EP1987548A1 - Halbleiterbauelement und verfahren zu dessen herstellung sowie dessen verwendung - Google Patents

Halbleiterbauelement und verfahren zu dessen herstellung sowie dessen verwendung

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EP1987548A1
EP1987548A1 EP07711548A EP07711548A EP1987548A1 EP 1987548 A1 EP1987548 A1 EP 1987548A1 EP 07711548 A EP07711548 A EP 07711548A EP 07711548 A EP07711548 A EP 07711548A EP 1987548 A1 EP1987548 A1 EP 1987548A1
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EP
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silicon
layer
semiconductor component
masking layer
aluminum
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EP07711548A
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Oliver Schultz
Marc Hofmann
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/40—Optical elements or arrangements
    • H10F77/42—Optical elements or arrangements directly associated or integrated with photovoltaic cells, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10F77/48—Back surface reflectors [BSR]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor component of a silicon wafer having at least one optically mirrored surface, in which by applying the method according to the invention in a simple way mirroring can be produced with a high reflection value.
  • the efficiency of solar cells it is crucial, on the one hand to increase the efficiency, on the other hand to reduce the thickness of the wafer.
  • the development of the back of the solar cell is crucial, since particularly high demands are placed on optical and electrical properties.
  • the optics the highest possible internal reflectivity is sought, so that light which has penetrated from the front into the wafer and has not yet been absorbed is applied to the cell surface. can be reflected back and so is a new way to absorb the light in the silicon.
  • the electrical properties can be achieved particularly well by using a dielectric passivation layer.
  • dielectric passivation layers which are usually made of silicon oxide, have a refractive index that is very different from that of silicon, which provides advantages in the internal reflection of the light in the solar cell.
  • the internal reflectivity is then further increased by an additionally deposited metallic layer, usually of aluminum.
  • a method for producing a semiconductor component with at least one optically mirrored surface is provided. This method is based on the fact that a silicon wafer having on at least one of its surfaces at least partially an etchable dielectric layer, with a marking layer of amorphous silicon or a silicon-containing layer having a silicon content of at least 60 wt .-% for shielding against fluidic media is provided, wherein the masking layer is deposited on the dielectric layer. An aluminum layer is then deposited on the masking layer. In a further step, then a thermal treatment of the layer system, wherein there is a dissolution of the silicon in the aluminum.
  • an efficient masking of selected areas against the grip fluidic etching media such as by hydrofluoric acid allows. This is because amorphous silicon or silicon-rich layers have high resistance to hydrofluoric acid.
  • the masking layer consists of amorphous silicon, which has a particularly high resistance to hydrofluoric acid.
  • a further preferred variant provides that the masking layer consists of silicon nitride.
  • the silicon content is preferably at least 60% by weight, particularly preferably at least 70% by weight.
  • the deposition of the masking layer it is possible to use all methods known from the prior art, plasma-enhanced chemical vapor deposition being preferred.
  • amorphous silicon preference is given to using silane (SiH 4 ) and optionally hydrogen (H 2 ) as starting materials.
  • the vapor deposition is preferably carried out at a pressure of 20 to 280 Pa, in particular 30 to 75 Pa.
  • the temperature is preferably in the range of 20 to 400 0 C, in particular 200 to 300 0 C.
  • the deposition of the masking layer can also be effected by means of sputtering.
  • a material selected from the group consisting of silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide and aluminum oxide is preferably used for the passivation layer.
  • a thermal treatment is carried out at temperatures in the range of preferably 150 to 950 0 C and more preferably from 300 to 550 0 C. The temperature selection is determined over the time window, so that a short thermal treatment at a higher temperature to the same Result as a longer treatment at low temperature leads. This described temperature treatment leads to a dissolution process of the silicon in the aluminum.
  • the resulting layer of aluminum and silicon has very high reflectance values.
  • the masking layer after the masking layer has been deposited, it can be patterned by means of laser ablation so that the masking layer can be used as a local etching mask.
  • a semiconductor component made of a silicon wafer with at least one optically mirrored surface is likewise provided.
