aus 8 ist,
10 eine Schnittansicht entlang Linien 10 – 10 aus 9 ist,
11 eine vergrößerte Detailansicht ist, in der ein Abschnitt eines Paars positiver Elektroden und des Bereichs dazwischen dargestellt ist, und
12 eine vergrößerte Detailansicht ist, in der ein Eckabschnitt des oberen Teils der Zelle aus 9 dargestellt ist.
Anhand der Figuren werden nun eine bevorzugte Herstellungstechnik und ein Entwurf für die vorliegende Erfindung dargelegt.
Wenngleich in den 1 – 7 dendritisches Netzsilicium dargestellt ist, ist zu verstehen, daß die Erfindung dafür vorgesehen ist, auf jede beliebige Siliciumform, ein schließlich Fließzonensilicium, Czochralski-Silicium, magnetischem Czochralski-Silicium, Gußsilicium und Schichtsilicium angewendet zu werden, vorausgesetzt, daß die Minoritätsträger-Diffusionslänge unter den Einsatzbedingungen der Zelle die Zelldicke übersteigt.
Das Ausgangsmaterial für die Rückseitenkontakt-Silicium-(Si)-Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein beliebiges n-leitendes Silicium-Ausgangsmaterial, das als Schicht 10 dargestellt ist. Übliche n-Dotierungsstoffe für Si sind die Atome aus der Gruppe V des Periodensystems, und sie schließen solche Elemente, wie Bi, Sb, P und As ein. Es ist jedoch zu verstehen, daß die offenbarte Zellstruktur auch für p-leitendes oder sogar undotiertes Silicium-Ausgangsmaterial funktionieren würde, weil die Schicht 10 in erster Linie als ein Lichtabsorber funktioniert.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform, die in den Figuren dargestellt ist, ist das Ausgangsmaterial (für die massive Schicht 10 in 1) dendritisches Netzsilicium, das mit Antimon (Sb) n-dotiert ist. Das dendritische Netzsiliciumband wird unter Verwendung eines Prozesses gezüchtet, der demjenigen ähnelt, der zum Erzeugen von Czochralski-(CZ)-Silicium verwendet wird. Durch andere Verfahren gezüchtetes Silicium kann jedoch auch zusätzlich zu dendritischem Netzsilicium verwendet werden, wie Fließzonensilicium, CZ-Silicium, Gußsilicium und Schichtsilicium. Das dendritische Si-Netz wird typischerweise mit einer Dicke von 100 Mikrometer gezogen, wenngleich auch andere Dicken verwendet werden können. Bei dieser Dicke ist die Minoritätsträger-Diffusionslänge gewöhnlich größer als die Dicke der Zelle, und häufig zwei- bis dreimal so dick. Sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Fläche des Sb-dotierten Si-Bands ist eine flache (n⁺)-Oberflächenschicht 20 angeordnet, die in beide Flächen eindiffundiert wird, während sich das Netz noch in dem Ziehofen befindet. Falls die (n⁺)-Oberflächenschichten 20 nicht während des Ziehens des Netzes eingeführt werden, können sie zu Beginn des Prozesses durch ein beliebiges, bewährtes, auf dem Fachgebiet bekanntes Verfahren, einschließlich der gleichzeitigen Frontflächen- und Rückflächendiffusion von einer flüssigen Dotierungsquelle unter Verwendung einer schnellen thermischen Verarbeitung aufgenommen werden. Die (n⁺)-Schichten erzeugen ein "Oberflächenfeld", das Löcher von der Oberfläche forttreibt und die Oberflächenrekombination dort reduziert und in den Oberflächenschichten erzeugte Löcher zum pn-Übergang beschleunigt, und sie erzeugen andere vorteilhafte Wirkungen, die den Kurzschlußstrom und die Leerlaufspannung erhöhen, um den Solar-Umwandlungswirkungsgrad zu vergrößern. Weiterhin fördert die Rückflächen-(n⁺)-Schicht den ohmschen Kontakt mit dem dort vorhandenen Negativkontaktmetall, wie nachstehend beschrieben wird.
Zusätzlich wird eine Oberflächentexturierung sowohl der oberen als auch der unteren Fläche bereitgestellt, um mehr einfallendes Licht einzufangen. Diese in Form eines Sägezahnmusters 30 dargestellte Oberflächentexturierung kann, durch anodisches Ätzen, um eine poröse Si-Schicht zu erzeugen, einwachsen gelassen werden (beispielsweise nach dem Verfahren, das von Y.S. Tsuo u.a., "Potential Applications of Porous Silicon in Photovoltaics", Conf. Record 23rd IEEE Photovoltaic Specialists Conf. (Louisville, KY) (1993) dargelegt wurde), oder sie kann mechanisch durch Sägen oder optisch, beispielsweise durch Laserätzen, eingebracht werden. Wenngleich gemäß der bevorzugten Ausführungsform texturierte und dotierte Oberflächen dargestellt sind, ist ihre Verwendung im allgemeinen Fall optional. Weiterhin ist die Texturierung der unteren Fläche der Zelle in den 2 – 6 aus Klarheitsgründen nicht dargestellt.
