EP2223344A2 - Rückkontaktsolarzelle mit grossflächigen rückseiten-emitterbereichen und herstellungsverfahren hierfür - Google Patents

Rückkontaktsolarzelle mit grossflächigen rückseiten-emitterbereichen und herstellungsverfahren hierfür

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Publication number
EP2223344A2
EP2223344A2 EP08858742A EP08858742A EP2223344A2 EP 2223344 A2 EP2223344 A2 EP 2223344A2 EP 08858742 A EP08858742 A EP 08858742A EP 08858742 A EP08858742 A EP 08858742A EP 2223344 A2 EP2223344 A2 EP 2223344A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
regions
base
emitter
semiconductor substrate
solar cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08858742A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nils-Peter Harder
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut fuer Solarenergieforschung GmbH
Original Assignee
Institut fuer Solarenergieforschung GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Institut fuer Solarenergieforschung GmbH filed Critical Institut fuer Solarenergieforschung GmbH
Publication of EP2223344A2 publication Critical patent/EP2223344A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/068—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
    • H01L31/0682—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells back-junction, i.e. rearside emitter, solar cells, e.g. interdigitated base-emitter regions back-junction cells
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H01L31/022441—Electrode arrangements specially adapted for back-contact solar cells
    • 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
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Definitions

  • the present invention relates to a back-contact solar cell with large-area rear-side emitter regions and to a production method for such a back-contact solar cell.
  • Conventional solar cells have a front-side contact, that is, a contact disposed on a light-facing surface of the solar cell, and a back-side contact on a surface of the solar cell facing away from the light.
  • the largest volume fraction of a semiconductor light-absorbing substrate is of the semiconductor type (for example, p-type) contacted by the backside contact. This volume fraction is commonly referred to as the base, and the backside contacts are therefore commonly referred to as base contacts.
  • the backside contacts are therefore commonly referred to as base contacts.
  • In the area of the surface of the front side of the semiconductor substrate is a thin layer of the opposite type of semiconductor (for example, n-type). This layer is commonly referred to as an emitter and the contacts contacting them as emitter contacts.
  • the pn junction which is decisive for current collection, lies just below the front surface of the solar cell.
  • This position of the pn junction is particularly advantageous when using semiconductor material of poor to medium quality for efficient current collection, since the highest generation rate of charge carrier pairs is present on the light-facing side of the solar cell and thus the most light-generated (minority) charge carriers only have to travel a short distance to the pn junction.
  • both the base contacts and the emitter contacts lead due to their associated partial shading of the front to a loss of efficiency.
  • corresponding emitter regions must be formed on the rear side of the solar cell.
  • a solar cell in which both emitter regions and base regions are located on the side facing away from the light in use and in which both the emitter contacts and the base contacts are formed on the back, is referred to as a back contact solar cell.
  • the surface regions of the base regions provided on the rear-side surface should be arranged especially for solar cells whose current collector india pn junction is arranged exclusively on the back side of the solar cell that essentially do not contribute to the formation of the charge carrier-collecting pn junction, be as small as possible in order to influence the effectiveness of the current collection through the pn junction as little as possible negatively.
  • the procedure in this situation is that the largest surface portion of the back of the solar cell is provided with an emitter and extending therebetween only narrow base portions.
  • a semiconductor substrate 101 forms in its volume a base region, for example of the p-type semiconductor.
  • Emitter regions 105 are formed on a back surface 103.
  • the emitter regions 105 occupy the predominant portion of the rear-side surface 103.
  • linear regions are left open, at which base regions 107 of the semiconductor substrate 101 to the back surface 103 are sufficient. In the region of the rear surface, these base regions may have a stronger doping than the main volume of the base of the solar cell.
  • the entire backside surface 103 is covered with a dielectric passivation layer 109, which may have a low refractive index, so that it may serve, for example, as a back reflector for the solar cell, and may be formed of silicon dioxide, for example.
  • the passivation layer 109 has locally openings 111 through which emitter contacts 113 can contact the emitter regions 105.
  • the dielectric layer 109 has openings 115, through which base contacts 117 can contact the base regions 107 reaching locally up to the rear surface.
  • the emitter contacts 113 and the base contacts 117 are separated by narrow gaps 119 and thus electrically isolated.
  • the base contacts 117 are slightly narrower in this type of solar cell than the base regions 107 on the back surface 103. In this way it is ensured that even if the dielectric layer 109 is not perfectly electrically insulated, no unwanted short circuit to the emitter regions by the base contact 117 105 can be generated because the base contacts in the projection do not overlap with the emitter regions 105.
  • the emitter contacts 113 and the base contacts 117 are usually applied in conventional back-contact solar cells, as shown in FIG. 5, in a common method step, for example by vapor deposition or sputtering of metal, optionally with subsequent electroplating. and are thus substantially the same thickness.
  • the base contacts 117 are substantially narrower than the emitter contacts 113. Since both contacts 113, 117 must dissipate the same current, it follows that, by applying a metal layer thickness to the contacts, sufficient for efficient current drainage from the base through the base contacts , the emitter contacts are much thicker than required.
  • metal contacts for both the emitter and the base contacts may therefore be desirable to form the metal contacts for both the emitter and the base contacts in approximately the same width and thereby preferably make the metal contacts as wide as possible, so that with low metal layer thickness as low as possible electrical resistance of the metal contacts can be achieved.
  • the area ratios covered by the emitter contact 213 and the base contact 217 on the back surface of the semiconductor substrate 201, respectively, are substantially equal.
  • the base regions 207 extending between the emitter regions 205 to the back surface are narrower than the base contacts 217 contacting these regions.
  • the base contacts 217 extend laterally into regions where they overlap the emitter regions 205.
  • the dielectric layer 209 must be electrically insulated as well as possible.
  • the emitter regions adjacent the back surface of the solar cell can not be passivated sufficiently by conventional processes such as thermal oxidation.
  • a back contact solar cell and a method of manufacturing a back contact solar cell, in which the above-mentioned disadvantages of conventional back contact solar cells can be at least partially avoided.
  • a back-contact solar cell which, on the one hand, has good current-collecting properties due to the largest possible rear-side emitter and, on the other hand, the rear-side metal contacts can be applied in a favorable manner and preferably at the same time the risk of local short circuits caused by the metal contacts can be minimized or a surface passivation can be improved at the solar cell back.
  • This first aspect of the present invention may be considered to be based on the following idea: On the back surface of the semiconductor substrate, both emitter and base regions are formed, both of which can be electrically contacted by corresponding contacts on the back surface. Due to the fact that the emitter regions and the base regions overlap laterally in overlapping regions and the emitter regions can extend there deeper in the interior of the semiconductor substrate, while the base regions extend on the rear side surface of the semiconductor substrate Goals that appear contradictory to conventional back-contact solar cells are:
  • the base areas contacted by the base contacts may be formed on the rear side surface relatively wide or over a large area.
  • the base regions may occupy approximately the same or a slightly larger area of the back surface than the base contacts, so that it is not absolutely necessary to electrically insulate the base contacts from the substrate surface by a dielectric layer disposed thereunder.
  • the entire base region can be directly connected to the corresponding base contacts on its rear side surface without the need for undesirable short circuits.
  • the area fraction of the base regions on the rear side surface of the semiconductor substrate, and thus also the area fraction of the base contacts, can be approximately the same as the area fraction of the emitter adjoining regions or the emitter contacts adjoining the rear side surface.
  • both the emitter contacts and the base contacts can each be formed with the same thickness necessary to avoid substantial series resistance losses in the contacts.
  • the emitter regions and the base regions can be formed by means of two successive diffusion of dopants into the semiconductor substrate according to an embodiment to be described in more detail below become.
  • the emitter regions in a first diffusion step, can first be diffused, with small subregions in which the base regions subsequently to be produced on the back surface being in electrical contact with the base regions further inside the semiconductor substrate, either locally before the emitter diffusion be protected or the emitter areas then locally opened / removed at these locations.
  • the base regions can then be formed on the backside surface of the semiconductor substrate.
  • the so-called “emitter-push effect” can be used, in which in two successive process steps for the diffusion of dopants, for example in silicon, the second diffusion, even if of equal or greater strength, the first diffusion is not necessarily compensated or overcompensated since
  • the emitter-push effect can cause the dopants introduced during the first diffusion to diffuse further into the interior of the semiconductor substrate to produce the emitter regions, while the second diffusion can diffuse the dopants of the first diffusion
  • a structure can be achieved in which the emitter regions and the base regions have approximately the same dopant concentrations, but the emitter regions continue to be arranged in the interior of the semiconductor substrate are rdnet than the surface-arranged base portions, so that it may come to the desired overlap.
  • the emitter-push effect is particularly pronounced when the second diffusion is a phosphorus diffusion.
  • the overlapping structure can be achieved by first forming a deep emitter and subsequently producing shallower base regions in the region following base contacts to be generated, wherein the base regions are produced in such a way that the emitter doping originally contained in these regions is local is overcompensated.
  • the desired overlapping of the two regions can again occur.
  • dopants can also be introduced into the desired regions and depths by other methods, such as, for example, ion implantation, into the semiconductor substrate.
  • the structures according to the invention can also be produced by the application and structuring (or by structured application) of semiconductor layers by means of coating methods, for example expitaxy, hetero-epitaxy, or other coating methods.
  • the semiconductor substrate used for the back contact solar cell may be, for example, a monocrystalline or multicrystalline silicon wafer.
  • thin films of amorphous or crystalline silicon or of other semiconductive materials may also be used as the substrate.
  • the emitter regions may extend partially directly along the surface along the rear side surface of the semiconductor substrate, but parts of the emitter regions, in particular in the overlap regions, may not adjoin the surface directly, but may also extend somewhat deeper in the interior of the semiconductor substrate. These emitter regions which are "buried” in the interior can be in electrical contact with the regions of the emitter regions adjoining the rear side surface, so that they can also be contacted electrically therefrom by the emitter contacts.
  • the emitter regions can be formed by diffusing dopants into the semiconductor substrate be generated. For example, in a p-type semiconductor substrate, by locally diffusing phosphorus, an n-type emitter region can be formed. Alternatively, however, the emitter regions can also be produced by other methods, such as by ion implantation or alloying, so that a so-called homo-junction, that is a pn junction with oppositely doped regions of a same semiconductor base material, for example silicon, results.
