EP2412008A1 - Verfahren zur herstellung von solarzellen mit selektivem emitter - Google Patents

Verfahren zur herstellung von solarzellen mit selektivem emitter

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EP2412008A1
EP2412008A1 EP10711215A EP10711215A EP2412008A1 EP 2412008 A1 EP2412008 A1 EP 2412008A1 EP 10711215 A EP10711215 A EP 10711215A EP 10711215 A EP10711215 A EP 10711215A EP 2412008 A1 EP2412008 A1 EP 2412008A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
diffusion
wafer
doping source
etching
emitter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10711215A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Wuetherich
Jan Lossen
Mathias Weiss
Karsten Meyer
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Ersol Solar Energy AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Ersol Solar Energy AG filed Critical Ersol Solar Energy AG
Publication of EP2412008A1 publication Critical patent/EP2412008A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
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    • H01L21/22—Diffusion of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, into or out of a semiconductor body, or between semiconductor regions; Interactions between two or more impurities; Redistribution of impurities
    • H01L21/225—Diffusion of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, into or out of a semiconductor body, or between semiconductor regions; Interactions between two or more impurities; Redistribution of impurities using diffusion into or out of a solid from or into a solid phase, e.g. a doped oxide layer
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    • H01L21/2254—Diffusion into or out of group IV semiconductors from or through or into an applied layer, e.g. photoresist, nitrides
    • H01L21/2255—Diffusion into or out of group IV semiconductors from or through or into an applied layer, e.g. photoresist, nitrides the applied layer comprising oxides only, e.g. P2O5, PSG, H3BO3, doped oxides
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a process for the production of solar cells with selective emitter.
  • One way of producing selective emitter structures is first of all to apply a diffusion mask, to open it at the desired locations, for example by printing an etching paste on certain areas or by laser ablation, in order then to carry out a high degree of diffusion into the volume of the wafer. Then the mask is to be removed and over the entire surface to realize a further diffusion with the aim of forming portions of lower doping.
  • a weak diffusion is carried out.
  • AU 570 309 it is known first to perform a weak diffusion on the wafers over the entire surface. Subsequently, a very dense silicon nitride layer is applied by means of an LPCVD step, which serves both as a mask and later takes on the function of the anti-reflection layer. Trenches are then cut into the substrate by means of lasers. In these trenches into a strong doping is then made. The trenches in turn are subsequently metallized by nickel-copper-tin plating.
  • a method for manufacturing a silicon solar cell with a selective emitter is previously known.
  • a planar emitter is produced on a surface of the substrate.
  • This step is followed by an etching of the emitter surface in non-covered by the etching barrier second portions.
  • metal contacts are produced at the first subareas.
  • a porous silicon layer is formed, which is subsequently oxidizable. This oxidized porous silicon layer can subsequently be etched away together with optionally existing phosphorus glass. Using known screen printing and etching techniques, this method is said to be compatible with current industrial manufacturing equipment.
  • the relevant idea is to first produce an emitter on at least one surface of a solar cell substrate with a homogeneous doping concentration high enough that it is suitable for contacting in the later screen printing process is.
  • first subregions of the already existing emitter surface are protected by an etching barrier.
  • the unprotected areas are subject to the Etching step, so that the thickness of the emitter is reduced in the mentioned areas, with the result that in these second partial areas, an emitter is formed with an increased sheet resistance.
  • a planar emitter is produced on a surface of a solar cell substrate. Subsequently, a layer of porous silicon is created, which is then selectively subject to etching back.
  • any desired methods can be used according to DE 10 2007 062 750 A1. For example, it is possible to form the planar emitter by means of a POCl 3 - Gasphase ⁇ diffus ⁇ on by diffusing phosphorus from a hot gas phase in the surface of the substrate.
  • the parameters when generating the flat emitter should be selected so that preferably sets an emitter layer resistance of less than 60 ⁇ / D.
  • An etching barrier is applied to the created first subregions of the front surface of the substrate. The etch barrier protects the underlying first portions of the emitter surface from the etchant.
  • the emitter surface is etched down so strongly in the etching step in the second subregions until a desired high sheet resistance of, for example, more than 60 ⁇ / D is stiffened in the remaining emitter layer.
  • the sheet resistance is checked by measurement in order to be able to cancel the etching process in a targeted manner.
  • an additional step takes place with regard to the production of the mentioned porous silicon layer.
  • This process step takes place after the deposition of the etching barrier at the second partial regions of the emitter surface of the substrate which are not covered by the etching barrier.
  • an etching process which leads to the formation of an at least partially porous silicon layer. This porous Siiizium Mrs is oxidized at a later process step.
  • the photovoltaic cell with two or more selectively diffused regions assumes that the selective regions are produced by means of a single diffusion step.
  • a screen printing of solid-based dopant pastes is assumed in order to then form the diffusion regions with a first high-temperature heat-curing step.
  • a second high-temperature heat treatment step is performed.