Die 1 – 6 zeigen wichtige Schritte bei der Herstellung der Solarzelle, einschließlich der Verwendung von Aluminium sowohl als Dotierungsstoff als auch als ohmsches Kontaktmaterial, sowie ihrer Maskierung unter Verwendung einer selbstausrichtenden Eloxiertechnik. Aluminium oder Aluminiummaterial ist hier entweder als reines A1 oder als eine Al-Si-Legierung definiert, wobei die Siliciumkonzentration kleiner als die eutektische Zusammensetzung (88,7 % A1 und 11,3 % Si dem Gewicht nach) ist. Dieses Aluminium wird in etwa über der Hälfte der gesamten Rückfläche in Streifen bei einem Abstand 40 aufgebracht, die von Kante zu Kante etwa 100 μm (Mikrometer) getrennt sind und jeweils 100 μm breit sind, wie in 2 dargestellt ist. Der Abstand 40 zwischen den Streifen 50 sollte kleiner sein als die Minoritätsträger-(Loch)-Diffusionslänge, um eine wirksame Ladungsträgersammlung zu erreichen. Die Linienbreite und der Abstand sollten demgemäß vorteilhafterweise auf weniger als 100 μm verringert werden. Die verwendbare Obergrenze für den Linienbreitenwert beträgt etwa 2000 μm, während der verwendbare Bereich des Abstands 40 von Kante zu Kante zwischen etwa 50 μm und etwa 300 μm liegt. Demgemäß bilden die parallelen Aluminiumstreifen jeweils getrennte Bereiche von Dotierungsquellenmaterial für die Solarzelle mit pn-Übergang, und sie sind, wie hier weiter erklärt wird, an ihrer Basis verbunden (zusammenhängend), wodurch ein Sammelleiterbereich für den Positivkontakt-Sammelleiter gebildet ist.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren zum Aufbringen von Aluminium wird es durch Siebdruck, ein auf dem Fachgebiet an sich bekannter Prozeß, in einer Aluminiumpaste aufgebracht. Die Aluminiumstreifen sind in 2 dargestellt, wobei Aluminium als Streifen 60 aufgebracht wird, die in die Papierebene verlaufen. Es liegen jedoch auch andere Verfahren als der Siebdruck für das Aufbringen des Aluminiums innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, wobei. Beispiele die Elektronenstrahlbedampfung oder das Sputtern sind, wenngleich diese Verfahren ein kostspieligeres Strukturieren durch Photolithographie erfordern können und daher weniger wünschenswert sind.
Allgemein ausgedrückt, ist die Al-Schicht aus p-leitendem Material, verglichen mit der n-leitenden massiven Schicht, verhältnismäßig dünn und für eine massive Schicht mit einer Dicke von etwa 100 μm etwa 2 bis 20 μm dick.
Es sei bemerkt, daß gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Wahl von Aluminium wenigstens drei Zwecken gleichzeitig dient: Es wirkt als eine p-Dotierungsquelle, es wirkt als ein Positivkontaktmetall, und es wirkt als ein Teil-Rückflächen-Lichtreflektor über dem Rückflächenbereich, den es bedeckt, der in etwa 50 % der Rückfläche aufweist.
Die Aufmerksamkeit auf 3 richtend, worin eine Wärmebehandlung dargestellt ist, sei bemerkt, daß die Wirkungen einer Wärmebehandlung der aufgebrachten Al-Schicht in einer etwa 850 °C aufweisenden sauerstoffreichen Umgebung dargestellt sind. In diesem Schritt wird der pn-Übergang durch Legieren des durch Siebdruck aufgebrachten A1 mit Si gebildet. Es wird weiterhin angenommen, daß das Aufrechterhalten einer Temperatur von 850 °C über einen längeren Zeitraum von beispielsweise 30 Minuten oder länger zur Bildung einer zufriedenstellenden Legierung vorteilhaft ist. Der Temperaturbereich kann von 577 °C, der eutektischen Temperatur von Aluminium-Silicium, bis 1420 °C, dem Schmelzpunkt von Silicium, reichen. Das Erwärmen kann durch eine schnelle Wärmebehandlungseinheit, einen Bandofen, einen Rohrofen oder eine andere Einrichtung ausgeführt werden. Die umgebende Atmosphäre kann inert sein, beispielsweise aus Argon oder Stickstoff bestehen, oder chemisch aktiv sein und beispielsweise Sauerstoff oder Wasserstoff aufweisen. Mischungen von Umgebungsgasen sind auch möglich. Die Zeiten bei erhöhten Temperaturen können von 30 Sekunden bis mehreren Stunden reichen. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird erwartet, daß die Verwendung einer sauerstoffreichen Umgebung bei dieser Temperatur ermöglicht, daß Oxid (SiO₂) auf freiliegendem Si wächst, das die Oberfläche passiviert und schädliche Rekombinationswirkungen verringert.