  • the emitter regions can also be epitaxially deposited, for example vapor-deposited or sputtered on, so that, depending on the choice of material applied, homo- or so-called hetero junctions result, that is, pn junctions between a first semiconductor material of the basic semiconductor type and a second one Semiconductor material of an emitter semiconductor type called hetero-junctions when base and emitter semiconductors differ by more than just the line type (doping type).
  • a possible example is emitter regions of deposited or PECVD applied amorphous silicon (a-Si) on a semiconductor substrate made of crystalline silicon (c-Si).
  • the base regions can also be produced by means of one of the abovementioned production methods, although production by local in-diffusion of a dopant to form the base regions may be preferred.
  • the emitter regions and the base regions when viewed in a plan view of the rear side surface of the semiconductor substrate, may each have a comb-like structure, in each of which linear finger-like emitter regions adjoin adjacent linear finger-like base regions.
  • Such a nested structure is also referred to as "interdigitated”.
  • Both the emitter contacts and the base contacts can each be designed in the form of a local metallization, for example in the form of finger-like grids.
  • metals such as silver or aluminum may be deposited locally onto the base or emitter regions, for example, by vapor deposition or sputtering or by a printing process such as screen printing or dispensing, for example, through a mask or photolithography in the desired structure be applied.
  • an electrically insulating gap may be provided between the two. This result can also be achieved by a metal layer applied over the entire area, which is subsequently removed locally along the line of the desired contact separation.
  • An essential feature of the back contact solar cell according to the invention are the overlapping regions in which both a base region and an emitter region are located on the rear side of the semiconductor substrate in the projection onto the rear side surface.
  • the base region directly adjoins the backside surface, whereas the emitter region in this region is shifted further into the interior of the semiconductor substrate, whereby the emitter in this region can also be referred to as a "buried emitter.”
  • Both regions can be very close to the back sides Surface area of the semiconductor substrate, in particular in view of the thickness of the semiconductor substrate which is usually large in comparison to the thickness of the emitter or base regions of, for example, a few micrometers, which may amount to approximately 200 ⁇ m in the case of a silicon wafer, however, the emitter region may, in particular in the overlap regions For example, the emitter region may extend to a depth of more than 1 ⁇ m, preferably more than 2 ⁇ m, below the back surface, whereas the base regions may be less than 1, for example m deep, for example, about 0.5 micro
  • the emitter areas do not extend along the finished solar cell in the process entire backside surface of the semiconductor substrate, but there are left small local areas therebetween, which do not have the emitter semiconductor type and which later serve for the electrical connection between the base areas formed on the back surface and the base areas inside the semiconductor substrate.
  • These connection regions in which either no corresponding emitter doping was effected during the generation of the emitter regions or in which a previously generated emitter doping was subsequently removed again, for example by etching away or by laser ablation, or by local overcompensation of the emitter doping by basic doping may be like a line, for example, parallel to the base contacts to be formed later, or punctiform.
  • the emitter regions extend along more than 60%, preferably more than 70%, even more preferably more than 80% and again more preferably more than 90%, of the backside surface of the semiconductor substrate and the base regions extend along more than 25%, preferably more than 40% and more preferably between 45% and 55% of the back surface of the semiconductor substrate.
  • the total area of the emitter regions facing the main volume and the base regions facing the cell back can add up to more than 100% of the backside surface of the semiconductor substrate.
  • an area of the back surface of the semiconductor substrate covered by the base contacts is between 70% and 100% of the area of the base regions on the back surface of the semiconductor substrate.
  • 70% to 100%, preferably 90% to 98%, of the area of the base regions may be covered by base contacts. Due to the large area of the base contacts that is possible in this way, low series resistances can be realized in these contacts.
  • the base contacts preferably do not protrude laterally beyond the underlying base regions to avoid any short circuits between the base contacts and the emitter regions adjacent the base regions.
  • a doping concentration in the base regions at the back surface of the semiconductor substrate is higher than at base regions inside the semiconductor substrate. This can result from the fact that the base regions on the rear-side surface are subsequently introduced into the semiconductor substrate during manufacture of the solar cell, for example, they are diffused. Such heavily doped superficial base regions can act as BSF (Back Surface Field).
  • BSF Back Surface Field
  • the doping concentration in the interior of the semiconductor substrate may be in the range of 1 x 10 14 cm “3 to 1 x 10 17 cm " 3
  • the Doping concentration in the base regions on the back surface may be greater than 1 x 10 18 cm "3 , preferably greater than 1 x 10 19 cm “ 3 may be.
  • planar p + n + transitions can act as zener diodes which can provide the function of a bypass diode for the solar cell.
  • a doping concentration in the base regions on the back surface of the semiconductor substrate is higher than in the emitter regions. This is especially true if the base regions are formed by local overcompensation of previously formed emitter regions.
  • an emitter region having a doping concentration of 5 ⁇ 10 18 cm -3 is produced, then in a partial region of the emitter region a base region having a doping concentration of, for example, more than 2 ⁇ 10 19 cm -3 can be obtained by overcompensating with dopants for the corresponding opposite Semiconductor type can be generated.
  • an area of the back surface of the semiconductor substrate contacted by the emitter contacts is less than 30%, preferably less than 20% relatively, more preferably less than 10% relative, of a surface in contact with the base contact Back surface of the semiconductor substrate.
  • the emitter contacts and the base contacts are approximately similar in area or equal in area, wherein ideally both the emitter contacts and the base contacts each approximately 50% of Cover back surface of the semiconductor substrate. Due to the fact that the two contact types are of approximately the same size in area, the series resistances effected in the contacts, which depend both on the lateral surface extent and on the thickness of the contacts, can also be approximately the same size.
  • Both types of contact can be made with the same thickness, but the thickness can be chosen so that the series resistance losses in the contacts are negligibly small. Even if the two contact types are generated in the same process step and thus automatically have the same thickness, none of the contact types has an excessively large thickness and no metal necessary for the production of the contacts is wasted.
  • portions in which base portions on the back surface of the semiconductor substrate contact base portions in the interior of the semiconductor substrate are formed as dot-shaped connection portions.
  • the connection regions interrupt the overlapping regions between the emitter regions and the base regions and can thus act as an electrical connection between the base contacts which contact the base regions and the base regions in the interior of the semiconductor substrate.
  • the aforementioned dot-shaped connection regions are respectively arranged in lateral edge regions of the base regions on the back surface of the semiconductor substrate. Due to the fact that connecting regions are formed not in the middle, but in lateral edge regions of the base regions, the paths, the charge carriers, which are located in the interior of the Semiconductor substrate generated by light incident, must be reduced before they can flow through the connection areas through to the base contacts, reduced. This allows a reduced series resistance to be achieved within the base.
  • the base regions are phosphorus doped and the emitter regions are boron doped.
  • Such an embodiment makes it possible first to generate the emitter regions and then to diffuse the phosphorus-doped base regions and thereby to use the emitter-push effect, that is, to drive the boron doping previously generated in the emitter regions further into the interior of the semiconductor substrate. In this way, the overlapping areas can be generated in a procedurally simple manner.
  • the emitter regions essentially adjoin the backside surface only in the region of the emitter contacts.
  • the emitter regions extend substantially only where they are contacted by the emitter contacts, directly on the back surface of the solar cell, and in all other regions the emitter regions are buried deeper inside the solar cell and from the back surface
  • the overlapping areas in this embodiment extend laterally to just below the areas of the emitter areas contacted by the emitter contacts.
  • Substantially can be understood in this case as meaning that the regions of the emitter regions adjoining the backside surface are precisely down to manufacturing tolerances, ie to a few micrometers to a few hundred micrometers, depending on the manufacturing process, with the regions of the emitter contacts contacted by the emitter contacts Back surface match. At least in this embodiment, the area ratio of the regions of the emitter regions adjoining the backside surface should be be smaller than the area ratio of not adjacent to the back surface, ie buried, areas of the emitter areas.
  • a majority of the back surface is covered with base regions.
  • These base regions especially when dealing with n-type regions, can be better surface-passivated with established techniques such as thermal oxidation than p-type emitter regions.
  • At least some of the base regions are not in electrical contact with base contacts.
  • not all of the base regions on the back surface are in electrical contact with the base contacts, but some base regions are isolated from the base contacts.
  • These areas that are not directly contacted are also referred to as "floating" and can be passivated particularly well, especially if they are n-type areas.
  • a method for producing a solar cell in particular the above-described solar cell according to the invention, comprising the following process steps: providing a semiconductor substrate having a basic semiconductor type; Forming emitter regions along a backside surface of the semiconductor substrate, the emitter regions having an emitter semiconductor type opposite to the base semiconductor type; Forming base regions along the backside surface of the semiconductor substrate, the base regions having the base semiconductor type; Forming emitter contacts for electrically contacting the emitter regions; and forming base contacts for electrically contacting at least some of the base regions.
  • the emitter regions and the base regions are formed such that they overlap at least in overlap regions and the emitter regions in the overlap regions extend deeper into the semiconductor substrate than seen from the back surface the base areas.
  • the emitter regions and the base regions may be formed by various methods, for example, by local in-diffusion using, for example, masks or lithography, ion implantation, local alloying, epitaxial deposition of appropriate layers, whole-area deposition, and subsequent patterning, e.g. local removal, for example by means of laser ablation, etc.
  • the emitter and base contacts may also be formed by various methods, for example, by local vapor deposition using, for example, masks or lithography, or by screen printing or dispensing techniques. In general, all methods can be used which make it possible to form contacts locally, for example finger or grid-shaped, on a substrate back, including the possibility of applying full-area metal layers, which are subsequently patterned by local removal.
  • first the emitter regions having a first depth and a first doping concentration and then the base regions having a second depth and a second doping concentration are formed, wherein the first depth is greater than the second depth and wherein the first doping concentration is less than the second doping concentration.
  • initially a relatively weakly doped, deep emitter is formed, which can then be overcompensated locally by a more heavily doped, shallower base region.
  • deeper emitter regions can remain outside the overcompensated regions, so that the desired overlap region is formed.
  • the emitter regions are formed with a boron doping and subsequently the base regions are formed with a phosphorus doping.
  • the base regions it is not absolutely necessary for the base regions to be generated by overcompensating the emitter regions previously generated.