  • Homogeneous emitters as they are usually used in industrial manufacturing so far, have relatively poor optical and electronic properties. In order to achieve a sufficiently low contact resistance, much more doping is required than is necessary for a sufficient electrical function per se. The too high doping is noticeable as too high emitter saturation current, which has a negative influence on the open clamping voltage and the filling factor. Due to the low charge carrier lifetime in the highly doped emitter, charge carriers generated there can not be separated, which leads to a reduction in the short-circuit current and ultimately results in a reduced efficiency of the solar cell.
  • the proposed methods for producing selective emitters avoid the abovementioned disadvantages at least occasionally, but are not suitable for cost-effective industrial implementation for various reasons.
  • a mask to open the area to be contacted later is less economical in that more than 80% of the area to be covered with an etching mask, such as an etching varnish, which also leads to high costs.
  • the opening with a screen-applied etching paste or by laser ablation on the one hand entails an increased safety expenditure when using aggressive paste materials and on the other hand a strong damage to the surface during treatment by laser ablation.
  • the solution according to DE 10 2007 035 068 Al reduces the need for Abdecklack.
  • the disadvantage is that the sheet resistance in the low-doped region is produced by back etching.
  • the etching processes outlined there are not self-limiting. Inhomogeneities of the etching bath such as temperature, concentration of the etching medium or the degradation products therefore lead to an inhomogeneity of the sheet resistance, which adversely affects the cell efficiency.
  • the etching solutions necessary there are extremely aggressive, which makes it difficult to choose a suitable masking varnish.
  • the emitter profile produced after etchback still has too high a surface concentration of the dopant, resulting in an undesirably high emitter saturation current.
  • the wafers on their front side can have texturing carried out in a manner known per se. Under front side is here to understand the side that is exposed to the solar cell during later use of the solar cell.
  • the wafer treated in this way is then provided with a full-surface doping source. During the application of the full-area doping source and subsequently thereto, an easy, first introduction of the dopant is achieved until a first sheet resistance region is reached.
  • the doping source is patterned, wherein as a result of the structuring only those areas remain which substantially correspond to the sections to be contacted later on the wafer or by a deliberately predetermined small amount are larger than these contact portions.
  • the doping source preferably comprises phosphosilicate glass (PSG).
  • PSG phosphosilicate glass
  • the first sheet resistance range is after completion of the two diffusions at substantially 100 to 300 ⁇ / D.
  • the second layer resistance region for the emitter section below the later contacts is between 30 ⁇ / D and less than 100 ⁇ / D.
  • the structuring of the doping source takes place in that etching-resistant masking is applied to the areas to be left, with subsequent execution of the etching step.
  • the masking may be formed by screen printing, stencil printing, hot melt screen printing, ink jet printing, dispensing, aerosol printing, hot melt ink jet printing or the like.
  • the etching mask is removed.
  • the etching process can be carried out wet-chemically or under plasma or plasma-assisted, wherein after the etching step the masking layer and any residues are stripped or ashed by creating an oxygen plasma.
  • oxidation of the surface of the wafer is possible in order to bring about a further lowering of the surface concentration as well as an injection of interstitial oxygen atoms into the wafer.
  • the figure shows a basic sequence of steps a) to f) with the aim of forming a selective emitter by structuring the doping source to the front side metallization, wherein the processing of the back can be done by any method of the prior art.
  • a doping source e.g. Phosphosilicate glass (PSG) applied and slightly diffused (Fig. Ia)).
  • PSG Phosphosilicate glass
  • Fig. Ia The silicon wafer is here provided with reference numeral 1 and the full-surface applied diffusion source with the reference numeral 2.
  • the slightly diffused region is indicated by the reference numeral 5.
  • a sheet resistance between 100 and 200 ⁇ / ⁇ is set.
  • This can be done in a combined process step of gas phase diffusion, e.g. Phosphoroxyl chloride (POCb) and heat treatment done, for example in a quartz tube furnace.
  • gas phase diffusion e.g. Phosphoroxyl chloride (POCb)
  • heat treatment done, for example in a quartz tube furnace.
  • the doping source eg PSG
  • APCVD Atmospheric Plasma Chemical Vapor Deposition
  • the applied full-surface diffusion source 2 is structured, so that strip-shaped regions 3 remain, as shown in FIG. Ib) greatly simplified.
  • the structuring of the doping source takes place in such a way that the area which is to be electrically later contacted is still covered by the source material, but all other areas are no longer covered.
  • the source material may also be left slightly above or below this later contact area.
  • the above-mentioned structuring of the doping or diffusion source can be achieved by various methods.
  • etch-resistant layer include, but are not limited to, organic, dry-crosslinking paints, waxy organic materials, UV-curing paints, as well as silicon-oxide-nitride films prepared by annealing starting materials of this type.
  • the masking areas or sections may be realized by screen printing, stencil printing, hot melt screen printing, ink jet printing, hot melt ink jet printing, dispensing, aerosol printing or the like.
  • the diffusion source is removed by etching, wherein here advantageously an etching medium is selected, which etches the diffusion source with a high selectivity with respect to the silicon-based material of the wafer.
  • acids with the same property can be used in a wet-chemical etching.
  • a plasma step in the sense of dry etching can also be used.
  • fluorine ion-based etching processes eg with CF 4 , have a selectivity necessary for the PSG layer removal.