Die Temperatur wird dann in der Si-Al-Legierung abgesenkt, und Si wächst durch Flüssigphasenepitaxie neu, bis die eutektische Temperatur (577 °C) erreicht wurde. Daher ist das neu gewachsene Si nun mit Al p-dotiert (etwa 10¹⁸ cm^–3), wie durch die (p⁺)-Schichtzusammensetzung 60 in 3 angegeben ist. Der erforderliche pn-Übergang wird gebildet, wenn die Al-Konzentration die Donatorkonzentration in dem Ausgangs-Si übersteigt, und die eutektische Legierung (etwa 88,7 % A1 und 11,3 % Si dem Gewicht nach) bleibt an der Oberfläche zurück und dient als Streifenkontakte für das p-leitende Silicium. Es sei bemerkt, daß der pn-Übergang recht tief sein kann (1 bis 20 Mikrometer von der Oberfläche), weil der Übergang jedoch auf der Rückseite der Zelle liegt, wo sehr wenig Licht absorbiert wird, ist die Tiefe des Übergangs nur von sekundärer Wichtigkeit, verglichen mit einer herkömmlichen Frontkontakt-Solarzelle. Die Tiefe des Legierungsübergangs kann unter Verwendung einer Al-Si-Mischung als das an Stelle reinen A1 durch Siebdruck aufgebrachte Material gesteuert werden. Dies liegt daran, daß weil die Si-Konzentration zur eutektischen Zusammensetzung hin erhöht wird, die Si-Menge, die das gedruckte Metall lösen kann, kleiner wird und daß die Übergangstiefe daher geringer wird. Die Übergangstiefe kann, falls dies erwünscht ist, durch Erhöhen der dicke des aufgebrachten Aluminiums und durch Erhöhen der Legierungstemperatur entsprechend dem Aluminium-Silicium-Phasendiagramm erhöht werden.
Weiterhin nimmt die Lebensdauer von Minoritätsträgern in der massiven Schicht wahrscheinlich infolge der Eigenschaft dendritischen Netzsiliciums (des bevorzugten gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Si-Typs), das jegliche eingeprägten Fehler, wie Si-Leerstellen und Selbst-Zwischenstellen bei der Temperatur von etwa 850 °C ausgeheilt werden, wahrscheinlich zu. Das Kühlen bei einer kontrollierten Rate von 10 °C je Minute an Stelle eines schnelleren Kühlens ermöglicht auch, daß eingeprägte Si-Fehler ausgeheilt werden, wodurch schädliche Rekombinationsstellen verringert werden.
Die vorstehend erwähnte Wärmebehandlung kann unter Verwendung eines Bandofenprozesses ausgeführt werden, wobei die Proben auf ein Band geladen werden und das Band langsam durch stabile Heißzonen in einem Ofen gezogen wird. Alternativ zum Erwärmen der Si/Al-Mischung auf 850 °C für etwa 30 Minuten in einem solchen Ofen kann eine Vielzahl anderer Techniken verwendet werden, um das eutektische Si/Al zu bilden, wobei beispielsweise eine schnelle Wärmebehandlungseinheit verwendet wird, bei der beispielsweise Quarzlampen eingesetzt werden, um das Si auf 1000 °C zu erwärmen, und diese Temperatur 30 Sekunden lang beibehalten wird, wodurch der Durchsatz in einer kommerziellen Umgebung erhöht wird, oder indem ein herkömmlicher Quarzrohrofen verwendet wird.
Aus dem Vorhandensein eines solchen (p⁺)-Bereichs (des Bereichs 60 aus 3) unmittelbar neben dem (n⁺)-Bereich an der Rückflächenschicht (der Rückflächenschicht 20 aus 1) ergibt sich auch der unerwartete Vorteil, daß die Solarzelle vor einer Überhitzung geschützt wird, wenn sie in Sperrichtung vorgespannt ist, beispielsweise durch Abschatten in einem Modul. Ein "Modul" ist eine Gruppe miteinander verbundener Zellen, die durch Glas oder ein anderes Deckmaterial geschützt sind und welche eine erhebliche Leistungsmenge, typischerweise 10 bis 100 Watt, erzeugen, wenn sie beleuchtet werden. Bei diesem (p⁺n⁺)-Entwurf ist ein Schutz gegen Vorspannungen in Sperrichtung eingebaut, wodurch Schutzdioden zum Schutz vor Vorspannungen in Sperrichtung, die gemeinhin, als "Nebenschlußdioden" bezeichnet werden, überflüssig gemacht werden. Der (p⁺n⁺)-Übergang wirkt als eine Zener-Diode, die unter gemäßigten Vorspannungen in Sperrichtung durchbricht, und es wird folglich nur eine geringe Leistungsmenge in der Zelle verteilt, wodurch die Zelle geschützt wird.