  • the emitter-push effect can be used, wherein during the diffusion of the phosphorus doping, the previously present there boron doping is pushed in front of him and forms a lower emitter region. Accordingly, the doping concentration in the base regions does not necessarily have to be larger than in the emitter regions.
  • At least some of the base regions are formed such that they are not in electrical contact with base contacts.
  • so-called "floating" base regions can be formed, which can be passivated in particular in the case of n-type base regions.
  • the floating base regions can be electrically insulated from the base regions contacted by the base contacts by emitter regions or other insulating layers located therebetween.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional representation of a back contact solar cell according to an embodiment of the present invention with overcompensated base regions.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional representation of a back contact solar cell according to a further embodiment of the present invention with overlap regions generated by the emitter push effect.
  • FIG 3 shows a cross-sectional representation of a back contact solar cell according to a further embodiment of the present invention with connecting regions formed in edge regions of the base regions.
  • FIG. 4 shows a cut-out plan view of the rear side of the embodiment shown in FIG. 3.
  • Fig. 5 shows in cross-sectional representation a back contact solar cell according to another embodiment of the present invention, in which overlap areas come close to the emitter contacts.
  • 6 shows a cross-sectional representation of a back contact solar cell according to a further embodiment of the present invention with floating base regions.
  • Fig. 7 shows a back contact solar cell according to the prior art.
  • Fig. 8 shows another prior art back contact solar cell.
  • the back contact solar cell according to the invention shown in cross section in FIG. 1 has a semiconductor substrate 1 in the form of a silicon wafer. On the back surface 3 of the semiconductor substrate 1, both emitter regions 5 and base regions 7 are formed. Furthermore, a dielectric layer 9 made of silicon oxide or silicon nitride, which can serve for passivation of the surface of the semiconductor substrate and / or as a rear-side reflector, which, however, does not necessarily have to be electrically insulating, is located on the rear side surface 3. Over the dielectric layer 9 then the emitter contacts 11 and the base contacts 13 are formed. Both the emitter and the base contacts 11, 13 are in the form of elongated, finger-shaped, perpendicular to the plane extending contacts.
  • the emitter contact 11 contacts an emitter region 5 through line-shaped openings or through punctiform openings 15 arranged linearly adjacent to one another in the dielectric layer 9.
  • the width w e of the subregion of the emitter region 5 adjoining the back surface 3 is slightly greater than the width W E of the corresponding emitter contact 11. Accordingly, even if the dielectric layer 9 is not electrically insulating, no risk that the emitter contact 11 causes a short circuit to the adjacent base region 7.
  • a finger-shaped base contact 13 extends over the dielectric layer 9 and contacted by a linear opening or by linear successively arranged adjacent punctiform openings 17 the underlying base region 7.
  • the width W B of the base contact 13 is slightly smaller than the width Wb of the underlying base region 7, so that there is no risk of short circuits between metal contacts of one polarity and semiconductor regions of the other polarity, that is, for example, between base contacts and emitter regions.
  • emitter region 5 overlaps a base region 7 adjoining laterally therefrom.
  • This overlap region 19 is formed by initially diffusing emitter regions 5 having a relatively large depth t e into the rear side of semiconductor substrate 1 and subsequently to produce the illustrated back-contact solar cell the base regions 7 have been diffused with a smaller depth tb, wherein the diffusion of the base regions of the process parameters used therein, such as temperature and diffusion duration, is performed such that in the region of the base regions 7 overcompensation of the emitter doping previously present there occurs.
  • the overlapping regions 19 have a width w u which is slightly smaller than half the width W b of the base regions 7.
  • a gap acting as a connecting region 21 remains between the overlapping overlapping regions 19, at which the corresponding base region 7 with the interior of the semiconductor substrate 1 is in electrical contact and over which the majority charge carriers generated in the semiconductor substrate 1 can flow towards the base contact 13.
  • Fig. 2 embodiment of the back contact solar cell according to the invention agrees in most of its features with the embodiment shown in Fig. 1 match.
  • the main difference is the step-shaped transition 23 recognizable in the emitter region 5 at the edge of the overlapping region 19. This transition 23 is produced when the emitter-push effect is used during the generation of the emitter regions 5 and the base regions 7 and thus when the base region 7 diffuses the overlying emitter region 5 in the overlap region 19 is pushed deeper into the interior of the semiconductor substrate 1.
  • connection portion 21 which connects the disposed on the back surface 3 base portion 7 with the interior of the semiconductor substrate 1, not as in the figures 1 and 2 is shown approximately in the middle of the base region 7 is arranged.
  • two such connection regions 21 are provided, which are each provided in edge regions 25 of the base regions 7 and preferably do not form long lines extending parallel to the metal contacts, but particularly preferably represent punctiform connection regions.
  • majority charge carriers which are generated in the interior of the semiconductor substrate 1 in a region above the emitter regions 5, that is to say between two laterally adjacent base regions 7, can flow out through the connection regions 21 provided in the edge region 25 to the base contact 13, instead of as in FIGS in the Fign. 1 and 2 shown embodiments up to the provided in the middle of the base portion 7 connecting portion 21 to flow over a longer path before they can flow to the base contact 13. Accordingly, this series resistance losses can be reduced.
  • connecting regions 21 are only punctiform in this embodiment, there is also an electrical contact which is located centrally above the base contacts 13 arranged regions of the emitter regions 5 to the standing with the emitter contacts 11 in electrical contact regions of these emitter regions 5. Apart from the small recesses in the connecting regions 21 thus substantially the entire surface of the solar cell may be covered with an emitter 5, so that charge carriers very efficiently can be collected.
  • FIG. 5 shows an embodiment in which the emitter regions 5 adjoin the rear side surface 3 only in the region of the emitter contacts 11.
  • the emitter regions 5 are buried deeper in the interior of the solar cell and separated from the back surface 3 by base regions 7 located therebetween.
  • These base regions 7 are in turn covered by a dielectric layer 9, preferably a thermal oxide, and are therefore very well surface-passivated.
  • FIG. 6 shows an embodiment in which some of the base regions 7 are not in electrical contact with base contacts 13. These "floating" base regions 7 'are isolated from the contacted base regions 7 by parts of the emitter regions 5.
  • the floating base regions 7' can be passivated very well by a dielectric layer 9 deposited thereon.

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Abstract

Es wird eine Rückkontakt-Solarzelle sowie ein Verfahren zu deren Herstellung beschrieben. Die Rückkontakt-Solarzelle weist ein Halbleitersubstrat (1) auf, an dessen Rückseiten-Oberfläche (3) Emitterbereiche (5), die von Emitterkontakten (11) kontaktiert werden, und Basisbereiche (7), die von Basiskontakten (13) kontaktiert werden, ausgebildet sind. Die Emitterbereiche und die Basisbereiche überlappen sich zumindest in Überlappungsbereichen, wobei die Emitterbereiche (5) in den Überlappungsbereichen (19) von der Rückseiten-Oberfläche der Solarzelle aus gesehen tiefer in das Halbleitersubstrat (1) hineinreichen als die Basisbereiche (7). Dadurch kann erreicht werden, dass einerseits ein großer Flächenanteil der Rückseite des Halbleitersubstrats mit einem Ladungsträger-sammelnden Emitter bedeckt sein kann, dieser Emitter jedoch zumindest teilweise im Inneren des Halbleitersubstrats (1) „vergraben' ist, so dass kein Risiko besteht, dass die Basiskontakte 13 einen Kurzschluss zu den vergrabenen Emitterbereichen (5) provozieren.

Description

Rückkontaktsolarzelle mit großflächigen Rückseiten-Emitterbereichen und
Herstellungsverfahren hierfür
BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rückkontakt-Solarzelle mit großflächigen Rückseiten- Emitterbereichen sowie ein Herstellungsverfahren für eine solche Rückkontakt-Solarzelle.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Konventionelle Solarzellen haben einen vorderseitigen Kontakt, das heißt einen Kontakt, der auf einer dem Licht zugewandten Oberfläche der Solarzelle angeordnet ist, und einen rückseitigen Kontakt an einer dem Licht abgewandten Oberfläche der Solarzelle. In diesen konventionellen Solarzellen ist der größte Volumenanteil eines das Licht absorbierenden Halbleitersubstrats von eben dem Halbleitertyp (zum Beispiel p-Typ), der vom rückseitigen Kontakt kontaktiert wird. Dieser Volumenanteil wird üblicherweise als Basis bezeichnet und die rückseitigen Kontakte werden daher üblicherweise als Basiskontakte bezeichnet. Im Bereich der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats befindet sich eine dünne Schicht vom entgegengesetzten Halbleitertyp (zum Beispiel n-Typ). Diese Schicht wird üblicherweise als Emitter bezeichnet und die sie kontaktierenden Kontakte als Emitterkontakte . Bei solchen herkömmlichen Solarzellen liegt somit der für die Stromsammlung entscheidende pn-Übergang dicht unter der vorderseitigen Oberfläche der Solarzelle. Diese Position des pn- Übergangs ist insbesondere bei der Verwendung von Halbleitermaterial schlechter bis mittlerer Qualität für eine effiziente Stromsammlung vorteilhaft, da auf der dem Licht zugewandten Seite der Solarzelle die höchste Generationsrate von Ladungsträgerpaaren vorliegt und somit die meisten Licht-generierten (Minoritäts-) Ladungsträger nur eine kurze Distanz zum pn-Übergang zurücklegen müssen.
Die an der Vorderseite der Solarzelle angeordneten Emitterkontakte führen jedoch aufgrund der mit ihnen verbundenen teilweisen Abschattung der Vorderseite zu einem Wirkungsgradverlust. Um den Wirkungsgrad der Solarzelle zu steigern, ist es grundsätzlich vorteilhaft, sowohl die Basiskontakte als auch die Emitterkontakte an der Rückseite der Solarzelle anzuordnen. Zu diesem Zweck müssen an der Rückseite der Solarzelle entsprechende Emitterbereiche ausgebildet werden. Eine Solarzelle, bei der sich an der im Einsatz lichtabgewandten Seite sowohl Emitterbereiche als auch Basisbereiche befinden und bei der sowohl die Emitterkontakte als auch die Basiskontakte an der Rückseite ausgebildet sind, wird als Rückkontakt-Solarzelle bezeichnet.
