DE69915317T2 - Selbstjustierendes verfahren zur herstellung eines selektiven emitters und der metallisierung in einer solarzelle - Google Patents

Selbstjustierendes verfahren zur herstellung eines selektiven emitters und der metallisierung in einer solarzelle Download PDF

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Description

  • Einleitung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Herstellung von photovoltaischen Vorrichtungen, und insbesondere wird durch die vorliegende Erfindung ein selbstjustierendes Verfahren zur Ausbildung einer Metallisierung in einer photovoltaischen Vorrichtung zur Verfügung gestellt.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Es gibt viele Lösungsansätze, um Dotierungsmittel mit einer Polarität in die Oberfläche von einem Substrat zu diffundieren, das mit der entgegengesetzten Polarität dotiert ist, um so einen pn-Übergang zu bilden. Einer dieser Lösungsansätze umfasst das Aufbringen eines Dielektrikums, das die geeigneten Dotierungsmittel enthält, auf die Oberfläche des entgegengesetzt dotierten Substrats, gefolgt von einer geeigneten thermischen Behandlung, um zu ermöglichen, dass die Dotierungsmittel aus dem Inneren des Dielektrikums in die Substratoberfläche diffundieren. Beispiele von Techniken für die Durchführung der thermischen Behandlung beinhalten herkömmliche Quarzröhrenöfen, Infrarot-Bandöfen, schnelles thermisches Glühen und die Verwendung von Lasern. Bei Verwendung dieses Lösungsansatzes kann das dielektrische Material außerdem zu einer Oberflächenpassivierung der Substratoberfläche führen. Ein Beispiel von dieser Technik wurde von J. Kopp et al. beschrieben ("Simultaneous formation of emitter and passivation layer in a single rapid thermal cycle", IEEE First WCPEC, Hawaii, 5–9 Dezember 1994, S. 1527).
  • In der Literatur ist ebenfalls gut dokumentiert, dass räumlich selektive Emitter für das Erreichen hoher Wirkungsgrade wichtig sein können. Eine starke Dotierung unter dem Metallkontakt ist wichtig, und zwar sowohl für das Reduzieren von Kontaktwiderständen als auch zum Minimieren des Beitrags, der durch den dunklen Sättigungsstrom für die Solarzelle durch den Silicium/Metall-Übergangsbereich erzeugt wird. Für den letzteren macht es die starke Dotierung möglich, den Bereich der hohen Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit zu lokalisieren, der mit dem Metall/Silicium-Übergang in Beziehung steht, und zwar mehr als eine Minoritätenträgerdiffusionslänge weg von dem pn-Übergang, wodurch der Beitrag minimiert wird, der durch den dunklen Sättigungsstrom durch den Metallkontakt bewirkt wird. Bei kommerziell verfügbaren Solarzellen mit höchstem Wirkungsgrad wird die starke Dotierung unter dem Metall durch Ausbilden einer Nut erreicht, und zwar durch einen leicht diffundierten Emitter der oberen Oberfläche, und dann durch anschließendes Diffundieren größerer Mengen von Dotierungsmitteln in die Wände der freiliegenden Nuten vor dem Einbringen der Metallkontakte ebenfalls in die Nuten, wo die starke Dotierung vorherrscht. Dadurch werden die oben beschriebenen Vorteile erreicht, während der überwiegende Teil der oberen Oberfläche leicht diffundiert bleibt, wodurch die Ausbildung einer toten Schicht der Oberfläche verhindert wird, die ansonsten vorhanden wäre, wenn sich die starke Dotierung über die Lichtempfangsfläche hinaus erstreckt. Der leichte diffundierte Emitter zusammen mit einer adäquaten Oberflächenpassivierung ermöglicht das Erreichen von guten Trägersammeleigenschaften für Träger, die durch die Tiefe des leicht diffundierten Emitters erzeugt werden. Die Nachteile von diesem Lösungsansatz beinhalten die Notwendigkeit von zwei unabhängigen Diffusionsprozessen, wodurch zusätzliche Kosten entstehen und die Komplexität erhöht wird sowie außerdem eine Verschlechterung der Substratqualität möglich ist, und zwar durch das lange Aussetzen bei einer hohen Temperatur, was erforderlich ist, um die starke Dotierung in dem mit Nuten versehenen Bereich zu bewirken. Ein dritter Nachteil bei diesem Lösungsansatz ergibt sich aus der Notwendigkeit eines Ätzvorgangs zum Beseitigen von Schäden/Schmutz nach dem Prozess des Ausbildens der Nuten, um die Siliciumoberflächen in der Nut für die nachfolgende Diffusion vorzubereiten.