Mit Bezug auf die 4A und 4B wird nun ein anderer Schritt in dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert. Dieser Schritt bietet ein einzigartiges "Selbstausrichtungsmerkmal" für das Ausrichten des negativen Kontakts (zum n-leitenden Bereich) in bezug auf den positiven Kontakt (zum p-leitenden Bereich). Zum Isolieren des p-leitenden Schichtkontakts (positiven Kontakts) von dem n-leitenden Schichtkontakt (negativen Kontakt) benötigt die vorliegende Erfindung keine komplizierten Maskierungstechniken, die in der Vergangenheit verwendet worden sind, sondern sie verwendet vielmehr eine Isolation durch Bilden einer Oxidationsschicht, um den ersten (positiven) Satz von Al-Kontakten zu beschichten und diesen Satz von dem zweiten (negativen) Satz von Kontakten elektrisch zu isolieren. Wie in den 4A und 4B dargestellt ist, erfolgt dies durch Isolieren der Al-Si-(p⁺)-Schichtzusammensetzung und der freiliegenden Al-Streifen 70, die außerhalb des Netzkörpers 10 liegen, mit einer Oxidschicht 80 (Isolator), der sich in Form von Al₂O₃, SiO₂ oder irgendeiner Variation davon bei Vorhandensein von Sauerstoff natürlich auf freiliegenden Si-, Si-Al- und Al-Materialien bildet. Die Oxidschicht sollte so aufwachsen gelassen werden, daß sie die Al-Streifen 70 bis zu einer Dicke von etwa 0,1 μm bis 1 μm bedeckt. Wie in den 4A und 4B dargestellt ist, bedeckt die Oxidschicht 80 an dieser Stufe auch die Oberflächenbereiche 90 der (n⁺)-Schicht zwischen den Al-Streifen 70. Wie nachstehend vollständiger beschrieben wird, wird die Oxidschicht auf den Oberflächenbereichen 90 anschließend entfernt (siehe den nachstehend in 5B dargestellten Schritt), um ohmschen Kontakt mit der Kathode (n-leitendes Si) der Solarzellendiode zu ermöglichen.
Das bevorzugte Verfahren zur Bildung der Oxidationsschicht in den 4A und 4B ist die Eloxierung, wobei die Oberflächenschicht der sich entwickelnden Zelle in einen schwachen Elektrolyten (wie Borate, Phosphate oder Carbonate) getaucht wird und eine Spannung angelegt wird. Strom fließt infolge einer zwischen eine Inertelektrode und das Kontaktmetall (das eutektische Al-Si) angelegten Spannung. Die Dicke des anodischen Oxids kann 1 Mikrometer erreichen, falls die Spannung, die den Eloxierstrom treibt, 700 V erreicht (14 A/V oder 1,4 nm/V). Solche Oxide sollten kompakt und von Stiftlöchern frei sein. Weil ein ohmscher Kontakt zu einem Positivkontakt-Sammelleiter (in dem in 7 dargestellten Bereich 110) hergestellt werden muß, wenn die Solarzelle fertiggestellt wird, um Kontakt mit den freiliegenden Al-Streifen 70 herzustellen, muß das Wachstum des anodischen Oxids im Sammelleiterbereich unterbunden werden (und dieser Sammelleiterbereich muß während des Prozesses abgeschirmt werden). Ein Weg, um dies vorzunehmen, besteht in der Verwendung eines kompressiven, jedoch leitenden Mediums in der Art eines kohlenstoffimprägnierten Schwamms mit geschlossenen Zellen, um den von dem Sammelleiter zu belegenden Bereich zu kontaktieren. Ein Schwamm mit geschlossenen Zellen ist bevorzugt, weil er den Elektrolyten nicht absorbiert.
Abgesehen vom Eloxieren ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein anderes Verfahren zum Isolieren der eutektischen Aluminium- oder Aluminium-Silicium-Schicht, wie das Oxidieren von Aluminium in einem sauerstoffhaltigen Plasma, vorgesehen.
Nachdem die Oxidationsschicht 80 durch Eloxieren oder ein anderes geeignetes Verfahren hinzugefügt worden ist, muß die mit der Oxidationsschicht bedeckte n-leitende Si-Oberfläche in Zwischenstellen-Oberflächenbereichen 90 freigelegt werden, um zu ermöglichen, daß die Negativkontakt-Metallschicht aus A1 darauf aufgebracht werden kann. Demgemäß ist in den 5A und 5B dargestellt, wie die Oxidationsschicht von der Si-Schicht auf der Rückfläche, jedoch nicht die Oxidation, die die Al-Streifen 70 bedeckt, entfernt wird. Bei einem bevorzugten Verfahren hierfür wird Fluorwasserstoffsäure verwendet, um das Zwischenstellen-SiO₂ (Siliciumdioxid) 80 selektiv fortzuätzen und zu entfernen, weil Fluorwasserstoffsäure nicht mit Al₂O₃ (Aluminiumoxid) reagiert und dieses nicht entfernt. Folglich wird das Zwischenstellen-SiO₂ entfernt, während die Al₂O₃-Isolierschicht weiterhin die Streifenkontakte 70 bedeckt (siehe 5B). Andere Chemikalien, die ähnliche Wirkungen haben, können verwendet werden, oder es können andere Oxidentfernungstechniken, beispielsweise durch leichtes Sand strahlen der Siliciumdioxidschicht, verwendet werden, woraus sich auch die vorteilhafte Wirkung ergibt, daß die Siliciumoberfläche leicht beschädigt wird, wodurch der ohmsche Kontakt mit der n-leitenden Basis gefördert wird. Die Verwendung des Sandstrahlens macht eine diffundierte (n⁺)-Schicht auf der Rückfläche der Zelle überflüssig, die gewöhnlich in erster Linie zum Fördern eines ohmschen Kontakts bereitgestellt wird. Das reaktive Ionenätzen (RIE) kann auch zum Entfernen von SiO₂ verwendet werden, während das Al₂O₃ ungestört bleibt. Es kann auch ein Ionenätzen verwendet werden, um die Oberfläche leicht zu beschädigen und einen ohmschen. Kontakt analog dem Sandstrahlen zu fördern.