  • the silicon wafer has a dielectric passivation layer on the at least one optically mirrored surface.
  • the semiconductor components according to the invention have comparably high reflection values compared with the systems known from the prior art from a wafer with a silicon oxide layer deposited thereon.
  • the semiconductor components according to the invention preferably have a reflection value in the range of> 90 % on. This simultaneously leads to an efficiency of the solar cell according to the invention of at least 18%.
  • the semiconductor device according to the invention has been produced by the method described above.
  • the process according to the invention is used in particular in the production of solar cells.
  • the FIGURE shows a reflection measurement on a semiconductor component according to the invention, with a silicon wafer (250 ⁇ m thickness), a passivation layer of silicon oxide (100 nm thickness), a masking layer of amorphous silicon (50 nm thickness) and an aluminum layer (2 ⁇ m thickness). This is contrasted with reflection measurements on a system known from the prior art which has no masking layer.
  • a layer with a much lower refractive index than that of silicon was preferably silicon oxide, for example produced by thermal oxidation or deposited by known coating methods.
  • thermal oxides which were produced in the tube furnace at temperatures between 800 and 1050 0 C by heating the wafer in an oxygen-containing atmosphere.
  • Deposed Oxi were prepared from nitrous oxide (N 2 O) and silane (SiH 4 ) in plasma assisted chemical vapor deposition in a parallel plate reactor.
  • the refractive index of the dielectric layer was n ⁇ 1.45 (measured at 630 nm and RT).
  • silicon oxide aluminum was vapor-deposited and a good mirror was formed.
  • the amorphous silicon was then dissolved by thermal treatment in the aluminum layer.
  • the amorphous silicon was produced from silane (SiH 4 ) and hydrogen (H 2 ) by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) in a pressure range of 30 to 75 Pa at temperatures of 200 to 300 0 C.
  • the radiation output emerging again on the front side of the semiconductor component according to the invention was measured and set in relation to the radiated power, resulting in the reflection value.
  • the reflectance value before the thermal treatment at 1200 nm is about 75%.
  • the silicon dissolves in the aluminum and the reflection rises above 90%, as is the case even without the amorphous silicon in this layer system (see figure).

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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit mindestens einer optisch verspiegelten Oberfläche, bei dem ein Silicium- wafer, der an zumindest einer seiner Oberflächen zumindest bereichsweise eine ätzbare dielektrische Schicht aufweist, mit einer siliciumhaltigen Maskierungsschicht zur Abschirmung gegenüber fluidischen Medien versehen wird. Auf der Maskierungsschicht wird zusätzlich eine Schicht aus Aluminium abgeschieden und anschließend eine thermische Behandlung des Halbleiterbauelementes vorgenommen, wobei es zur Auflösung des Siliciums im Aluminium kommt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Halbleiterbauelement aus einem Siliciumwaf er mit mindestens einer optisch verspiegelten Oberfläche. Verwendung finden derartige Halbleiterbauelemente insbesondere als Solarzellen.

Description

Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung sowie dessen Verwendung
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement aus einem Siliciumwafer mit mindestens einer optisch verspiegelten Oberfläche, bei dem durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einfache Weise Ver- spiegelungen mit hohem Reflexionswert hergestellt werden können .
Für die Wirtschaftlichkeit von Solarzellen ist es entscheidend, zum einen den Wirkungsgrad zu erhöhen, zum anderen die Dicke des Wafers zu reduzieren. Hierfür ist die Entwicklung der Rückseite der Solarzelle entscheidend, da hier besonders hohe Anforderungen an optische wie elektrische Eigenschaften gestellt werden. Hinsichtlich der Optik wird eine möglichst hohe interne Reflektivität angestrebt, sodass Licht, welches von der Vorderseite in den Wafer eingedrungen ist und noch nicht absorbiert wurde, an der Zellen- rückseite reflektiert werden kann und so eine erneute Möglichkeit zur Absorption des Lichts im Silicium besteht. Die elektrischen Eigenschaften hingegen lassen sich besonders gut durch Verwendung einer dielektri- sehen Passivierungsschicht erreichen. Derartige dielektrische Passivierungsschichten, die in der Regel aus Siliciumoxid bestehen, weisen einen Brechungsindex auf, der sich stark von dem des Siliciums unterscheidet, was Vorteile bei der internen Reflexion des Lichts in der Solarzelle mit sich bringt.