  • Ein weiterer Lösungsansatz für das Erreichen des selektiven Emitters mit starker Dotierung unter dem Metallkontakt wurde von U. Besi-Vetrella et al. beschrieben ("Zarge area, Screen Printed Silicon Solar Cells with selective Emitter made by Laser Overdoping and RTA Spin-on Glasses", 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Anaheim, 1997, S. 135). Dieser Lösungsansatz beinhaltet die Verwendung einer Spin-on-Diffusionsquelle zur Vereinfachung der Ausbildung des leicht diffundierten Emitters, gefolgt von der Verwendung eines Lasers, um lokalisierte Bereiche der Siliciumoberfläche zu erhitzen, an denen eine starke Dotierung gewünscht ist. Das Muster, das durch den Laser gebildet wird, ist identisch mit jenem, das für die Metallisierung erforderlich ist, aber eine wesentliche Komplikation ist die nachfolgende Schwierigkeit, das Metall bezüglich dieser stark diffundierten Bereiche zu justieren. Besi-Vetrella et al. haben ausgeklügelte Techniken entwickelt, um dieses Justieren durchzuführen, und zwar für die Zwecke des Siebdruckens der Metallpaste auf die stark diffundierten Bereiche. Eine weitere Komplikation dieser Arbeit umfasst die Tatsache, dass sich Bereiche des siebgedruckten Metalls über die stark diffundierten Bereiche hinaus auf die leicht diffundierten Bereiche erstrecken, mit den entgegengerichteten Konsequenzen der Erhöhung des dunklen Sättigungsstroms der Vorrichtung und der möglichen Entstehend des Problems des Eindringens von Metall in den pn-Übergang während des Erhitzens und sogar der Möglichkeit, dass ein Ausfall der gesamten Vorrichtung bewirkt werden kann. Das letztere Problem kann überwunden werden, indem gewährleistet wird, dass die stark dotierten Linien, die durch den Laser gebildet werden, breiter sind als die siebgedruckten Metalllinien. Sie müssen um einen ausreichenden Betrag breiter sein, um Justierungstoleranzen zu ermöglichen, die mit dem Justieren des siebgedruckten Metalls bezüglich der stark diffundierten Bereiche über der gesamten Länge und Breite der Solarzellenoberfläche in Beziehung stehen. Jedoch ergeben sich aus diesem Lösungsansatz entgegengerichtete Konsequenzen einschließlich des Anstiegs des dunklen Sättigungsstroms, was aus dem wesentlich größeren Volumen des stark dotierten Materials, der Ausbildung von toten Schichten der Oberfläche, wo sich die starke Dotierung über die Kante des siebgedruckten Metalls hinaus erstreckt, und der erhöhten Laserverarbeitung resultiert, die erforderlich ist, um die sehr viel größeren Linienbreiten zu erreichen. In Kombination führen diese Nachteile zu einer geringeren Leistungsfähigkeit und zu höheren Kosten im Vergleich zu einer selbstjustierenden Lösung für die Metallkontaktausbildung, wenn letzteres erreichbar wäre. Der letzte Nachteil betrifft die Oberflächenpassivierung. Die leicht diffundierten Oberflächenbereiche erfordern eine adäquate Oberflächenpassivierung, um eine gute Leistungsfähigkeit zu erreichen, obwohl die beschriebenen Dielektrika, die die Oberfläche möglicherweise passivieren können, ebenfalls nachfolgend Probleme hervorrufen können, wenn versucht wird, einen Kontakt zwischen dem siebgedruckten Metall und dem stark dotierten Silicium herzustellen. Eine mögliche Lösung besteht darin, das Dielektrikum vor dem Siebdrucken zu entfernen, den Siebdruckprozess durchzuführen und dann eine Rück-Passivierung der Oberfläche durchzuführen, und zwar ohne die Metallisierung zu beschädigen. Selbst wenn dies erreichbar wäre, würde dies zu beträchtlichen Kosten und einer Erhöhung der Komplexität dieses Prozesses führen.
  • Ein alternativer Lösungsansatz, um stark dotierte Bereiche unter den Kontakten zu erreichen, wird von Mardesich in dem US-Patent Nr. US 4,703,553 beschrieben, wo nach dem Ausbilden eines leicht dotierten Oberflächenbereichs eine Aluminiumpaste auf dem Oberflächenoxid in Bereichen siebgedruckt wird, wo Kontakte gebildet werden, und die Kombination wird auf eine Temperatur erhitzt, so dass die Aluminiumpaste durch das Oxid und Legierungen mit den darunter liegenden Halbleitermaterial getrieben wird, um stark dotierte p+-Verunreinigungsbereiche zu bilden. Die Metallkontakte werden dann über diesen stark dotierten Bereichen gebildet. Dieser Lösungsansatz erfordert einen zusätzlichen Siebdruckschritt zwischen der Ausbildung des leicht dotierten Oberflächenbereichs und dem Erhitzungsschritt, um die stark dotierten Bereiche zu bilden. Dieses Verfahren ist für einen p-Typ-Kontakt an der Rückseite beschrieben.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein selbstjustierendes Verfahren zur Ausbildung einer Kontaktmetallisierung in einer Solarzelle zur Verfügung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
    • a) auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats eines ersten Dotierungsmitteltyps erfolgendes Ausbilden einer durchgehenden Schicht aus Dotierungsquellenmaterial eines zweiten Dotierungsmitteltyps mit einer Dotierungsmittelpolarität, die der des ersten Dotierungsmitteltyps entgegengesetzt ist;
    • b) thermisches Behandeln des Dotierungsquellenmaterials und der Halbleiteroberfläche, die das Dotierungsquellenmaterial trägt, wodurch ein Oberflächenbereich des zweiten Dotierungsmitteltyps im Halbleitermaterial ausgebildet wird, wobei der erste und der zweite dotierte Halbleitertyp einen pn-Übergang unter der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausbilden;
    • c) lokales Erwärmen des Dotierungsquellenmaterials und der darunter liegenden Halbleiteroberfläche, um ein Schmelzen des Oberflächenbereichs in Zonen zu bewirken, wo Metallisierung erforderlich ist, um Kontakt zum Oberflächenbereich herzustellen, wodurch die geschmolzenen Zonen des Halbleiteroberflächenbereichs vom Dotierungsquellenmaterial stärker dotiert werden und das darüber liegende Dotierungsquellenmaterial zerstört wird, um die stärker dotierten Oberflächenzonen freizulegen;
    • d) Ausbilden einer Metallisierung auf den stark dotierten Oberflächenzonen, so dass eine Verbindung des Oberflächenbereichs des Halbleitermaterials durch die Zerstörung in der Schicht aus Dotierungsquellenmaterial mit den stark dotierten Oberflächenzonen hergestellt wird.