Die 6A und 6B zeigen den nächsten Schritt in dem Prozeß zur Herstellung der Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung bzw. das Aufbringen einer zweiten Metallschicht zur Bildung des selbstausgerichteten negativen Ohmkontaktmetalls (für den n-leitenden Si-Schichtkontakt). Dieses zweite Metall kann ein beliebiges geeignetes Kontaktmetall, einschließlich Aluminium und Silber, sein. Wiederum ist der Siebdruck das bevorzugte Verfahren zum Aufbringen dieses zweiten Metalls, es sind jedoch auch andere Verfahren, wie Elektronenstrahlverdampfen oder Sputtern, annehmbar. Diese als Metallschicht 100 bezeichnete zweite Metallschicht bedeckt nahezu die ganze Rückfläche der Zelle. Diese Schicht ist durch das anodische Oxid 80 von den ersten Metallkontaktstreifen 70 isoliert, während sie ohmschen Kontakt mit den (n⁺)-Bereichen 90 herstellt, die zwischen den Metallstreifen 70 vorgefunden werden, welche aus der ersten aufgebrachten Aluminiumschicht gebildet sind. Die zweite Metallschicht hilft auch dabei, einen Rückflächen-Lichtreflektor zu bilden, um beim Reflektieren jeglichen Lichts zu helfen, das bei einem ersten Rücklauf in das Siliciummaterial nicht von diesem absorbiert wird.
7 zeigt die von der Rückseite betrachtete fertiggestellte Solarzelle, wobei die Zelle mit dem zweiten Metall (Aluminium oder einem anderen ohmschen Metall) oder eutekti schem Aluminium-Silicium bedeckt ist. Die Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine nicht abgedeckte Frontfläche, was ein erheblicher Vorteil gegenüber herkömmlichen Solarzellen ist. Auf der Rückfläche dienen beide Metallkontakte (die ohmschen Metallkontakte 70 und 100) zusätzlich dazu, daß sie ohmsche Kontakte sind, als Teil-Lichtreflektoren. Weiterhin ermöglicht die Sammelleiterkonstruktion ein einfaches Schalten der Solarzellen des vorliegenden Entwurfs in Serie, weil es der vorliegende Entwurf überflüssig macht; mühsam externe Zwischenzellenkontakte von der Frontfläche zur Rückfläche herzustellen, sondern vielmehr einen Oberflächenmontage-Technologieentwurf verwendet, bei dem auf solche Kontakte verzichtet wird.
In 7 ist demgemäß ein Sammelleiterbereich 110 dargestellt, der die unoxidierte Fläche ist, an der sich der Sammelleiterkontakt befindet, der zu den ersten Positivkontakt-Metallstreifen 70 führt, wie vorstehend erklärt wurde. Der Sammelleiterbereich 110 weist, wie ersichtlich ist, eine kleinere Fläche auf als der vom Negativkontaktmetall bedeckte Bereich der Schicht 100, es sind jedoch sowohl die positiven als auch die negativen Metallkontakte gut für eine modulare Oberflächenmontage geeignet. Die eutektischen Al-Si-Finger 70 stehen senkrecht von dem Sammelleiter 110 aus 7 vor, sie sind jedoch infolge der Barüberliegenden zweiten Metallschicht 100 in der Figur nicht sichtbar.
Falls es erwünscht ist, können andere Ohmkontaktmetalle als A1 oder Ag aufgebracht werden, um die hier beschriebenen positiven oder negativen ohmschen Kontakte zu bilden, wobei beispielsweise eine Titan/Palladium/Kupfer-Übereinanderschichtung oder siebgedrucktes Silber für die Kontakte verwendet wird.
In Bezug auf die Verwendung von Antireflexionsbeschichtungen (AR-Beschichtungen) erscheint eine Beschichtungsschicht oder erscheinen Beschichtungsschichten gewöhnlich auf der äußersten beleuchteten Frontfläche, sie wurden jedoch in den 1 – 7 aus Gründen der Klarheit fortgelassen. Es ist möglich, daß eine AR-Beschichtung bei dem vorliegenden Entwurf wahlweise verwendet wird, weil ein Texturieren oder möglicherweise ein Texturieren in Kombination mit einem Passivierungsoxid, wie vorstehend erklärt wurde, ausreichend wirksam sein kann, um die. AR-Beschichtung unnötig zu machen. Es kann jedoch eine AR-Beschichtung, wie durch plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung (PECVD) aufgebrachtes Siliciumnitrid oder durch chemische Dampfabscheidung bei Atmosphärendruck (APCVD) aufgebrachtes Titandioxid verwendet werden. Es könnte auch eine Wasserstoffionenimplantation (zum Verbessern der Minoritätsträger-Diffusionslänge) vor einer AR-Beschichtungsabscheidung ausgeführt werden, sofern das Oberflächenoxid nicht vorhanden oder möglicherweise sehr dünn ist.