Bei solchen Rückkontakt-Solarzellen, deren Strom-sammelnder pn-Übergang zumindest teilweise an der Rückseite der Solarzelle angeordnet ist, muss mit der Problematik umgegangen werden, dass sowohl die Emitterbereiche als auch die Basisbereiche an der Rückseite der Solarzelle nebeneinander angeordnet sind. Somit kann der pn-Übergang nicht mehr entlang der gesamten Oberfläche der Solarzelle ausgebildet werden, sondern die den pn- Übergang zusammen mit dem Volumen-Basisbereich bildenden rückseitigen Emitterbereiche können nur noch an einem Teil der Rückseiten-Oberfläche der Solarzelle ausgebildet werden. Dazwischen müssen rückseitige Basisbereiche zur Kontaktierung der Basis vorgesehen sein. Da auch in hochwertigem Silizium die Diffusionslänge der von dem pn-Übergang einzusammelnden Minoritätsladungsträger begrenzt ist, sollten insbesondere bei Solarzellen, deren Strom-samme Inder pn-Übergang ausschließlich auf der Rückseite der Solarzelle angeordnet ist, die Flächenbereiche der an der Rückseiten-Oberfläche vorgesehenen Basisbereiche, die im Wesentlichen nicht zur Bildung des Ladungsträger-sammelnden pn- Übergangs beitragen, möglichst klein sein, um die Effektivität der Stromsammlung durch den pn-Übergang möglichst wenig negativ zu beeinflussen. Herkömmlicherweise wird in dieser Situation so verfahren, dass der größte Flächenanteil der Rückseite der Solarzelle mit einem Emitter versehen wird und sich dazwischen nur schmale Basisbereiche erstrecken.
Ein Beispiel einer herkömmlichen Rückkontakt-Solarzelle ist in Fig. 5 schematisch im Querschnitt dargestellt. Ein Halbleitersubstrat 101 bildet in seinem Volumen einen Basisbereich beispielsweise vom p-Halbleitertyp. An einer Rückseiten-Oberfläche 103 sind Emitterbereiche 105 ausgebildet. Die Emitterbereiche 105 belegen den überwiegenden Anteil der Rückseiten-Oberfläche 103. Zwischen den länglichen, fingerförmigen Emitterbereichen 105 -zu denen der in der Zeichnung dargestellte Querschnitt der Solarzelle senkrecht verläuft- sind schmale, linienförmige Bereiche freigelassen, an denen Basisbereiche 107 des Halbleitersubstrats 101 bis an die Rückseiten-Oberfläche 103 reichen. Im Bereich der rückseitigen Oberfläche können diese Basisbereiche eine stärkere Dotierung aufweisen als das Hauptvolumen der Basis der Solarzelle. Die gesamte Rückseiten-Oberfläche 103 ist mit einer dielektrischen Passivierschicht 109 bedeckt, die einen geringen Brechungsindex aufweisen kann, so dass sie zum Beispiel als rückseitiger Reflektor für die Solarzelle dienen kann, und die beispielsweise aus Siliziumdioxid ausgebildet sein kann. Die Passivierschicht 109 weist lokal Öffnungen 111 auf, durch die hindurch Emitterkontakte 113 die Emitterbereiche 105 kontaktieren können. Ferner weist die Dielektrikumschicht 109 Öffnungen 115 auf, durch die hindurch Basiskontakte 117 die lokal bis zur rückseitigen Oberfläche reichenden Basisbereiche 107 kontaktieren können. Die Emitterkontakte 113 und die Basiskontakte 117 sind durch schmale Spalte 119 voneinander getrennt und somit elektrisch isoliert. - A -
Die Basiskontakte 117 sind bei diesem Solarzellentyp geringfügig schmaler als die Basisbereiche 107 an der Rückseiten-Oberfläche 103. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass auch dann, wenn die dielektrische Schicht 109 nicht perfekt elektrisch isoliert, durch den Basiskontakt 117 kein ungewollter Kurzschluss mit den Emitterbereichen 105 erzeugt werden kann, da sich die Basiskontakte in der Projektion nicht überlappen mit den Emitterbereichen 105.
Aus Gründen der Herstellungskostenminimierung werden in der Regel bei herkömmlichen Rückkontakt-Solarzellen, wie sie in Fig. 5 dargestellt sind, die Emitterkontakte 113 und die Basiskontakte 117 in einem gemeinsamen Verfahrensschritt aufgebracht, beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufsputtern von Metall, ggf. mit nachfolgender Galvanik, und sind somit im Wesentlichen gleich dick. Die Basiskontakte 117 sind jedoch wesentlich schmaler als die Emitterkontakte 113. Da beide Kontakte 113, 117 den gleichen Strom abführen müssen, ergibt sich jedoch, dass bei Aufbringen einer Metallschichtdicke für die Kontakte, die ausreichend ist für eine effiziente Stromableitung von der Basis durch die Basiskontakte, die Emitterkontakte wesentlich dicker sind als erforderlich. Mit anderen Worten wird, wenn Basis- und Emitterkontakte in einem gemeinsamen Prozessschritt abgeschieden werden, auf den großflächigeren Emitterkontakten unnötig viel Metall abgeschieden. Das Aufbringen der Metallisierung für die Kontakte und auch die zugehörigen Materialkosten stellen jedoch einen erheblichen Anteil der Gesamtkosten der Solarzellen dar.
Es kann daher erstrebenswert sein, die Metallkontakte sowohl für die Emitter- als auch die Basiskontakte in etwa gleicher Breite auszubilden und dabei vorzugsweise die Metallkontakte möglichst breit anzufertigen, so dass bei geringer Metallschichtdicke ein möglichst geringer elektrischer Widerstand der Metallkontakte erreicht werden kann.
Bei der in Fig. 6 dargestellten alternativen Ausführungsform einer herkömmlichen Rückkontakt-Solarzelle sind die Flächenanteile, die von dem Emitterkontakt 213 bzw. von dem Basiskontakt 217 an der Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats 201 bedeckt sind, im Wesentlichen gleich. Da jedoch auch bei dieser Rückkontakt-Solarzelle möglichst weite Bereiche der Rückseiten-Oberfläche mit Emitterbereichen 205 belegt sein sollen, sind die sich zwischen den Emitterbereichen 205 bis an die Rückseiten-Oberfläche erstreckenden Basisbereiche 207 schmaler als die diese Bereiche kontaktierenden Basiskontakte 217. Mit anderen Worten reichen die Basiskontakte 217 seitlich bis in Bereiche, wo sie die Emitterbereiche 205 überlappen. Um hierbei Kurzschlüsse zu vermeiden, muss die dielektrische Schicht 209 möglichst gut elektrisch isolieren. Die Ausbildung einer sehr gut elektrisch isolierenden dielektrischen Schicht 209, die insbesondere mit den Herstellungsschritten der Solarzelle und den Belastungen der Solarzelle im Modul kompatibel ist, hat sich jedoch als beachtliches technologisches Problem herausgestellt, insbesondere angesichts der Tatsache, dass auf der gesamten Fläche der Solarzelle, die bei derzeit industriell gefertigten Solarzellen typischerweise etwa 150 cm2 aufweist, kein lokaler Kurzschluss geduldet werden kann.
Ferner wurde beobachtet, dass die an der rückseitigen Oberfläche der Solarzelle angrenzenden Emitterbereiche, insbesondere wenn es sich um p-Typ-Emitter handelt, nur unzureichend durch herkömmliche Prozesse wie thermische Oxidation passiviert werden können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es kann daher ein Bedarf an einer Rückkontakt-Solarzelle und an einem Herstellungsverfahren für eine Rückkontakt-Solarzelle bestehen, bei der/dem die oben genannten Nachteile herkömmlicher Rückkontakt-Solarzellen zumindest teilweise vermieden werden können. Insbesondere kann ein Bedarf an einer Rückkontakt-Solarzelle bestehen, die aufgrund eines möglichst großflächigen rückseitigen Emitters einerseits gute Stromsammelnde Eigenschaften aufweist, und bei der andererseits die rückseitigen Metallkontakte in günstiger Weise aufgebracht werden können und vorzugsweise gleichzeitig das Risiko von durch die Metallkontakte verursachten lokalen Kurzschlüssen minimiert werden kann bzw. ein Oberflächenpassivierung an der Solarzellen-Rückseite verbessert werden kann.
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erfüllt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Rückkontakt-Solarzelle beschrieben, die ein Halbleitersubstrat, Emitterbereiche entlang einer Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats, Basisbereiche entlang der Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats, Emitterkontakte zur elektrischen Kontaktierung der Emitterbereiche und Basiskontakte zur elektrischen Kontaktierung zumindest einiger der Basisbereiche aufweist. Das Halbleitersubstrat weist einen Basis-Halbleitertyp auf, der entweder ein n-Halbleitertyp oder ein p-Halbleitertyp sein kann. Die Basisbereiche weisen ebenfalls den Basis- Halbleitertyp auf. Die Emitterbereiche weisen einen dem Basis-Halbleitertyp entgegengesetzten Emitter-Halbleitertyp auf. Die an der Rückseiten-Oberfläche ausgebildeten Emitter- und Basisbereiche überlappen sich zumindest in Überlappungsbereichen, wobei die Emitterbereiche in den Überlappungsbereichen von der Rückseiten-Oberfläche her tiefer in das Halbleitersubstrat hineinreichen als die Basisbereiche.
Dieser erste Aspekt der vorliegenden Erfindung kann als auf der folgenden Idee basierend angesehen werden: An der Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats sind sowohl Emitter- als auch Basisbereiche ausgebildet, die beide durch entsprechende Kontakte an der Rückseiten-Oberfläche elektrisch kontaktiert werden können. Dadurch, dass sich die Emitterbereiche und die Basisbereiche in Überlappungsbereichen seitlich überlappen und die Emitterbereiche dort tiefer im Inneren des Halbleitersubstrats verlaufen können, während die Basisbereiche sich an der Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats erstrecken, können Ziele, die bei herkömmlichen Rückkontakt-Solarzellen einander widersprechend erscheinen, verfolgt werden:
Einerseits können die von den Basiskontakten kontaktierten Basisbereiche an der Rückseiten- Oberfläche verhältnismäßig breit bzw. großflächig ausgebildet sein. Insbesondere können die Basisbereiche in etwa die gleiche oder eine geringfügig größere Fläche der Rückseiten- Oberfläche einnehmen wie die Basiskontakte, so dass es nicht zwingend erforderlich ist, die Basiskontakte durch eine darunter angeordnete dielektrische Schicht elektrisch gegen die Substrat-Oberfläche zu isolieren. Prinzipiell kann der gesamte Basisbereich an seiner Rückseiten-Oberfläche mit den entsprechenden Basiskontakten direkt in Verbindung stehen, ohne dass es zu unerwünschten Kurzschlüssen kommen muss.