  • Das Quellenmaterial ist vorzugsweise außerdem so gewählt, um eine reflexmindernde Beschichtung zu bilden.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist die Dotierungsquellenschicht eine einzelne Schicht aus dielektrischem Material, die eine Dotierungsquelle trägt, wodurch das dielektrische Material als eine Dotierungsquelle, als eine Passivierungsschicht, als eine Metallisierungsmaske und vielleicht auch als eine reflexmindernde Beschichtung wirkt, wobei aber in anderen Ausführungsbeispielen eine dotierte Passivierungsschicht mit einer dielektrischen Schicht versehen ist, die darüber ausgebildet ist, um als eine Metallisierungsmaske zu wirken, wobei in diesem Fall der lokalisierte Erwärmungsschritt sowohl die Dotierungspassivierungsschicht als auch die dielektrische Schicht zerstört. In diesem Fall kann eine der Schichten auch als eine reflexmindernde Schicht wirken, oder eine separate reflexmindernde Schicht kann vorgesehen sein.
  • Der erste Erwärmungsschritt wird mit Parametern durchgeführt, die ausgewählt sind, um einen Oberflächenbereichsdotierungsgrad im Bereich von 50 bis 800 Ohm Schichtwiderstand zu ergeben. Der zweite lokalisierte Erwärmungsschritt wird vorzugsweise mit einem Laser durchgeführt, um ein konzentriertes Erwärmen in einem kleinen gut definierten Bereich der Vorrichtung zu ermöglichen. Der Laser kann ein Dauerstrichlaser oder ein (gütegeschalteter) Impulslaser sein, aber in dem letzteren Fall ist der Laser allgemein defokussiert, um eine Ablation während des Erwärmungsschritts zu verhindern (oder zumindest zu minimieren), oder wird mit einer Wellenlänge betrieben, bei der Laserenergie nahe der Oberfläche des Substrats absorbiert wird.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben:
  • 1 zeigt einen Querschnitt durch eine teilweise hergestellte Solarzellenvorrichtung, die gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellt ist, und zwar nach einer ersten Phase des Herstellungsverfahrens;
  • 2 zeigt einen Querschnitt der Solarzellenvorrichtung aus 1 nach einer weiteren Verarbeitung;
  • 3 ist ein Querschnittsansicht durch die teilweise hergestellte Solarzellenvorrichtung aus 1 und 2 nach der Metallisierung;
  • 4 zeigt die zerstörte dielektrische Schicht in dem Kontaktbereich der Vorrichtung aus 1–3; und
  • 5 ist ein Querschnitt durch eine teilweise hergestellte Solarzelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um sowohl die vorderen als auch die hinteren Kontakte zu bilden.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
  • Unter Bezugnahme auf 1 ist bei den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die vordere Oberfläche 41 von einem Substrat 11 mit einem Dielektrikum oder mit einer Oberflächenmaskenschicht 12 bedeckt, die Dotierungsmittel enthält, das die entgegengesetzte Polarität bezüglich des Mittels hat, das bei der Oberfläche des Substratmaterials 11 verwendet wird. Jedoch ist die dielektrische Schicht oder Schichten 12 gewählt, um nicht nur als eine Diffusionsquelle zum Bilden des Emitters für das darunter liegende Substrat 11 zu wirken, wenn wärmebehandelt, sondern auch, um nachfolgend als Metallisierungsmaske zu wirken, und zwar während der nachfolgenden stromlosen Metallisierung mit Lösungen, wie zum Beispiel Nickel und Kupfer, und dann schließlich möglicherweise als eine reflexmindernde Schicht. Einige kommerziell verfügbar Spin-on-Diffusionsquellen können in einen geeigneteren Typ von Dielektrikum umgewandelt werden, und zwar durch geeignete Wärmebehandlungen, wie zum Beispiel bei Vorhandensein von Sauerstoff, um so die Beständigkeit gegenüber den stromlosen Metallisierungslösungen zu ver bessern, wobei aber gleichzeitig die Dotierungsmitteldiffusion in die Siliciumoberfläche erleichtert wird. Andere Dielektrika können ebenfalls verwendet werden, wie zum Beispiel Siliciumnitrit und Siliciumdioxid, die beide als geeignete Masken für die stromlosen Metallisierungslösungen wirken können, während sie gleichzeitig als geeignete Diffusionsquellen wirken, wenn sie geeignete Mengen der richtigen Dotierungsmittel enthalten. Mehrere Schichten aus Dielektrika oder andere Oberflächenschichten sind ebenfalls geeignet, wobei eine Schicht den überwiegenden Teil der Dotierungsmittel enthalten kann, während die zweite dielektrische Schicht eine geeignete Maskierung gegen die stromlosen Metallisierungslösungen zur Verfügung stellt. Nach dem Aufbringen der dielektrischen Schicht oder Schichten 12 auf die vordere Oberfläche 41 des Substrats 11 kann eine geeignete Wärmebehandlung verwendet werden, um den Oberflächenbereich 13 (siehe 2) leicht auf einen Schichtwiderstand im Bereich von vorzugsweise 100 bis 200 Ohm pro Quadrat zu diffundieren, aber akzeptierbar auch im Bereich von 50 Ohm pro Quadrat bis 800 Ohm pro Quadrat.