Mit Bezug auf 8 sei bemerkt, daß vollständige ineinandergreifende Rückseitenkontakt-Solarzellen (IBC-Solarzellen) 120 mit einem Aluminiumlegierungsübergang unter Verwendung von Czochralski-Siliciumwafern als Ausgangssubstrate hergestellt wurden. Diese Solarzellen dienen dazu, die Verwendung von Aluminiumlegierungsübergängen in einer Rückseitenkontaktkonfiguration zu demonstrieren. Das Aluminium wurde durch Elektronenstrahlverdampfung statt durch Siebdruck aufgebracht. Die negativen Elektroden wurden nicht unter Verwendung eines Eloxierens oder einer anderen Technik selbstausgerichtet, sondern sie wurden vielmehr mit Hilfe eines Kontaktjustierers, wie er zum Herstellen integrierter Schaltungen verwendet wird, in bezug auf die positiven eutektischen Aluminium-Silicium-Elektroden von Hand ausgerichtet. Die Siliciumsubstrate waren einseitig poliert, wiesen einen Durchmesser von 7,62 mm (3 Zoll) auf, waren 330,2 – 431,8 μm (13 – 17 Millizoll) dick und waren mit 3 – 20 Ω · cm phosphordotiert und wiesen eine (111)-Fläche auf. Zwei Wafer (mit CZ-7 und CZ-8 bezeichnet) wurden mit Teststrukturen und Solarzellen auf der polierten Seite verarbeitet. 8 zeigt die Rückseite eines solchen Wafers.
Die gelappte Seite (in 8 nicht ersichtlich) weist eine Phosphordiffusion und eine Antireflexionsbeschichtung (AR-Beschichtung) 95 auf (siehe die 10 und 12). Jede der acht Solarzellen weist 1,00 cm im Quadrat auf, wobei der 2 mm breite Sammelleiter 112 für die negativen Elektroden ignoriert ist. Sie sind in den nachstehenden Tabellen 2 und 3 durch die Anzahl der den negativen Kontakt bildenden (n⁺)-Finger (4, 8, 16 und 25) und durch ihren Ort (innen (I) oder peripher (P)) bezeichnet. Die vier inneren Zellen weisen nur die in Kontakt mit dem (p⁺)-Bereich stehende eutektische Legierung auf, während bei den peripheren Zellen das zweite Metall auch auf das Eutektikum aufgebracht ist. Bessere Ergebnisse wurden für einen Wafer CZ-8 erhalten, so daß nur der Prozeß und die Testergebnisse für diesen Wafer beschrieben werden.
Der beim Herstellen der IBC-Zellen für den Wafer CZ-8 verwendete Prozeß ist in der nachstehenden Tabelle zusammengefaßt. Ein erwähnenswertes Merkmal für diesen Prozeß besteht darin, daß der rückseitige Aluminiumlegierungsübergang und die phosphordotierten (n⁺)-Schichten, die über die Frontfläche und an der freigelegten Rückfläche zwischen Aluminiumelektroden ausgebildet sind, in einem einzigen Hochtemperaturschritt erzeugt wurden. Photolithographie wurde zum Strukturieren des verdampften Aluminiums und zum Definieren des als die negative Elektrode dienenden zweiten Metalls verwendet. Eine rückseitige Ansicht der IBC-Solarzelle mit Aluminiumlegierungsübergang ist in 9 dargestellt, während Schnittansichten in den 10 – 12 dargestellt sind.
TABELLE 1 Prozeß für den Wafer CZ-8
Einige Kommentare zum CZ-8-Prozeß:

– Der Legierungs/(n⁺)-Diffusionsprozeß weist ein schrittweises langsames Abkühlen in der schnellen Wärmebehandlungseinheit (RTP-Einheit) auf (≈50 °C/min von 1000 °C auf 825 °C).
– Es war offensichtlich nicht schädlich, einen flüssigen Phosphordotierungsstoff vor dem RTP-Prozeß bei 1000 °C, wobei gleichzeitig die (p⁺)- und (n⁺)-Bereiche gebildet wurden, zu streichen.
– Die Tiefe des (p⁺)-Bereichs wurde durch Querschnitts-Rasterelektronenmikroskopie bei 1000 °C über 30 s beim RTP-Prozeß bestimmt.
– Der Schichtwiderstand der (n⁺)-Frontfläche wurde nach einer 30 s dauernden RTP-Diffusion bei 1000 °C als 25 Ω/Δ gemessen.