Andererseits kann der Flächenanteil der Basisbereiche an der Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats, und damit auch der Flächenanteil der Basiskontakte, in etwa gleich groß sein wie der Flächenanteil der an die Rückseiten-Oberfläche angrenzenden Emitterteilbereiche bzw. der Emitterkontakte. Somit können sowohl die Emitterkontakte als auch die Basiskontakte jeweils mit der gleichen, zur Vermeidung von wesentlichen Serienwiderstandsverlusten in den Kontakten notwendigen, Dicke ausgebildet werden.
Aufgrund der die Basisbereiche teilweise überlappenden Emitterbereiche kann dabei bei der beschriebenen Rückkontakt-Solarzelle ein sehr großer Anteil der Rückseiten-Oberfläche mit Emitter bedeckt sein, so dass die Ladungsträger-sammelnden Eigenschaften aufgrund der großflächigen pn-Junction sehr gut sein können.
Zur Herstellung einer erfmdungsgemäßen Rückkontakt-Solarzelle und insbesondere der darin ausgebildeten Überlappungsbereiche können gemäß einem weiter unten detaillierter zu beschreibenden Ausführungsbeispiel die Emitterbereiche und die Basisbereiche mittels zweier aufeinanderfolgender Diffusionen von Dotierstoffen in das Halbleitersubstrat ausgebildet werden. Dabei können in einem ersten Diffusionsschritt zunächst die Emitterbereiche diffundiert werden, wobei kleine Teilbereiche, in denen die anschließend zu erzeugenden Basisbereiche an der Rückseiten-Oberfläche in elektrischem Kontakt mit den weiter im Inneren des Halbleitersubstrats befindlichen Basisbereichen stehen sollen, entweder lokal vor der Emitter-Diffusion geschützt werden oder die Emitterbereiche an diesen Stellen anschließend lokal geöffnet/entfernt werden. In einem zweiten Diffusionsschritt können dann die Basisbereiche an der Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet werden.
Dabei kann der sogenannte „Emitter-Push-Effekt" genutzt werden, bei dem bei zwei aufeinanderfolgenden Prozessschritten zur Eindiffusion von Dotierstoffen beispielsweise in Silizium die zweite Diffusion, auch wenn von gleicher oder größerer Stärke, die erste Diffusion nicht notwendigerweise kompensiert bzw. überkompensiert, da die zweite Diffusion die Dotierstoffe der ersten Diffusion teilweise vor sich herschieben kann. Mit anderen Worten kann durch den Emitter-Push-Effekt bewirkt werden, dass die während der ersten Diffusion eingebrachten Dotierstoffe zur Erzeugung der Emitterbereiche weiter ins Innere des Halbleitersubstrats hinein diffundieren, während von der Oberfläche des Halbleitersubstrats her die Dotierstoffe zur Erzeugung der Basisbereiche eindiffundieren. Dadurch kann eine Struktur erreicht werden, bei der die Emitterbereiche und die Basisbereiche etwa gleiche Dotandenkonzentrationen aufweisen, die Emitterbereiche aber weiter im Inneren des Halbleitersubstrats angeordnet sind als die an der Oberfläche angeordneten Basisbereiche, so dass es zu der erwünschten Überlappung kommen kann. Erfahrungsgemäß ist der Emitter-Push-Effekt insbesondere dann stark ausgeprägt, wenn die zweite Diffusion eine Phosphor-Diffusion ist.
Alternativ lässt sich die überlappende Struktur dadurch erreichen, dass zunächst ein tiefer Emitter ausgebildet wird und anschließend flachere Basisbereiche in der Region nachfolgend zu erzeugender Basiskontakte erzeugt werden, wobei die Basisbereiche so erzeugt werden, dass die ursprünglich in diesen Bereichen zuvor enthaltene Emitter-Dotierung lokal überkompensiert wird. Dadurch, dass der zunächst erzeugte Emitter tiefer ausgebildet wurde als die anschließend überkompensierten Basisbereiche kann es wieder zu der erwünschten Überlappung der beiden Bereiche kommen.
Anstelle von Diffusionsprozessen können auch durch andere Verfahren, wie zum Beispiel Ionen-Implantation, Dotierstoffe in das Halbleitersubstrat in die gewünschten Bereiche und Tiefen eingebracht werden. Als weitere Alternative sind die erfmdungsgemäßen Strukturen auch herstellbar durch das Aufbringen und Strukturieren (bzw. durch strukturiertes Aufbringen) von Halbleiterschichten mittels Beschichtungsverfahren ,zum Beispiel Expitaxie, Hetero-Epitaxie, oder andere Beschichtungsverfahren, möglich.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Rückkontakt-Solarzelle werden im Anschluss erläutert.
Das für die Rückkontakt-Solarzelle verwendete Halbleitersubstrat kann beispielsweise ein mono- oder multikristalliner Siliziumwafer sein. Alternativ können auch Dünnschichten aus amorphem oder kristallinem Silizium oder aus anderen halbleitenden Materialien als Substrat verwendet werden.
Die Emitterbereiche können sich entlang der Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats teilweise direkt an der Oberfläche erstrecken, es können aber auch Teile der Emitterbereiche, insbesondere in den Überlappungsbereichen nicht direkt an die Oberfläche angrenzen, sondern sich etwas tiefer im Inneren des Halbleitersubstrats erstrecken. Diese im Inneren „vergrabenen" Emitterbereiche können in elektrischem Kontakt mit den an die Rückseiten- Oberfläche angrenzenden Regionen der Emitterbereiche stehen, so dass sie von dort aus auch elektrisch durch die Emitterkontakte kontaktiert werden können.
Die Emitterbereiche können durch Eindiffundieren von Dotanden in das Halbleitersubstrat erzeugt werden. Beispielsweise kann in einem Halbleitersubstrat vom p-Typ durch lokales Eindiffundieren von Phosphor ein Emitterbereich vom n-Typ erzeugt werden. Alternativ können die Emitterbereiche jedoch auch durch andere Verfahren wie zum Beispiel durch Ionenimplantation oder Legieren erzeugt werden, so dass sich eine sogenannte Homo- Junction, das heißt ein pn-Übergang mit gegensätzlich dotierten Bereichen eines gleichen Halbleitergrundmaterials, zum Beispiel Silizium, ergibt. Alternativ können die Emitterbereiche auch epitaktisch abgeschieden werden, beispielsweise aufgedampft oder aufgesputtert werden, so dass sich je nach Wahl des aufgebrachten Materials Homo- oder sogenannte Hetero-Junctions ergeben, das heißt, pn-Übergänge zwischen einem ersten Halbleitermaterial vom Basis-Halbleitertyp und einem zweiten Halbleitermaterials eines Emitter-Halbleitertyps, die Hetero-Junctions genannt werden, wenn sich Basis- und Emitter- Halbleiter durch mehr als nur den Leitungs-Typ (Dotierungs-Typ) unterscheiden. Ein mögliches Beispiel sind Emitterbereiche aus aufgedampftem bzw. mittels PECVD aufgebrachtem amorphem Silizium (a-Si) auf einem Halbleitersubstrat aus kristallinem Silizium (c-Si).
Auch die Basisbereiche können mittels eines der oben genannten Herstellungsverfahren erzeugt werden, wobei jedoch eine Erzeugung durch lokales Eindiffundieren eines Dotanden zur Bildung der Basisbereiche bevorzugt sein kann.
Die Emitterbereiche und die Basisbereiche können, in einer Draufsicht auf die Rückseiten- Oberfläche des Halbleitersubstrats gesehen, jeweils eine kammartige Struktur aufweisen, bei der jeweils lineare fingerartige Emitterbereiche an benachbarte lineare fingerartige Basisbereiche angrenzen. Eine solche verschachtelte Struktur wird auch als „interdigitated" bezeichnet.
Sowohl die Emitterkontakte als auch die Basiskontakte können jeweils in Form einer lokalen Metallisierung beispielsweise in Form von fingerartigen Grids ausgebildet sein. Hierzu können Metalle wie zum Beispiel Silber oder Aluminium lokal beispielsweise durch eine Maske oder unter Verwendung von Photo lithographie auf die Basis- bzw. Emitterbereiche abgeschieden werden, beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufsputtern oder durch ein Druckverfahren wie Siebdruck oder ein Dispensverfahren können die Metallkontakte in der gewünschten Struktur aufgebracht werden. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den Emitterkontakten und den Basiskontakten kann zwischen den beiden jeweils ein elektrisch isolierender Spalt vorgesehen sein. Dieses Ergebnis kann auch durch eine ganzflächig aufgebrachte Metallschicht erreicht werden, die im Nachhinein entlang der Linie der gewünschten Kontakttrennung lokal entfernt wird.
Ein wesentliches Merkmal für die erfindungsgemäße Rückkontakt-Solarzelle sind die Überlappungsbereiche, in denen sich an der Rückseite des Halbleitersubstrats in der Projektion auf die Rückseiten-Oberfläche sowohl ein Basisbereich wie auch ein Emitterbereich befindet. Der Basisbereich grenzt dabei direkt an die Rückseiten-Oberfläche, wohingegen der Emitterbereich in dieser Region weiter ins Innere des Halbleitersubstrats verlagert ist, wodurch der Emitter in diesem Bereich auch als „vergrabener Emitter" bezeichnet werden kann. Beide Bereiche können sich hierbei sehr nahe der Rückseiten- Oberfläche des Halbleitersubstrats erstrecken, insbesondere angesichts der im Vergleich zur Dicke der Emitter- bzw. Basisbereiche von z.B. wenigen Mikrometern üblicherweise großen Dicke des Halbleitersubstrats, die bei einem Siliziumwafer beispielsweise etwa 200 μm ausmachen kann. Der Emitterbereich kann sich jedoch, insbesondere in den Überlappungsbereichen, tiefer in das Halbleitersubstrat hineinerstrecken als die Basisbereiche. Beispielsweise kann der Emitterbereich sich bis in eine Tiefe von mehr als 1 μm, vorzugsweise mehr als 2 μm unterhalb der Rückseiten-Oberfläche erstrecken, wohingegen die Basisbereiche beispielsweise lediglich weniger als 1 μm tief, beispielsweise etwa 0,5 μm tief, in das Halbleitersubstrat hineinreichen.