  • Ein Laser 14 wird nachfolgend verwendet, um das Silicium in lokalisierten Bereichen 15 (siehe 2) zu schmelzen, während gleichzeitig die Metallisierungsmaske 12 gemustert wird, wo der Metallkontakt gebildet wird. Durch den Laser 14 wird eine ausreichende Energie geliefert, um die Integrität des darüber liegenden Dotierungsmittels zu zerstören, das die dielektrische Schicht 12 beinhaltet (wie zum Beispiel durch Schmelzen von Bereichen des Dielektrikums oder Erzeugen von ausreichenden Turbulenzen in dem geschmolzenen Bereich, um das darüber liegende Dielektrikum zu beschädigen oder um eine ausreichende thermische Expansion in dem Silicium zu bewirken, um das darüber liegende Dielektrikum zu zerstören etc.). Vorausgesetzt, dass keine oder nur eine minimale Ablation des Siliciums 15 und des darüber liegenden Dielektrikums 12 stattfindet, werden die Dotierungsmittel noch in großen Mengen in das darunter liegende geschmolzene Silicium 15 freigegeben, mit dem Endergebnis, dass das Siliciummaterial in der Nähe des Laserstrahls in hohem Maße mit der gleichen Polarität wie der leicht diffundierte Emitter 13 dotiert wird. Vorausgesetzt, dass die Integrität oder Kontinuität des darüber liegenden Dielektrikums 12 zerstört ist, führt das nachfolgende stromlose Metallisieren zur Ausbildung eines Metallkontakts 19 (siehe 3), und zwar mit dem gleichen Muster wie durch den Laser 14 in einem selbstjustierenden Prozess gebildet wird. Das Konzept des Metallisierens über der Oberfläche 33 (siehe 4) des Dielektrikums 12, um eine Kontinuität in dem Metall zu erreichen, wurde von Green und Blakers in dem US-Patent Nr. 4,589,191 beschrieben. Es ist daher nicht erforderlich, dass das ganze Dielektrikum in den Bereichen 17, die für den Laser 14 freiliegen, entfernt oder sogar beschädigt werden muss, so dass die Bereiche 32, 33 durch das stromlose Metallisieren erreicht werden, um durchgehende Metalllinien 19 zu bilden (3), vorausgesetzt, dass sich diese Bereiche 33 nicht über ein von dem Laser verarbeitetes Gebiet über eine Länge entlang der vom Laser bearbeiteten Linie über mehr als 10 μm erstrecken. Im Beispiel von 4 ist das beschädigte Dielektrikum ausreichend unterbrochen, so dass das nachfolgende Metallisieren das vom Laser bearbeitete Gebiet überbrückt, wo das Dielektrikum verbleibt, um so eine Kontinuität in der Metallisierung beizubehalten.
  • Eine übermäßige Laserleistung führt zu der Ablation von wesentlichen Mengen des stark dotierten Siliciums und möglicherweise auch noch des darüber liegenden dielektrischen Materials. Das kann dazu führen, dass für eine gute Leistungsfähigkeit der Vorrichtung eine nicht ausreichende Menge des Dotierungsmittels in den Nutenwänden verbleibt. In dem anderen extremen Fall kann eine nicht ausreichende Laserleistung dazu führen, dass es nicht möglich ist, die stark dotierten Bereiche zu metallisieren, die durch das darüber liegende Dielektrikum geschützt bleiben, oder dass alternativ in unzureichendem Maße Dotierungsmittel in das Silicium eindringen, um die gute Leistungsfähigkeit der Vorrichtung zu unterstützen. Zwischen diesen Extremen gibt es große Bandbreiten von Laserzuständen, die verwendet werden können, um die Anforderungen dieser Erfindung zu erfüllen. Zum Beispiel kann ein Neodym YAG-Laser im Dauerstrich-Modus mit ausreichender Leistung verwendet werden, um den stark dotierten Bereich zu bilden, wie in 3 und 4 gezeigt ist, und zwar mit vernachlässigbarer Ablation des Siliciums, aber mit der gewünschten Beschädigung, die an dem darüber liegenden Dielektrikum 12 bewirkt wird. Ein weiteres Beispiel beinhaltet die Verwendung des gleichen Lasers in einem Q-geschalteten Modus, aber mit einem deutlich defokussierten Strahl, um auch hier eine beträchtliche Ablation des Siliciums zu vermeiden, wobei aber die anderen gewünschten Effekte noch erreicht werden. Ein drittes Beispiel ist die Verwendung eines Lasers mit einer kürzeren Wellenlänge, wie zum Beispiel ein Frequenz-verdoppelter Neodym YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 0,53 μm. Für diese Wellenlänge des Lasers wird das Licht nahe der Oberfläche des Siliciums schneller absorbiert, was es leichter macht, das Silicium gesteuert zu schmelzen, und zwar mit der gewünschten Turbulenz ohne Ablation des Siliciums, und zwar bei normalen Q-geschalteten Betriebsmodus. Zahlreiche andere Möglichkeiten zur Steuerung des Laserstrahls können ebenfalls verwendet werden, um zu den gewünschten Effekten zu führen, die die Anforderungen dieser Erfindung erfüllen.