– Die Maske 2 wurde fortgelassen, weil sie nur für manche Testmuster und nicht für die IBC-Zellen erforderlich war.
– Der Ti/Al-Kontakt zur (n⁺)-Fläche ist durch den Abhebeprozeß auf eine Dicke von 0,55 μm beschränkt.
– Ohne das Ätzen von (n⁺)-Silicium zwischen der positiven Elektrode (eutektisch) und der negativen Elektrode (Ti/Al) wurde der pn-Übergang erheblich nebengeschlossen.

TABELLE 2 I-V-Daten bei Beleuchtung (AM1,5, 100 mW/cm², Frontbeleuchtung) vor der AR-Beschichtung
TABELLE 3 I-V-Daten bei Beleuchtung (AM1,5, 100 mW/cm², Frontbeleuchtung) nach der AR-Beschichtung
Es sei bemerkt, daß funktionierende Rückseitenkontakt-Solarzellen erhalten wurden, wodurch die Einsetzbarkeit der offenbarten Struktur demonstriert wurde. Es wurden Umwandlungswirkungsgrade von Licht in elektrische Energie von bis zu 9,0 % gemessen. Es wird erwartet, daß Verfeinerungen an dem Substratmaterial und an den Verarbeitungstechniken den Wirkungsgrad auf das Doppelte des bis heute demonstrierten erhöhen.
Wenngleich die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vorstehend vollständig beschrieben wurde, können verschiedene Modifikationen, alternative Konstruktionen und äquivalente Ausgestaltungen verwendet werden. Wenngleich die bevorzugte Ausführungsform beispielsweise mit Bezug auf Aluminium zur Bildung der p-Diffusion und der ohmschen Kontakte beschrieben wurde, können für diesen Zweck auch andere Gruppe-III-Metalle, wie Gallium und Indium, verwendet werden. Ein geeignetes Gruppe-III-Element ist ein Element, das das Silicium löst und in einer Spurenmenge zurückbleibt, um als ein Dotierungsstoff zu dienen, wenn sich das Silicium verfestigt. Wenngleich die bevorzugte Ausführungsform mit Bezug auf eine n-leitende massive Siliciumschicht 10 beschrieben worden ist, kann zusätzlich massives p-leitendes Silicium zum Herstellen der Rückseitenkontakt-Solarzelle verwendet werden. Wenn eine massive p-leitende Siliciumschicht verwendet wird, wird eine dünne (p⁺)-Schicht auf der oberen Fläche als Schicht 20 gebildet, jedoch eine (n⁺)-Schicht auf der Unterseite der massiven Schicht 10 gebildet. Wie Fachleute verstehen werden, sind bei der p-leitenden Ausführungsform die Minoritätsträger Elektronen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Rückseitenkontakt-Solarzelle, mit folgenden Schritten: (a) Bereitstellen einer massiven Halbleiterschicht (10) eines ersten Leitfähigkeitstyps, die eine Frontfläche (20) vollständig aus dem ersten Leitfähigkeitstyp und eine Rückfläche (20) aufweist; (b) Ausbilden mehrerer dotierter Halbleiterbereiche (60) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in der massiven Schicht (10) nahe der Rückfläche (20); (c) Ausbilden eines ersten Satzes ohmscher Kontakte (70) für die dotierten Bereiche (60) auf der Rückfläche (20) unter Verwendung eines Ohmkontakt-Metallmaterials; (d) elektrisches Isolieren des ersten Satzes ohmscher Kontakte (70) von den dazwischen liegenden Zwischenräumen (90); und (e) Ausbilden eines zweiten Satzes ohmscher Kontakte (100) auf der Rückfläche (20) in den genannten Zwischenräumen (90) unter Verwendung eines Ohmkontakt-Metallmaterials, wobei der zweite Satz ohmscher Kontakte (100) von dem ersten Satz ohmscher Kontakte (70) elektrisch isoliert (80) ist, gekennzeichnet durch: Ausbilden der ersten und zweiten ohmschen Kontakte in selbstausrichtender Weise durch gleichzeitiges Ausführen der Schritte (b) und (c) mittels: Aufbringen einer gemusterten Schicht (50) mit einem Gruppe-III-Metall auf der Rückfläche (20) der massiven Schicht (10), Erwärmen mindestens der Rückfläche (20) und angrenzender innerer Bereiche der massiven Schicht (10), so daß das Material der massiven Schicht in den inneren Bereichen und die gemusterte Schicht (50) eine Legierung (60, 70) bilden, und Abkühlen lassen der Legierung, so daß die dotierten Bereiche (60) unter Verwendung des Gruppe-III-Metalls als Akzeptor und der erste Satz an Kontakten (70) aus der an der Rückfläche (20) verbleibenden abgekühlten Legierung gebildet werden; und Ausführen von Schritt (d) mittels: Ausbilden einer isolierenden Schicht (80) über dem ersten Satz ohmscher Kontakte (70) und den dazwischen liegenden Zwischenräumen (90) und selektives Entfernen von Abschnitten der isolierenden Schicht (80) über den genannten Zwischenräumen (90) von der Rückfläche (20) der massiven Schicht (10), so daß die isolierende Schicht (80) lediglich den ersten Satz ohmscher Kontakte (70) bedeckt und die genannten Zwischenräume (90) freiliegen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (a) mit n-artigem Silizium ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (a) mit n-artigem Silizium mit einer auf seiner Frontfläche (20) befindlichen n⁺-Oberflächendiffusionsschicht ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (a) mit n-artigem Silizium mit einer auf seiner Front- und Rückfläche (20) befindlichen n⁺-Oberflächendiffusionsschicht ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gemusterte Schicht (50) eine Mischung aus Gruppe-III-Metall und dem Material der massiven Schicht (10) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Mischung Aluminium und Silizium enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gemusterte Schicht (50) mehrere einzelne Streifen enthält.