Die interne Reflektivität wird dann durch eine zusätzlich abgeschiedene metallische Schicht, in der Regel aus Aluminium, weiter erhöht.
Derartige Systeme bringen jedoch bei der Herstellung einige Probleme mit sich, da eine Bearbeitung der Si- liciumscheibe, welche auf mindestens einer Seite Siliciumoxid aufweist, mit Flusssäure nicht möglich bzw. schwer möglich ist, ohne das Siliciumoxid anzuätzen.
Aus dem Stand der Technik sind hierzu bislang Lösungsansätze bekannt, die das Aufbringen einer Lack- schicht vorsehen, durch die das Siliciumoxid zumindest bereichsweise vor der Flusssäure geschützt wird. Derartige Lösungsansätze bringen jedoch den Nachteil mit sich, dass eine solche Lackschicht entfernt werden muss, was mit einem zusätzlichen Prozessaufwand verbunden ist (J. Knobloch et al . „High-efficiency
Solar Cells From FZ, CZ and MC Silicon Material", Proceedings of the 23rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, S. 271-276, Louisville, Kentucky, USA, 1993 und O. Schultz et al . , "Silicon Oxide/Silicon Nitride Stack System for 20 % Efficient Silicon Solar Cells", 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conferen- ce, Florida, USA, 2005) .
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Herstellung derartiger Halbleiterbauelemente in einer vereinfachten Prozesskette ermöglicht wird. Gleichzeitig sollte aber auch eine hohe interne Reflektivi- tät der so hergestellten Solarzellen sichergestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. In Anspruch 19 ist eine erfindungsgemäße Verwendung ange- geben. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit mindestens einer op- tisch verspiegelten Oberfläche bereitgestellt. Dieses Verfahren basiert darauf, dass ein Siliciumwafer, der an zumindest einer seiner Oberflächen zumindest bereichsweise eine ätzbare dielektrische Schicht aufweist, mit einer Markierungsschicht aus amorphem Si- licium oder einer Silicium-haltigen Schicht mit einem Siliciumgehalt von mindestens 60 Gew.-% zur Abschirmung gegenüber fluidischen Medien versehen wird, wobei die Maskierungsschicht auf der dielektrischen Schicht abgeschieden wird. Auf der Maskierungsschicht wird anschließend eine Aluminiumschicht abgeschieden. In einem weiteren Schritt erfolgt dann eine thermische Behandlung des Schichtsystems, wobei es zu einer Auflösung des Siliciums im Aluminium kommt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine effiziente Maskierung ausgewählter Bereiche gegen den An- griff fluidischer Ätzmedien, wie z.B. durch Flusssäure, ermöglicht. Dies ist darauf zurückzuführen, dass amorphes Silicium oder siliciumreiche Schichten eine hohe Resistenz gegenüber Flusssäure besitzen.
Eine bevorzugte Variante sieht vor, dass die Maskierungsschicht aus amorphem Silicium besteht, das eine besonders hohe Resistenz gegenüber Flusssäure aufweist. Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass die Maskierungsschicht aus Siliciumnitrid besteht. Der Siliciumgehalt beträgt dabei bevorzugt mindestens 60 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 70 Gew. -%.
Hinsichtlich der Abscheidung der Maskierungsschicht sind alle aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren einsetzbar, wobei eine plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung bevorzugt wird. Für die Abscheidung von amorphem Silicium können hier als Aus- gangsstoffe bevorzugt Silan (SiH4) und gegebenenfalls Wasserstoff (H2) eingesetzt. Die Gasphasenabscheidung erfolgt vorzugsweise bei einem Druck von 20 bis 280 Pa, insbesondere 30 bis 75 Pa. Die Temperatur liegt vorzugsweise im Bereich von 20 bis 400 0C, ins- besondere 200 bis 300 0C.