Die Emitterbereiche erstrecken sich bei der fertig prozessierten Solarzelle nicht entlang der gesamten Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats, sondern es verbleiben dazwischen kleine lokale Bereiche, die nicht den Emitter-Halbleitertyp aufweisen und die später zur elektrischen Verbindung zwischen den an der Rückseiten-Oberfläche ausgebildeten Basisbereichen und den Basisbereichen im Inneren des Halbleitersubstrats dienen. Diese Verbindungsbereiche, in denen entweder bereits bei der Erzeugung der Emitterbereiche keine entsprechende Emitter-Dotierung bewirkt wurde oder in denen eine zuvor erzeugte Emitter- Dotierung nachträglich wieder entfernt wurde, beispielsweise durch Wegätzen oder durch Laser- Ablation, oder durch lokale Überkompensation der Emitter-Dotierung durch Basis- Dotierung können linienartig, beispielsweise parallel zu den später auszubildenden Basiskontakten, oder punktförmig sein.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstrecken sich die Emitterbereiche entlang mehr als 60%, vorzugsweise mehr als 70 %, noch stärker bevorzugt mehr als 80 % und wiederum stärker bevorzugt mehr als 90 %, der Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats und die Basisbereiche erstrecken sich entlang mehr als 25 %, vorzugsweise mehr als 40 % und stärker bevorzugt zwischen 45 % und 55 %, der Rückseiten- Oberfläche des Halbleitersubstrats.
Dadurch, dass sich die Emitterbereiche und die Basisbereiche teilweise überlappen, kann sich die Gesamtfläche der dem Hauptvolumen zugewandten Emitterbereiche und der der Zellrückseite zugewandten Basisbereiche zu mehr als 100 % der Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats summieren. Je weiter sich dabei die Emitter- und Basisbereiche überlappen, umso größer kann gleichzeitig der Flächenanteil der Emitterbereiche und der Basisbereiche sein. Je größer dabei der Flächenanteil der Emitterbereiche ist, um so effizienter können die im Inneren des Halbleitersubstrats durch einfallendes Licht erzeugten Minoritätsladungsträger durch den am Übergang zwischen dem Emitterbereich und dem Basisbereich im Inneren des Halbleitersubstrats erzeugten pn-Übergang eingesammelt werden, was zu einer hohen Stromdichte der Rückkontakt-Solarzelle beiträgt. Je größer andererseits der Flächenanteil der der Zellrückseite zugewandten Basisbereiche ist, umso großflächiger können auch die diese Basisbereiche überdeckenden Basiskontakte sein, ohne Kurzschlüsse zu den Emitterbereichen zu erzeugen, selbst in Abwesenheit einer elektrisch gut isolierenden Schicht auf der Rückseite der Solarzelle. Bei länglichen, fingerartigen Kontakten bedeutet dies, dass die Basiskontakte entsprechend breit sein können, ohne dass ein Risiko eines Überlappens mit seitlich benachbarten Emitterbereichen besteht. Aufgrund der großen Breite der Basiskontakte können Serienwiderstands Verluste in den Metallkontakten auch bei relativ geringen Metallschichtdicken minimiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt eine Fläche der von den Basiskontakten überdeckten Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats zwischen 70 % und 100 % der Fläche der Basisbereiche an der Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats. Mit anderen Worten können 70 % bis 100 %, vorzugsweise 90% bis 98%, der Fläche der Basisbereiche von Basiskontakten überdeckt sein. Aufgrund der dadurch möglichen großen Fläche der Basiskontakte können geringe Serienwiderstände in diesen Kontakten realisiert werden. Andererseits ragen die Basiskontakte vorzugsweise nicht seitlich über die darunterliegenden Basisbereiche hinaus, um etwaige Kurzschlüsse zwischen den Basiskontakten und den neben den Basisbereichen befindlichen Emitterbereichen zu vermeiden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Dotierungskonzentration in den Basisbereichen an der Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats höher als in Basisbereichen im Inneren des Halbleitersubstrats. Dies kann sich dadurch ergeben, dass die Basisbereiche an der Rückseiten-Oberfläche beim Herstellen der Solarzelle nachträglich in das Halbleitersubstrat eingebracht werden, beispielsweise eindiffundiert werden. Solche stark dotierten oberflächlichen Basisbereiche können als BSF (Back Surface Field) wirken. Beispielsweise kann die Dotierungskonzentration im Inneren des Halbleitersubstrats im Bereich von 1 x 1014 cm"3 bis 1 x 1017 cm"3 sein, wohingegen die Dotierungskonzentration in den Basisbereichen an der Rückseiten-Oberfläche größer als 1 x 1018 cm"3, vorzugsweise größer als 1 x 1019 cm"3 sein kann. Zusätzlich zu den BSF- Eigenschaften solch stark dotierter Basisbereiche können sich in den Überlappungsbereichen verhältnismäßig großflächige pn-Übergänge zwischen stark dotierten Emitter- und Basisbereichen ergeben. Wie in einer gleichzeitig mit dieser Anmeldung parallel eingereichten Patentanmeldung der Anmelderin detaillierter beschrieben, können solche flächigen p+n+-Übergange als Zenerdiode wirken, die für die Solarzelle die Funktion einer Bypass-Diode bereitstellen können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Dotierungskonzentration in den Basisbereichen an der Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats höher als in den Emitterbereichen. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die Basisbereiche durch lokales Überkompensieren von zuvor ausgebildeten Emitterbereichen gebildet werden.
Wenn zum Beispiel ein Emitterbereich mit einer Dotierungskonzentration von 5 x 1018 cm"3 erzeugt wird, kann anschließend in einem Teilbereich des Emitterbereichs ein Basisbereich mit einer Dotierungskonzentration von beispielsweise mehr als 2 x 1019 cm"3 durch Überkompensieren mit Dotanden für den entsprechend entgegengesetzten Halbleitertyp erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich eine Fläche der von den Emitterkontakten kontaktierten Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats weniger als 30%, vorzugsweise weniger als 20 % relativ, noch stärker bevorzugt weniger als 10 % relativ, von einer Fläche der von dem Basiskontakt kontaktierten Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats. Mit anderen Worten sind die Emitterkontakte und die Basiskontakte flächenmäßig in etwa ähnlich oder gleich groß, wobei idealerweise sowohl die Emitterkontakte als auch die Basiskontakte jeweils annähernd 50 % der Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats bedecken. Dadurch, dass beide Kontakttypen flächenmäßig etwa gleich groß sind, können auch die in den Kontakten bewirkten Serienwiderstände, die sowohl von der lateralen Flächenausdehnung wie auch von der Dicke der Kontakte abhängen, etwa gleich groß sein. Beide Kontakttypen können mit einer gleichen Dicke erzeugt werden, wobei die Dicke so gewählt werden kann, dass die Serienwiderstandsverluste in den Kontakten vernachlässigbar klein sind. Selbst wenn die beiden Kontakttypen im gleichen Verfahrensschritt erzeugt werden und somit automatisch die gleiche Dicke aufweisen, hat keiner der Kontakttypen eine übermäßig große Dicke und es wird kein für die Erzeugung der Kontakte notwendiges Metall verschwendet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Bereiche, in denen Basisbereiche an der Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats Basisbereiche im Inneren des Halbleitersubstrats kontaktieren, als punktförmige Verbindungsbereiche ausgebildet. Die Verbindungsbereiche unterbrechen hierbei die Überlappungsbereiche zwischen den Emitterbereichen und den Basisbereichen und können somit als elektrische Verbindung zwischen den die Basisbereiche kontaktierenden Basiskontakten und den Basisbereichen im Inneren des Halbleitersubstrats wirken. Dadurch, dass diese Verbindungsbereiche punktförmig ausgebildet werden, kann erreicht werden, dass die Unterbrechungen in dem Emitterbereich möglichst klein sind, so dass die Fläche des Strom-sammelnden pn-Übergangs maximiert wird. Beispielsweise können die punktförmigen Verbindungsbereiche linear hintereinander und äquidistant voneinander beabstandet parallel zu fingerförmigen Basiskontakten ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die zuvor genannten punktförmigen Verbindungsbereiche jeweils in seitlichen Randbereichen der Basisbereiche an der Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet. Dadurch, dass Verbindungsbereiche nicht in der Mitte, sondern in seitlichen Randbereichen der Basisbereiche ausgebildet sind, können die Strecken, die Ladungsträger, die im Inneren des Halbleitersubstrats durch Lichteinfall erzeugt wurden, zurücklegen müssen, bevor sie durch die Verbindungsbereiche hindurch zu den Basiskontakten abfließen können, reduziert werden. Dadurch kann ein reduzierter Serienwiderstand innerhalb der Basis erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Basisbereiche Phosphor-dotiert und die Emitterbereiche sind Bor-dotiert. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt es, zunächst die Emitterbereiche zu erzeugen und anschließend die Phosphor-dotierten Basisbereiche einzudiffundieren und dabei den Emitter-Push-Effekt zu nutzen, das heißt, die zuvor in den Emitterbereichen erzeugte Bor-Dotierung weiter ins Innere des Halbleitersubstrats zu treiben. Auf diese Weise können in verfahrenstechnisch einfacher Art die Überlappungsbereiche erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung grenzen die Emitterbereiche im Wesentlichen lediglich im Bereich der Emitterkontakte an die Rückseiten- Oberfläche an. Mit anderen Worten erstrecken sich die Emitterbereiche im Wesentlichen lediglich dort, wo sie von den Emitterkontakten kontaktiert werden, direkt an der Rückseiten- Oberfläche der Solarzelle und in allen anderen Bereichen sind die Emitterbereiche tiefer im Innern der Solarzelle „vergraben" und von der Rückseiten-Oberfläche durch einen dazwischen liegenden Basisbereich getrennt. Nochmals anders ausgedrückt reichen die Überlappungsbereiche bei dieser Ausführungsform lateral bis knapp an die von den Emitterkontakten kontaktierten Bereiche der Emitterbereiche heran.