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Streifen im wesentlichen parallel zueinander sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gemusterte Schicht (50) durch Siebdruck aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum selektiven Entfernen einen Schritt zum Ätzen derjenigen Abschnitte der isolierenden Schicht (80) aufweist, die über den genannten Zwischenräumen (90) liegen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Ätzschritt chemisch ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Ätzschritt ein reaktives Ionenätzen darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum selektiven Entfernen einen Schritt zum Sandstrahlen derjenigen Abschnitte der isolierenden Schicht (80) enthält, die über den genannten Zwischenräumen (90) liegen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum selektiven Entfernen einen Schritt zum Ionenabtragen derjenigen Abschnitte der isolierenden Schicht (80) enthält, die über den genannten Zwischenräumen (90) liegen.
Verfahren nach Anspruch 1 mit Schritten zum Texturieren der Front- und/oder Rückfläche der massiven Schicht (10).
Verfahren nach Anspruch 1 mit Schritten zum Aufbringen einer Antireflexbeschichtung (95) auf der Frontfläche (20).
Rückseitenkontakt-Solarzelle, aufweisend: eine massive Halbleiterschicht (10) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Frontfläche (20) und einer Rückfläche (20), wobei die Frontfläche (20) vollständig aus einem ersten Leitfähigkeitstyp besteht, mehrere mit Abstand angeordnete dotierte Halbleiterbereiche (60) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die in der massiven Schicht (10) nahe der Rückfläche (20) ausgebildet sind und damit mehrere Halbleitergrenzschichten (60) bilden, einen ersten Satz mit Abstand angeordneter ohmscher Kontakte (70), die mit den mit Abstand angeordneten dotierten Halbleiterbereichen (60) verbunden sind und entlang der Rückfläche (20) angeordnet sind, einen zweiten Satz ohmscher Kontakte (100), die in den Zwischenräumen (90) innerhalb des ersten Satzes ohmscher Kontakte (70) direkt mit der Rückfläche (20) der massiven Schicht (10) verbunden sind, und eine isolierende Schicht (80) zum elektrischen Isolieren des ersten Satzes mit Abstand angeordneter ohmscher Kontakte (70) von dem zweiten Satz ohmscher Kontakte (100), wobei der erste Satz mit Abstand angeordneter ohmscher Kontakte (70) eine Legierung aus dem Halbleitermaterial der massiven Schicht (10) und einem Gruppe-III-Metall einschließlich der Akzeptordotierung für die mit Abstand angeordneten dotierten Halbleiterbereichen (60) enthält, dadurch gekennzeichnet daß: die isolierende Schicht (80) ein Oxid enthält, das den ersten Satz mit Abstand angeordneter ohmscher Kontakte (70) bedeckt.
Solarzelle nach Anspruch 17, wobei der erste Satz ohmscher Kontakte (70) in Form im wesentlichen parallel zueinander befindlicher leitfähige r. Streifen vorliegt.
Solarzelle nach Anspruch 18, wobei die leitfähigen Streifen (70) an einem Ende unter Ausbildung eines Sammelleiterkontakts (110) verbunden sind.
Solarzelle nach Anspruch 17, wobei die massive Halbleiterschicht (10) keine größere Dicke als die Diffusionslänge der Minoritätsträger des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist.
Solarzelle nach Anspruch 17, wobei die massive Halbleiterschicht (10) aus n-artigem Silizium gebildet ist.
Solarzelle nach Anspruch 21, wobei das n-artige Silizium dendritisches Netzsilizium ist.
Solarzelle nach Anspruch 17, wobei das Gruppe-III-Metall aus der aus Aluminium, Gallium und Indium bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Solarzelle nach Anspruch 17 mit einer Antireflexbeschichtung (95) auf der Frontfläche (20).
Solarzelle nach Anspruch 17, wobei die massive Schicht (10) aus n-artigem Material gebildet ist und die Front- und die Rückfläche (20) anfänglich n⁺-dotiert sind.
Solarzelle nach Anspruch 17, wobei der zweite Satz ohmscher Kontakte (100) aus einem ohmschen Metall besteht, das aus der aus Silber, Aluminium, Kupfer, Titan und Paladium bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Solarzelle nach Anspruch 17, wobei die Front- und/oder die Rückfläche (20) texturiert ist.