Die Abscheidung der Maskierungsschicht kann in einer weiteren bevorzugten Variante auch mittels Sputter- verfahren erfolgen.
Für die Passivierungsschicht wird vorzugsweise ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si- liciumoxid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid und Aluminiumoxid eingesetzt. Nach Abscheiden der einzelnen Schichten erfolgt eine thermische Behandlung bei Temperaturen im Bereich von bevorzugt 150 bis 950 0C und besonders bevorzugt von 300 bis 550 0C. Die Temperaturwahl wird dabei über das Zeitfenster bestimmt, sodass eine kurze thermische Behandlung bei höherer Temperatur zu dem gleichen Ergebnis wie eine längere Behandlung bei niedriger Temperatur führt. Durch diese beschriebene Temperaturbehandlung kommt es zu einem Auflösungsprozess des Siliciums im Aluminium. Die sich dabei bildende Schicht aus Aluminium und Silicium weist sehr hohe Reflexionswerte auf.
In einer weiteren bevorzugten Variante des erfin- dungsgemäßen Verfahrens kann nach Abscheiden der Maskierungsschicht diese mittels Laserablation strukturiert werden, sodass die Maskierungsschicht als lokale Ätzmaske eingesetzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Halbleiterbauelement aus einem Siliciumwafer mit mindestens einer optisch verspiegelten Oberfläche bereitgestellt. Der Siliciumwafer weist dabei an der mindestens einen optischen verspiegelten Oberfläche eine dielektrische Passivie- rungsschicht auf. Auf der Passivierungsschicht ist weiterhin eine Aluminium und Silicium enthaltende Verspiegelungsschicht aufgebracht, die durch eine thermische Behandlung erzeugt wurde.
Überraschenderweise konnte gezeigt werden, dass die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen aus einem Wafer mit darauf abgeschiedener Siliciumoxid- schicht vergleichbar hohe Reflexionswerte aufweisen. So weisen die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente vorzugsweise einen Reflexionswert im Bereich von > 90 % auf. Dies führt gleichzeitig zu einem Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Solarzelle von mindestens 18 %.
Dabei ist es bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt wurde.
Verwendung findet das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei der Herstellung von Solarzellen.
Anhand des nachfolgenden Beispiels und der Figur soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigte spezielle Ausführungsform einschränken zu wollen.
Die Figur zeigt eine Reflexionsmessung an einem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement, mit einer SiIi- ciumscheibe (250 μm Dicke) , einer Passivierungs- schicht aus Siliciumoxid (100 nm Dicke) , einer Mas- kierungsschicht aus amorphem Silicium (50 nm Dicke) und einer Aluminiumschicht (2 μm Dicke) . Dem gegenübergestellt werden Reflexionsmessungen an einem aus dem Stand der Technik bekannten System, das keine Maskierungsschicht aufweist .
Beispiel
Auf der Rückseite einer Solarzelle befand sich eine Schicht mit einem deutlich geringeren Brechungsindex als der von Silicium. Bevorzugt handelt es sich hierbei um Siliciumoxid, z.B. durch thermische Oxidation erzeugt oder durch bekannte Beschichtungsverfahren abgeschieden wurde. Untersucht wurden thermische Oxide, die im Rohrofen bei Temperaturen zwischen 800 und 1050 0C durch Erhitzen des Wafers in sauerstoffhaltiger Atmosphäre hergestellt wurden. Abgeschiedene Oxi- de wurden aus Lachgas (N2O) und Silan (SiH4) in plas- maunterstützer chemischer Gasphasenabscheidung in einem Parallelplattenreaktor hergestellt. Die Temperaturen variierten im Bereich von 250 und 350 0C, wobei der Druck etwa 1000 mTorr betrug. Der Brechungsindex der dielektrischen Schicht lag bei n « 1.45 (gemessen bei 630 nm und RT) . Je größer die Unterschiede im Brechungsindex zwischen Silicium (n « 3.6), gemessen bei 630 nm und RT, und der dielektrischen Schicht, desto besser für die interne Verspiegelung . Auf diese Schicht, nennen wir es Siliciumoxid, wurde Aluminium aufgedampft und es entstand ein guter Spiegel. Das amorphe Silicium wurde dann durch thermische Behandlung in der Aluminiumschicht aufgelöst . Das amorphe Silicium wurde dabei aus Silan (SiH4) und Wasserstoff (H2) durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) in einem Druckbereich von 30 bis 75 Pa bei Temperaturen von 200 bis 300 0C hergestellt.