"Im Wesentlichen" kann hierbei derart aufgefasst werden, das die an die Rückseiten- Oberfläche angrenzenden Bereiche der Emitterbereiche bis auf Fertigungstoleranzen genau, d.h. je nach Herstellungsverfahren bis auf wenige Mikrometer bis hin zu einigen hundert Mikrometern genau, mit den durch die Emitterkontakte kontaktierten Bereichen der Rückseiten-Oberfläche übereinstimmen. Zumindest soll in dieser Ausführungsform der Flächenanteil der an die Rückseiten-Oberfläche angrenzenden Bereiche der Emitterbereiche kleiner sein als der Flächenanteil der nicht an die Rückseiten-Oberfläche angrenzenden , d.h. vergrabenen, Bereiche der Emitterbereiche.
Damit ist bei dieser Ausfuhrungsform ein Großteil der Rückseiten-Oberfläche mit Basisbereichen bedeckt. Diese Basisbereiche lassen sich, insbesondere wenn es sich um n- Typ-Bereiche handelt, besser mit etablierten Techniken wie zum Beispiel thermischer Oxidation oberflächenpassivieren als p-Typ Emitterbereiche.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind zumindest einige der Basisbereiche nicht mit Basiskontakten in elektrischem Kontakt. Mit anderen Worten stehen nicht alle der Basisbereiche an der Rückseiten-Oberfläche in elektrischem Kontakt zu den Basiskontakten, sondern einige Basisbereiche sind von den Basiskontakten isoliert. Diese nicht direkt kontaktierten Bereiche werden auch als „floating" bezeichnet und lassen sich, insbesondere wenn es sich um n-Typ-Bereiche handelt, besonders gut oberflächenpassivieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle, insbesondere der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Solarzelle, vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Prozessschritte aufweist: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats, das einen Basis-Halbleitertyp aufweist; Ausbilden von Emitterbereichen entlang einer Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats, wobei die Emitterbereiche einen dem Basis-Halbleitertyp entgegengesetzten Emitter-Halbleitertyp aufweisen; Ausbilden von Basisbereichen entlang der Rückseiten-Oberfläche des Halbleitersubstrats, wobei die Basisbereiche den Basis-Halbleitertyp aufweisen; Ausbilden von Emitterkontakten zur elektrischen Kontaktierung der Emitterbereiche; und Ausbilden von Basiskontakten zur elektrischen Kontaktierung zumindest einiger der Basisbereiche. Hierbei werden die Emitterbereiche und die Basisbereiche derart ausgebildet, dass sie sich zumindest in Überlappungsbereichen überlappen und die Emitterbereiche in den Überlappungsbereichen von der Rückseiten-Oberfläche her gesehen tiefer in das Halbleitersubstrat hineinreichen als die Basisbereiche.
Die Emitterbereiche und die Basisbereiche können mittels unterschiedlicher Verfahren erzeugt werden, beispielsweise durch lokales Eindiffundieren unter Verwendung beispielsweise von Masken oder Lithographie, durch Ionenimplantation, durch lokales Einlegieren, durch epitaktisches Aufbringen entsprechender Schichten, durch ganzflächiges Aufbringen und anschließendes Strukturieren z.B. lokales Entfernen zum Beispiel mittels Laser- Ab lation, etc.
Die Emitter- und Basiskontakte können ebenfalls mittels verschiedener Verfahren ausgebildet werden, beispielsweise durch lokales Aufdampfen zum Beispiel unter Verwendung von Masken oder Lithographie, oder durch Siebdruck- oder durch Dispensverfahren. Generell können alle Verfahren verwendet werden, die es ermöglichen, Kontakte lokal, beispielsweise Finger- oder Grid-förmig, an einer Substratrückseite auszubilden, einschließlich der Möglichkeit, ganzflächige Metallschichten aufzubringen, die im Nachhinein durch lokales Entfernen strukturiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zunächst die Emitterbereiche mit einer ersten Tiefe und einer ersten Dotierungskonzentration und dann die Basisbereiche mit einer zweiten Tiefe und einer zweiten Dotierungskonzentration ausgebildet, wobei die erste Tiefe größer ist als die zweite Tiefe und wobei die erste Dotierungskonzentration kleiner ist als die zweite Dotierungskonzentration. Mit anderen Worten wird zunächst ein relativ schwach dotierter, tiefer Emitter gebildet, der dann lokal von einem stärker dotierten, flacheren Basisbereich überkompensiert werden kann. Dabei können außerhalb der überkompensierten Bereiche tiefer gelegene Emitterbereiche verbleiben, so dass sich der gewünschte Überlappungsbereich bildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die von der Rückseite der Solarzelle aus gesehen tiefer liegenden (vergrabenen) Emitterbereiche nicht dadurch erzeugt, dass ein tiefer Emitter gebildet und nahe der Oberfläche überkompensiert wird, sondern direkt, zum Beispiel mittels Ionen-Implantation von Dotierstoffen, in der gewünschten Tiefe erzeugt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zunächst die Emitterbereiche mit einer Bor-Dotierung ausgebildet und anschließend werden die Basisbereiche mit einer Phosphor-Dotierung ausgebildet. Hierbei ist es nicht zwingend notwendig, dass die Basisbereiche durch Überkompensieren der zuvor erzeugten Emitterbereiche erzeugt werden. Stattdessen kann in dieser Ausführungsform der Emitter- Push-Effekt genutzt werden, wobei während dem Eindiffundieren der Phosphor-Dotierung die zuvor dort vorhandene Bor-Dotierung vor sich hergeschoben wird und einen tiefer gelegenen Emitterbereich bildet. Entsprechend muss die Dotierungskonzentration in den Basisbereichen nicht unbedingt größer sein als in den Emitterbereichen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zumindest einige der Basisbereiche derart ausgebildet, dass sie nicht in elektrischem Kontakt mit Basiskontakten sind. Auf diese Weise können sogenannte „floatende" Basisbereiche ausgebildet werde, die sich insbesondere im Falle von n-Typ Basisbereichen gut oberflächenpassivieren lassen. Die floatenden Basisbereiche können von den durch die Basiskontakte kontaktierten Basisbereichen durch dazwischen liegende Emitterbereiche oder sonstige isolierende Schichten elektrisch isoliert sein.
Es wird angemerkt, dass die Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile der Erfindung hauptsächlich in Bezug auf die erfindungsgemäße Rückkontakt-Solarzelle beschrieben wurden. Ein Fachmann wird jedoch aus der vorangehenden und auch aus der nachfolgenden Beschreibung erkennen, dass, sofern dies nicht anders angegeben ist, die Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung auch analog auf das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für eine Solarzelle übertragen werden können. Insbesondere können die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen auch in beliebiger Weise untereinander kombiniert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungs formen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen ist, und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
Fig. 1 zeigt in Querschnittsdarstellung eine Rückkontakt-Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit überkompensierten Basisbereichen.
Fig. 2 zeigt in Querschnittsdarstellung eine Rückkontakt-Solarzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit durch den Emitter-Push-Effekt erzeugten Überlappungsbereichen.
Fig. 3 zeigt in Querschnittsdarstellung eine Rückkontakt-Solarzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit in Randbereichen der Basisbereiche ausgebildeten Verbindungsbereichen.
Fig. 4 zeigt eine auschnittsweise Draufsicht auf die Rückseite der in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform.
Fig. 5 zeigt in Querschnittsdarstellung eine Rückkontakt-Solarzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der Überlappungsbereiche bis nahe an die Emitterkontakte heranreichen. Fig. 6 zeigt in Querschnittsdarstellung eine Rückkontakt-Solarzelle gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung mit floatenden Basisbereichen.
Fig. 7 zeigt eine Rückkontakt-Solarzelle gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 8 zeigt eine weitere Rückkontakt-Solarzelle gemäß dem Stand der Technik.
Alle Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. In den Figuren sind ähnliche oder gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte erfindungsgemäße Rückkontakt-Solarzelle weist ein Halbleitersubstrat 1 in Form eines Siliziumwafers auf. An der Rückseiten-Oberfläche 3 des Halbleitersubstrats 1 sind sowohl Emitterbereiche 5 als auch Basisbereiche 7 ausgebildet. An der Rückseiten-Oberfläche 3 befindet sich ferner eine dielektrische Schicht 9 aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, die zur Passivierung der Oberfläche des Halbleitersubstrats und/oder als Rückseiten-Reflektor dienen kann, die jedoch nicht zwingend elektrisch isolierend sein muss. Über der dielektrischen Schicht 9 sind dann die Emitterkontakte 11 und die Basiskontakte 13 ausgebildet. Sowohl die Emitter- als auch die Basiskontakte 11, 13 sind in Form länglicher, fingerförmiger, senkrecht zur Zeichenebene verlaufender Kontakte ausgebildet. Sie haben im Wesentlichen gleiche Breiten WE, WB. Der Emitterkontakt 11 kontaktiert durch linienförmige Öffnungen oder durch linear hintereinander benachbart angeordnete punktförmige Öffnungen 15 in der dielektrischen Schicht 9 hindurch einen Emitterbereich 5. Die Breite we des an die Rückseiten-Oberfläche 3 angrenzenden Teilbereichs des Emitterbereichs 5 ist geringfügig größer als die Breite WE des entsprechenden Emitterkontakts 11. Dementsprechend besteht selbst dann, wenn die dielektrische Schicht 9 nicht elektrisch isolierend ist, kein Risiko, dass der Emitterkontakt 11 einen Kurzschluss zu dem benachbarten Basisbereich 7 bewirkt. In analoger Weise erstreckt sich ein fingerförmiger Basiskontakt 13 über die dielektrische Schicht 9 und kontaktiert durch eine linienförmige Öffnung oder durch linear hintereinander benachbart angeordnete punktförmige Öffnungen 17 den darunter liegenden Basisbereich 7. Auch hier ist die Breite WB des Basiskontakts 13 geringfügig kleiner als die Breite Wb des darunter liegenden Basisbereichs 7, so dass kein Risiko von Kurzschlüssen zwischen Metallkontakten der einen Polarität und Halbleiterbereichen der anderen Polarität, also beispielsweise zwischen Basiskontakten und Emitterbereichen, besteht.