  • Anschließend an die Laserbehandlung kann die Oberfläche der Vorrichtung direkt metallisiert werden, vorausgesetzt, die verwendete stromlose Metallisierungslösung kann dünne Oberflächenoxide tolerieren, die normalerweise während der Laserbehandlung gebildet werden. wenn eine Metallisierungslösung verwendet wird, die keine natürlichen Oberflächenoxide tolerieren kann, dann kann für eine kurze Zeitdauer eine verdünnte Fluorwasserstoffsäurelösung verwendet werden, um die dünnen Oberflächenoxide ohne wesentliche Beschädigungen des übrigen Dielektrikums zu entfernen, das die leicht diffundierten Emitterbereiche schützt. Möglichkeiten zur gemeinsamen stromlosen Metallisierung beinhalten eine erste dünne Schicht aus Nickel, die nachfolgend bei normalerweise 350–400 °C gesintert und mit stromlosen Kupfer auf die gewünschte Höhe metallisiert wird, wonach ein kurzes Eintauchen in einer "Tauch-Silber"-Lösung verwendet werden kann, um eine dünne Silber-Abdeckschicht über dem Kupfer auszubilden, um eine zukünftige Oxidation und ein mögliches Zusammenwirken mit den eingekapselten Materialien zu verhindern und den Metallkontakt besser lötbar zu machen.
  • Die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte können durch das Einbinden von zusätzlichen Prozessen für weitere Zwecke unterbrochen werden, wie zum Beispiel die Ausbildung des hinteren Metallkontakts. Beispielsweise kann der hintere Metallkontakt an der hinteren Fläche 42 mit Hilfe einer Anzahl von verschiedenen möglicher Techniken ausgebildet werden und kann unmittelbar anschließend an die leichte Emitterdiffusion oder irgendwo anschließend an die Laserbehandlung stattfinden. Eine weitere Möglichkeit wäre, eine hintere Aluminiumschicht aufzubringen, wenn ein p-Typ-Substrat verwendet wird, und zwar in der Nähe des Anfangs von dem Prozess, so dass der hintere Metallkontakt während der Ausbildung des leicht diffundierten Emitters gesintert wird.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind sowohl bei planaren als auch bei rauen Flächen anwendbar, wie zum Beispiel jene, die texturiert oder bearbeitet sind, obwohl es sein kann, dass die Laserparameter leicht nachgestellt werden müssen, wenn der Laserstrahl über zwei Oberflächentypen streift. Wenn beispielsweise die Laserbetriebsbedingungen für gute Ergebnisse mit einer planaren Fläche eingestellt sind, wenn ein defokussierter Strahl verwendet wird, muss die Leistung leicht reduziert werden, um bei einer texturierten Fläche vergleichbare Ergebnisse zu erreichen, und zwar infolge der wirksameren Kopplung der Laserenergie in die texturierte Siliciumoberfläche. Die texturierten Flächen koppeln außerdem einen Teil des Laserlichts in das Silicium, mit dem Ergebnis, dass das mit dem Laser bearbeitete n++ Silicium üblicherweise Linien bildet, die etwas breiter sind als jene in dem planaren Fall. Bei Verwendung von Neodym YAG Standard-Lasern mit einer Wellenlänge von 1,06 μm liegen Linienbreiten bei Verwendung von defokussierten Strahlen üblicherweise in dem Bereich von 30–80 μm, während für einen fokussierten Strahl, der mit der Dauerstrich-Betriebsmodus verwendet werden kann, Linienbreiten in dem Bereich von 10–25 μm bei texturierten Flächen resultieren, was wieder zu etwas breiteren Linien führt als bei entsprechenden planaren Oberflächentypen. Aufgeraute Oberflächen haben außerdem den Vorteil, dass dann, wenn sie schmelzen, sie zu sehr viel größeren Veränderungen in der Oberflächenreflexion führen, was es leichter macht, sie zu erfassen.
  • Beispiele der Implementierung der Erfindung
  • Nachfolgend werden zwei Herstellungsprozesse beschrieben, die typische Beispiele sind, wie die obige Erfindung bezüglich einer Solarzelle eingesetzt werden kann.