Die auf der Vorderseite des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes wieder austretende Strahlungsleistung wurde gemessen und mit der eingestrahlten Leistung ins Verhältnis gesetzt, hieraus ergibt sich der Reflexionswert. Bei einem Schichtsystem mit amorphem Silicium ist der Reflexionswert vor der thermischen Behandlung bei 1200 nm bei ca. 75 %. Durch das Aufheizen der Solarzelle für 10 min. bei 400 0C löst sich das Silicium im Aluminium und die Reflexion steigt auf über 90 %, so wie es auch ohne das amorphe Silicium bei diesem Schichtsystem der Fall ist (s . Figur) .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbau- elements mit mindestens einer optisch verspiegelten Oberfläche, bei dem ein Siliciumwafer, der an zumindest einer seiner Oberflächen zumindest bereichsweise eine ätzbare dielektrische Schicht aufweist, bereitgestellt wird, anschlie- ßend auf der Schicht eine siliciumhaltige Maskierungsschicht mit einem Siliciumgehalt von mindestens 60 Gew.-% zur Abschirmung gegenüber fluidischen Medien und auf der Maskierungs- schicht eine Schicht aus Aluminium abgeschieden wird sowie durch eine thermische Behandlung eine
Auflösung des Siliciums im Aluminium erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungsschicht gegen Flusssäure resistent ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungs- schicht aus amorphem Silicium besteht.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che,
dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungsschicht aus Siliciumnitrid besteht.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass das Siliciumnitrid einen Silicumgehalt von mindestens 60 Gew.-%, insbesondere mindestens 70 Gew.-% aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungs- schicht mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung abgeschieden wird.
7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsstoff Silan und gegebenenfalls Wasserstoff verwendet werden .
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gasphasenabscheidung bei einem Druck von 20 bis 280 Pa, insbesondere von 30 bis 75 Pa erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gasphasenabscheidung bei einer Temperatur von 20 bis 400 0C, insbesondere von 200 bis 300 0C erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungsschicht mittels Sputterverfahren abgeschieden wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische
. Schicht ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siliciumoxid, Sliliciumnitrid, Sliliciumcar- bid und Aluminiumoxid.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung bei Temperaturen im Bereich von 150 bis 950 0C, insbesondere von 300 bis 550 0C durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, dass nach Abscheiden der Maskierungsschicht diese mittels Laserablation strukturiert wird.
14. Halbleiterbauelement aus einem Siliciumwafer mit mindestens einer optisch verspiegelten Oberfläche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Siliciumwafer an der mindestens einen optisch verspiegelten Oberfläche eine dielektrische Schicht und eine durch thermische Behandlung erzeugte Aluminium und Silicium enthaltenden Verspiegelungsschicht aufweist.
15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siliciumoxid, Sliliciumnitrid, Sliliciumcar- bid und Aluminiumoxid.
16. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet, dass die verspiegelte Oberfläche des Halbleiterbauelements einen Reflexionswert im Bereich von größer 90 % auf- weist.
17. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement eine Solarzelle ist.
18. Halbleiterbauelement nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle ei- nen Wirkungsgrad von mindestens 18 %, insbesondere 20 %, gemessen nach den Standardbedingungen gem. IEC 60904-1 bis 60904-10, aufweist.
19. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 17 und herstellbar nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
20. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Herstellung von Solarzellen.
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