In Überlappungsbereichen 19 überlappt der Emitterbereich 5 einen seitlich daran angrenzenden Basisbereich 7. Dieser Überlappungsbereich 19 entsteht hierbei dadurch, dass zur Herstellung der dargestellten Rückkontakt-Solarzelle zunächst die Emitterbereiche 5 mit einer verhältnismäßig großen Tiefe te in die Rückseite des Halbleitersubstrats 1 eindiffundiert wurden und anschließend die Basisbereiche 7 mit einer geringeren Tiefe tb eindiffundiert wurden, wobei die Diffusion der Basisbereiche der dabei verwendeten Prozessparameter, wie zum Beispiel Temperatur und Diffusionsdauer, derart vorgenommen wird, dass im Bereich der Basisbereiche 7 eine Überkompensation der dort zuvor befindlichen Emitter-Dotierung stattfindet.
Die Überlappungsbereiche 19 weisen eine Breite wu auf, die geringfügig kleiner ist als die halbe Breite Wb der Basisbereiche 7. Somit bleibt zwischen gegenüber liegenden Überlappungsbereichen 19 ein kleiner als Verbindungsbereich 21 wirkender Spalt , an dem der entsprechende Basisbereich 7 mit dem Inneren des Halbleitersubstrats 1 in elektrischem Kontakt steht und über den die im Halbleitersubstrat 1 erzeugten Majoritätsladungsträger hin zum Basiskontakt 13 strömen können.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rückkontakt-Solarzelle stimmt in den meisten ihrer Merkmale mit der in Fig. 1 gezeigten Ausfuhrungsform überein. Hauptunterschied ist der in dem Emitterbereich 5 am Rande des Überlappungsbereichs 19 erkennbare stufenförmige Übergang 23. Dieser Übergang 23 kommt dann zustande, wenn bei der Erzeugung der Emitterbereiche 5 und der Basisbereiche 7 der Emitter-Push-Effekt genutzt wird und somit beim Eindiffundieren des Basisbereichs 7 der darüber liegende Emitterbereich 5 im Überlappungsbereich 19 tiefer ins Innere des Halbleitersubstrats 1 hineingeschoben wird.
Die in den Fign. 3 und 4 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rückkontakt- Solarzelle unterscheidet sich von den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen hauptsächlich dadurch, dass sich der Verbindungsbereich 21, der den an der Rückseiten- Oberfläche 3 angeordneten Basisbereich 7 mit dem Inneren des Halbleitersubstrats 1 verbindet, nicht wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt etwa in der Mitte des Basisbereichs 7 angeordnet ist. Stattdessen sind zwei solche Verbindungsbereiche 21 vorgesehen, die jeweils in Randbereichen 25 der Basisbereiche 7 vorgesehen sind und vorzugsweise keine langen, parallel zu den Metallkontakten verlaufenden Linien bilden, sondern besonders bevorzugt punktförmige Verbindungsbereiche darstellen. Dadurch können zum Beispiel Majoritätsladungsträger, die im Innern des Halbleitersubstrats 1 in einem Bereich oberhalb der Emitterbereiche 5, das heißt zwischen zwei lateral benachbarten Basisbereichen 7 erzeugt werden, durch die in dem Randbereich 25 vorgesehenen Verbindungsbereiche 21 hin zum Basiskontakt 13 abfließen, anstatt wie in den in den Fign. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen bis hin zu dem in der Mitte des Basisbereichs 7 vorgesehenen Verbindungsbereich 21 über einen längeren Weg strömen zu müssen, bevor sie zum Basiskontakt 13 abfließen können. Entsprechend können hierdurch Serienwiderstands Verluste reduziert werden.
Dadurch, dass die Verbindungsbereiche 21 in dieser Ausführungsform lediglich punktförmig ausgebildet sind, besteht auch ein elektrischer Kontakt, der mittig über den Basiskontakten 13 angeordneten Regionen der Emitterbereiche 5 zu den mit den Emitterkontakten 11 in elektrischem Kontakt stehenden Regionen dieser Emitterbereiche 5. Abgesehen von den kleinen Aussparungen an den Verbindungsbereichen 21 kann somit im Wesentlichen die gesamte Fläche der Solarzelle mit einem Emitter 5 bedeckt sein, so dass Ladungsträger sehr effizient eingesammelt werden können.
In Fig. 5 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Emitterbereiche 5 lediglich im Bereich der Emitterkontakte 11 an die Rückseiten-Oberfläche 3 angrenzen. In den dazwischen liegenden Bereichen sind die Emitterbereiche 5 tiefer im Innern der Solarzelle vergraben und von der Rückseiten-Oberfläche 3 durch dazwischen liegende Basisbereiche 7 getrennt. Diese Basisbereiche 7 sind wiederum von einer dielektrischen Schicht 9, vorzugsweise einem thermischen Oxid, bedeckt und dadurch sehr gut oberflächenpassiviert.
In Fig. 6 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der einige der Basisbereiche 7 nicht mit Basiskontakten 13 in elektrischem Kontakt sind. Diese „floatenden" Basisbereiche 7' sind durch Teile der Emitterbereiche 5 von den kontaktierten Basisbereichen 7 isoliert. Die floatenden Basisbereiche 7' können durch eine darauf abgeschiedenen dielektrische Schicht 9 sehr gut passiviert werden.
Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „umfassen", „aufweisen", etc. das Vorhandensein weiterer Elemente nicht ausschließen. Der Begriff „ein" schließt auch das Vorhandensein einer Mehrzahl von Gegenständen nicht aus. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen lediglich der besseren Lesbarkeit und sollen den Schutzbereich der Ansprüche in keiner Weise beschränken.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Rückkontaktsolarzelle, aufweisend:
ein Halbleitersubstrat (1);
Basisbereiche (7) entlang der Rückseiten-Oberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1), wobei die Basisbereiche (7) einen Basis-Halbleitertyp aufweisen;
Emitterbereiche (5) entlang einer Rückseiten-Oberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1), wobei die Emitterbereiche (5) einen dem Basis-Halbleitertyp entgegengesetzten Emitter-Halbleitertyp aufweisen;
Emitterkontakte (11) zur elektrischen Kontaktierung der Emitterbereiche (5);
Basiskontakte (13) zur elektrischen Kontaktierung zumindest einiger der Basisbereiche (7);
wobei sich die Emitterbereiche (5) und die Basisbereiche (7) zumindest in Überlappungsbereichen (19) überlappen und wobei die Emitterbereiche (5) in den Überlappungsbereichen (19) von der Rückseiten-Oberfläche (3) tiefer in das Halbleitersubstrat (1) hineinreichen als die Basisbereiche (7).
2. Rückkontaktsolarzelle nach Anspruch 1, wobei die Emitterbereiche (5) sich entlang mehr als 65% der Rückseiten-Oberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1) erstrecken und wobei die Basisbereiche (7) sich entlang mehr als 40% der Rückseiten- Oberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1) erstrecken.
3. Rückkontaktsolarzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Fläche der von den Basiskontakten (13) überdeckten Rückseiten-Oberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1) zwischen 50% und 100% der Fläche der Basisbereiche (7) an der Rückseiten- Oberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1) beträgt.
4. Rückkontaktsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Dotierungskonzentration in den Basisbereichen (7) an der Rückseiten-Oberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1) höher ist als in Basisbereichen im Innern des Halbleitersubstrates (1).
5. Rückkontaktsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Dotierungskonzentration in den Basisbereichen (7) an der Rückseiten-Oberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1) höher ist als in Emitterbereichen (5).
6. Rückkontaktsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Fläche der von dem Emitterkontakt (11) kontaktierten Rückseiten-Oberfläche (13) des Halbleitersubstrates (1) sich weniger als 20% relativ von einer Fläche der von dem Basiskontakt (13) kontaktierten Rückseiten-Oberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1) unterscheidet.
7. Rückkontaktsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei Bereiche, in denen Basisbereiche (7) an der Rückseiten-Oberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1) Basisbereiche im Innern des Halbleitersubstrates (1) kontaktieren, als punktförmige Verbindungsbereiche (21) ausgebildet sind.
8. Rückkontaktsolarzelle nach Anspruch 7, wobei die punktförmigen Verbindungsbereiche (21) jeweils in seitlichen Randbereichen (25) der Basisbereiche (7) an der Rückseiten-Oberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1) angeordnet sind.
9. Rückkontaktsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Basisbereiche (7) Phosphor-dotiert sind und die Emitterbereiche (5) Bor-dotiert sind.
10. Rückkontaktsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Emitterbereiche (5) im Wesentlichen lediglich im Bereich der Emitterkontakte (11) an die Rückseiten- Oberfläche (3) angrenzen.
11. Rückkontaktsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zumindest einige (7') der Basisbereiche (7) nicht mit Basiskontakten (13) in elektrischem Kontakt sind.
12. Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle, aufweisend:
Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (1);
Ausbilden von Basisbereichen (7) entlang der Rückseiten-Oberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1), wobei die Basisbereiche (7) einen Basis-Halbleitertyp aufweisen;
Ausbilden von Emitterbereichen (5) entlang einer Rückseiten-Oberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1), wobei die Emitterbereiche (5) einen dem Basis-Halbleitertyp entgegengesetzten Emitter-Halbleitertyp aufweisen;
Ausbilden von Emitterkontakten (11) zur elektrischen Kontaktierung der Emitterbereiche (5); Ausbilden von Basiskontakten (13) zur elektrischen Kontaktierung zumindest einiger der Basisbereiche (7);
wobei die Emitterbereiche (5) und die Basisbereiche (7) derart ausgebildet werden, dass sie sich zumindest in Überlappungsbereichen (19) überlappen und die Emitterbereiche (5) in den Überlappungsbereichen (19) von der Rückseiten- Oberfläche (3) tiefer in das Halbleitersubstrat (1) hineinreichen als die Basisbereiche (7).
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei zuerst die Emitterbereiche (5) mit einer ersten Tiefe und einer ersten Dotierungskonzentration und dann die Basisbereiche (7) mit einer zweiten Tiefe und einer zweiten Dotierungskonzentration ausgebildet werden, wobei die erste Tiefe größer ist als die zweite Tiefe und wobei die erste Dotierungskonzentration kleiner ist als die zweite Dotierungskonzentration.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei zuerst die Emitterbereiche (5) mit einer Bor-Dotierung ausgebildet werden und dann die Basisbereiche (7) mit einer Phosphor-Dotierung ausgebildet werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei zumindest einige (7') der Basisbereiche (7) derart ausgebildet werden, dass sie nicht in elektrischem Kontakt mit Basiskontakten (13) sind.
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