  • Beispiel 1
    • 1.1 Ätzen zum Entfernen von Sägeschäden und anisotropes Texturieren in verdünntem Natriumhydroxid bei etwa 90 °C;
    • 1.2 Anwenden einer Phosphor-Spin-on-Diffusionsquelle plus Trocknen;
    • 1.3 schnelles thermisches Glühen der oberen Oberfläche des Wafers, um einen leicht diffundierten Emitter zu bilden, vorzugsweise in dem Bereich von 80–200 Ohm pro Quadrat;
    • 1.4 Aufbringen des hinteren Metallkontakts, zum Beispiel durch Vakuum-Evaporation oder Siebdrucken von Aluminium oder Silber mit geringer Aluminiumkonzentration; Trockenen falls erforderlich;
    • 1.5 rückseitiges Metallsintern, wie zum Beispiel bei 820 °C in einer Sauerstoff/Stickstoff-Umgebung für einen siebgedruckten Kontakt, um so gleichzeitig die Metallpaste zu erhitzen, während das Dielektrikum auf der oberen Ober fläche oxidiert wird, um deren Beständigkeit bezüglich der Metallisierungslösungen zu erhöhen;
    • 1.6 Laserverarbeitung, um die dielektrische Schicht mit Mustern zu versehen, während gleichzeitig das darunter liegende Silicium geschmolzen wird, um den n++-Bereich zu bilden;
    • 1.7 kurze Behandlung mit verdünnter Flourwasserstoffsäure, um die Metallisierungsfläche vorzubereiten, stromloses Metallisieren mit Nickel bei etwa 90 °C für 5 Minuten;
    • 1.8 Sintern des Nickels in dem Bereich von 350°C – 450°C in einer reaktionsträgen Atmosphäre, wie zum Beispiel Stickstoff, Argon oder Formiergas;
    • 1.9 Metallisieren mit Nickel für weitere 2 Minuten vor einer längeren stromlosen Metallisierung mit Kupfer bei etwa 50°C, bis die gewünschte Dicke des Kupfers erreicht ist;
    • 1.10 Aufbringen von Silber auf die Kupferfläche durch "blitzartiges" Eintauchen;
    • 1.11 Kantenverbindungsisolierung, wie zum Beispiel durch Ausbilden von Nuten mit Hilfe eines Lasers, Kantenteilung oder Plasmaätzen oder keine Kantenisolierung insgesamt, falls nicht erforderlich.
  • Bei einigen Implementierungen des obigen Prozesses kann ein zusätzlicher Oxidentfernungsschritt von der Oberfläche des hinteren Metalls vor dem Metallisieren erforderlich sein, und zwar abhängig von dem Typ des verwendeten Metalls und von den Oxidationsbedingungen während des Sinterns. Beispielsweise bildet siebgedrucktes Aluminium nach dem Erhitzen in einer Sauerstoffumgebung eine sehr dicke oxidierte Schicht, die eine spezielle Behandlung erforderlich macht, um entfernt zu werden, wie in der Literatur dokumentiert.
  • Beispiel 2
    • 2.1 Ätzen zum Entfernen von Sägeschäden und anisotropes Texturieren in verdünntem Natriumhydroxid bei etwa 90°C;
    • 2.1 Aufbringen einer Diffusionsquelle als ein Oberflächendielektrikum;
    • 2.3 Bilden eines leicht diffundierten Emitters durch Erhitzen bei etwa 800°C für 20 Minuten, abhängig von dem verwendeten Typ des Dielektrikums;
    • 2.4 Stapeln von Wafern zur Kantenverbindungsisolierung durch Plasmaätzen;
    • 2.5 Aufbringung einer zweiten dielektrischen Schicht auf die Oberseite der Diffusionsquelle, um ein nachfolgendes Maskieren für die stromlosen Metallisierungslösungen und eine reflexmindernde Beschichtung bereitzustellen. Beispiele von einem solchen Dielektrikum wäre atmosphärisches CVD von Titandioxid oder sonst CVD mit geringem Druck von Siliciumnitrit, oder alternativ kann die erste Aufbringung von Dielektrikum vor der Bildung des leicht diffundierten Emitters auch Siliciumnitrit sein, das bereits Phosphor-Dotierungsmittel enthält, um die Aufbringung von zwei separaten dielektrischen Schichten zu vermeiden;
    • 2.6 Siebdrucken des hinteren Metallkontakts, wie zum Beispiel mit Aluminium dotierte Silberpaste, und Trocknen;
    • 2.7 Erhitzen des hinteren Metallkontakts, wie zum Beispiel in einem Infrarotofen bei 780°C für etwa 2 Minuten;
    • 2.8 Durchführen einer Laserverarbeitung, äquivalent zu Schritt 1.6 in Beispiel 1;
    • 2.9 stromloses Metallisieren der vorderen und hinteren Metallkontakte wie durch Schritt 1.8 bis 1.10 aus Beispiel 1.
  • Einige Variationen bezüglich der obigen einzelnen Prozesse können verwendet werden, wie zum Beispiel das Aufbringen des Metallkontaktes vor der Ausbildung des Emitters, so dass beide Prozesse gleichzeitig in einem einzigen thermischen Prozess ausgeführt werden können. Ein weiteres Beispiel wäre die Einfügung eines Oxidationsprozesses als Teil von Schritt 2.3, um das vorhandene Dielektrikum in ein solches umzuwandeln, das in der Lage ist, als eine Metallisierungsmaske zu wirken. Dies würde möglicherweise die Notwendigkeit eines zweiten Dielektrikums in Schritt 2.5 überflüssig machen.
  • Die resultierende Leistungsfähigkeit der Vorrichtung fällt leicht hinter die der Solarzelle mit gebrannten Kontakten zurück, wenn das Metallisierungsmuster für maximale Leistungsfähigkeit optimiert ist. Die etwas höheren Verluste resultieren primär aus den erhöhten Widerstandsverlusten, die aus dem schlechteren Längenverhältnis für die Metallisierung resultieren. Jedoch werden für die meisten kommerziellen Solarzellen Verbindungsdrähte über die gesamte Länge der Zelle verwendet, wodurch die Länge der Metallgreifer minimiert wird, die erforderlich sind, um Strom von den Kanten der Zelle zu den Zwischenkontakten zu leiten. Durch diesen Lösungsansatz wird der Vorteil der Solarzelle mit gebrannten Kontakten minimiert, wobei die vorliegende Erfindung geeignet ist, um virtuell die gleiche Leistungsfähigkeit an dem Zonenmaterial zu erreichen. Auf dem thermisch empfindlichen Material, das viele Typen von kommerziellen Substraten enthält, hat diese Erfindung Vorteile gegenüber herkömmlichen Solarzellen mit gebrannten Kontakten, indem das Aussetzen des Wafers bei hohen Temperaturen minimiert und außerdem die Zeitdauer reduziert wird, die für die thermischen Prozesse erforderlich ist. Daher kann bei dieser Erfindung eine höhere Leistungsfähigkeit erwartet werden, und zwar bei einigen kommerziellen Substraten, verglichen mit der Solarzelle mit gebrannten Kontakten.
  • In dem vorstehend angegebenen Beispiel wurde die Erfindung auf die Licht empfangende Fläche 41 angewendet, sie kann aber ebenfalls auf die Rückseite 42 angewendet werden, und zwar unter Verwendung von Dotierungsmittels mit entgegengesetzten Polarität in dem Dielektrikum. Durch die Anwendung der Erfindung an beiden Oberflächen 41, 42 wird eine Solarzelle mit zwei Flächen mit hoher Leistungsfähigkeit hergestellt, wie in 5 gezeigt, bei der eine zweite dielektrische Schicht 21 an der Rückseite des Halbleitermaterials 11 ausgebildet ist, wobei das dielektrische Material 21 mit den gleichen Dotierungsmitteltyp dotiert ist, wie der Körper des Halbleitermaterials 11. Ein zusätzlicher Lasererhitzungsschritt wird dann verwendet, um einen stark dotierten Bereich 23 zu erzeugen, der das Verbinden des Bulk-Bereichs des Halbleitermaterials 11 erleichtert. Eine Metallisierung 24 wird dann über dem stark dotierten Bereich zugefügt, wie mit der Metallisierung 19 der oberen Fläche. Die entsprechende Verarbeitungssequenz kann besonders einfach sein, wie zum Beispiel:
  • Beispiel 3
    • 3.1 Ätzen zum Entfernen von Sägeschäden und anisotropes Texturieren in verdünntem Natriumhydroxid bei etwa 90°C;
    • 3.2 Aufbringen von Dielektrikum, das n-Typ-Dotierungsmittel enthält, auf die Rückseite;
    • 3.3 Aufbringen von Dielektrikum, das p-Typ-Dotierungsmittel enthält, auf die Rückseite;
    • 3.4 thermisches Behandeln, um den n-Typ-Emitter und einen p-Typ-Rückseiten-Bereich entlang der Rückseite leicht zu diffundieren. Falls erforderlich, beinhaltet der thermische Prozess das Behandeln des Dielektrikums, wie zum Beispiel durch Oxidation, um ein geeignete Beständigkeit gegen Metallisierungslösungen zu erreichen;
    • 3.5 Laserverarbeitung und Ausbilden von Mustern an dem vorderen Dielektrikum;
    • 3.6 Laserverarbeitung des hinteren Dielektrikums;
    • 3.7 gleichzeitiges stromloses Metallisieren des vorderen und hinteren Metallkontakts.
  • Für den Fachmann ist offensichtlich, dass zahlreiche Abwandlungen und/oder Modifikationen bezüglich der Erfindung durchgeführt werden können, wie in den speziellen Ausführungsbeispielen gezeigt, ohne von dem Grundgedanken oder dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, der breit beschrieben ist. Die vorliegenden Ausführungsbeispiele sollen daher bezüglich aller Aspekte als darstellend und nicht als einschränkend betrachtet werden.

Claims (18)

  1. Selbstjustierendes Verfahren zur Ausbildung einer Kontaktmetallisierung in einer Solarzelle, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) auf einer Oberfläche (41) eines Halbleitersubstrats (11) eines ersten Dotierungsmitteltyps erfolgendes Ausbilden einer durchgehenden Schicht aus Dotierungsquellenmaterial (12) eines zweiten Dotierungsmitteltyps mit einer Dotierungsmittelpolarität, die der des ersten Dotierungsmitteltyps entgegengesetzt ist; b) thermisches Behandeln des Dotierungsquellenmaterials (12) und der Halbleiteroberfläche (41), die das Dotierungsquellenmaterial trägt, wodurch ein Oberflächenbereich (13) des zweiten Dotierungsmitteltyps im Halbleitermaterial (11) ausgebildet wird, wobei der erste und der zweite dotierte Halbleitertyp einen pn-Übergang unter der Oberfläche (41) des Halbleitersubstrats (11) ausbilden; c) lokales Erwärmen des Dotierungsquellenmaterials (12) und der darunter liegenden Halbleiteroberfläche (41), um ein Schmelzen (15) des Oberflächenbereichs (13) in Zonen (18) zu bewirken, wo Metallisierung (19) erforderlich ist, um Kontakt zum Oberflächenbereich (13) herzustellen, wodurch die geschmolzenen Zonen (15) des Halbleiteroberflächenbereichs (13) vom Dotierungsquellenmaterial (12) stärker dotiert werden und das darüber liegende Dotierungsquellenmaterial (12) zerstört wird, um die stärker dotierten Oberflächenzonen (18) freizulegen; d) Ausbilden einer Metallisierung (19) auf den stark dotierten Oberflächenzonen (18), so dass eine Verbindung des Oberflächenbereichs (13) des Halbleitermaterials (11) durch die Zerstörung (32) in der Schicht aus Dotierungsquellenmaterial mit den stark dotierten Oberflächenzonen (18) hergestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Dotierungsquellenmaterial (12) gewählt wird, um als reflexmindernde Beschichtung zu wirken.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schicht aus Dotierungsquellenmaterial (12) eine einzelne Schicht aus dielektrischem Material ist, die eine Dotierungsquelle trägt, wodurch das dielektrische Material als eine Dotierungsquelle, als eine Passivierungsschicht und als eine Metallisierungsmaske wirkt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schicht aus Dotierungsquellenmaterial (12) eine einzelne Schicht aus dielektrischem Material ist, die eine Dotierungsquelle trägt, wodurch das dielektrische Material als eine Dotierungsquelle, als eine Oberflächenpassivierungsschicht und als eine Metallisierungsmaske wirkt.
  5. verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schicht aus Dotierungsquellenmaterial (12) eine einzelne Schicht aus dielektrischem Material ist, die eine Dotierungsquelle trägt, wodurch das dielektrische Material als eine Dotierungsquelle und als eine Metallisierungsmaske wirkt, und das Verfahren einen weiteren Schritt aufweist: Modifizieren der Schicht aus Dotierungsquellenmaterial in situ, um eine Oberflächenpassivierungsschicht auszubilden.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren einen weiteren Schritt aufweist: Ausbilden einer getrennten Metallisierungsmaske auf der Schicht aus Dotierungsquellenmaterial (12).
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Schicht aus Dotierungsquellenmaterial (12) eine einzelne Schicht aus dielektrischem Material ist, die eine Dotierungsquelle trägt, wodurch das dielektrische Material als eine Dotierungsquelle und als eine Oberflächenpassivierungsschicht wirkt.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verfahren einen weiteren Schritt aufweist: Modifizieren einer Schicht aus Dotierungsquellenmaterial (12) in situ, um eine Passivierungsschicht auszubilden.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei die Schicht aus Dotierungsquellenmaterial (12) mit einer auf ihr ausgebildeten dielektrischen Schicht versehen ist, um als eine Metallisierungsmaske zu wirken, und der lokalisierte Erwärmungsschritt sowohl die Schicht aus Dotierungsquellenmaterial (12) als auch die dielektrische Schicht zerstört.
  10. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, 8 oder 9, wobei entweder die Schicht aus Dotierungsquellenmaterial (12) oder die Metallisierungsmaskenschicht auch gewählt ist, um als eine reflexmindernde Schicht zu wirken.
  11. Verfahren nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, wobei eine getrennte reflexmindernde Schicht zusätzlich zu der Schicht aus Dotierungsquellenmaterial (12) und der Metallisierungsmaske vorgesehen ist.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Erwärmungsschritt mit Parametern durchgeführt wird, die gewählt sind, um einen Oberflächenbereichsdotierungsgrad im Bereich von 50 bis 800 Ohm Schichtwiderstand zu ergeben.
  13. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der erste Erwärmungsschritt mit Parametern durchgeführt wird, die gewählt sind, um einen Oberflächenbereichsdotierungsgrad im Bereich von 80 bis 200 Ohm Schichtwiderstand zu ergeben.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite lokalisierte Erwärmungsschritt durchgeführt wird, indem ein Strahl eines Lasers (14) über die Fläche des Bauelements, wo eine Metallisierung (19) aufzubringen ist, geführt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Laser ein Dauerstrichlaser ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Laser ein (gütegeschalteter) Impulslaser ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Laser defokussiert ist, um eine übermäßige Ablation während des Erwärmungsschritts zu verhindern.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Laser mit einer Wellenlänge betrieben wird, bei der Laserenergie nahe der Oberfläche des Substrats absorbiert wird, um eine übermäßige Ablation während des Erwärmungsschritts zu verhindern.
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