  • the masking layer is removed. This can then be done in the same etching plant in which the diffusion source was removed.
  • Organic layers can be removed wet-chemically by suitable stripper solutions. Silicon oxide-nitride layers can be etched with phosphoric acid.
  • etching pastes in the areas in which the swelling layer is to be removed, or the dry etching by etching masks.
  • the surface passivation can be performed more effectively at a lower doping concentration at the surface.
  • the diffusion may e.g. by temperature treatment in a quartz tube furnace or in a continuous furnace.
  • an additional oxidation of the swelling layer and the Banlsch ⁇ cht-free surface can be done. This allows a further reduction of the surface concentration.
  • the oxidation can also accelerate the diffusion.
  • Fig. Id shows the situation after the removal of the remaining diffusion sources.
  • Fig. Ie symbolically represents an applied antireflection layer 6.
  • the preparation of the antireflection layer 6, the implementation of the edge insulation and the production of the metallization contacts 7 can be carried out by different methods known per se.
  • care must be taken to ensure that the intended contact areas (heavy doping 4) are maintained.
  • the emitter can passivate better. This and the cheaper doping profile reduce the emitter saturation current, which in turn increases the no-load voltage of the solar cell. Finally, the contact resistance of the front side metallization to the emitter can be reduced.
  • the method described is characterized by a particular simplicity and manageable process management. Only a small part of the surface of the wafer needs to be masked, so less masking material is needed.
  • a variety of readily controllable materials comes into question.
  • the etching of e.g. PSG as Dot ⁇ eretti can be carried out with hydrofluoric acid in a very cost-effective manner and easily controlled.
  • the mentioned diffusion processes are relatively short and feasible at moderate temperatures. This saves energy and allows the process to be used on a wide range of silicon feedstock and wafers made from it. This also applies to wafers in which an excessively high temperature budget would lead to a reduction in the service life.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von. Solarzellen mit selektivem Emitter. Zunächst werden sägeschadenfreie Wafer (1) bereitgestellt. Es erfolgt dann ein vollflächiges Aufbringen einer Dotierquelle (2) auf den Wafer sowie ein leichtes, erstes Eindiffundieren des Dotanden bis zum Erreichen eines ersten Schichtwiderstandsbereichs. Hieran schließt sich eine Strukturierung der aufgebrachten Dotierquelle an, wobei im Ergebnis der Strukturierung nur solche Bereiche (4) verbleiben, die im Wesentlichen den später zu kontaktierenden Abschnitten auf dem Wafer entsprechen. Es erfolgt ein Ausführen einer weiteren, zweiten Diffusion aus den verbliebenen Bereichen der Dotierquelle in das Wafervolumen hinein bis zum Erzielen eines zweiten Schichtwiderstandsbereichs für den selektiven Emitter (4) sowie ein gleichzeitiges Umverteilen des bei der ersten Diffusion eingebrachten Dotanden (5) mit dem Ziel des Absenkens der Dotierkonzentration in dem oberflächennahen Bereich, welcher nicht mehr mit der Dotierquelle bedeckt ist, unter der Maßgabe, dass die Schichtwiderstandswerte des ersten Schichtwiderstandsbereichs größer sind als diejenigen des zweiten Schichtwiderstandsbereichs.

Description

Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit selektivem Emitter
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit selektivem Emitter.
Derzeit werden industriell Solarzellen im sogenannten Firing-Through-SiNx- Verfahren hergestellt. Dabei wird auf der Zellvorderseite durch Diffusion von Phosphor ein homogener Emitter mit einem Schicht- bzw. Flächenwiderstand im Bereich von 40 bis 80 Ω/D erzeugt. Auf dieser Schicht wird eine weitere Schicht aus Siliziumnitrid abgeschieden, welche der Passivierung und Verminderung der Reflexion dient. Anschließend wird ein Kontaktgitter aus Silberpaste aufgebracht. In einem Sinterschritt wird die vorerwähnte Paste eingebrannt. Spezielle Bestandteile in der Silberpaste ermöglichen die Ausbildung eines elektrischen Kontakts zwischen dem Kontaktgitter und dem eigentlichen Emitter. Ein Nachteil dieser Art der Kontaktausbildung ist die Notwendigkeit einer sehr hohen Dotierung des Emitters, um einen ausreichend geringen Kontaktwiderstand zu realisieren. Dies wiederum hat in den Gebieten zwischen den ausgebildeten Kontaktfingern hohe Verluste durch Rekombination der Ladungsträger zur Folge.
Um diesem Nachteil zu begegnen, wurden sogenannte selektive Emitter für Solarzellen vorgeschlagen. Bei diesen Zellen wird nur der Kontaktbereich hoch dotiert, wobei der Rest der Waferfläche eine geringe Dotierung besitzt.
Eine Möglichkeit, selektive Emitterstrukturen zu erzeugen, besteht zunächst darin, eine Diffusionsmaske aufzubringen, diese an den gewünschten Stellen zu öffnen, z.B. durch Druck einer Ätzpaste auf bestimmten Bereichen oder durch Laserablation, um dann eine starke Diffusion in das Volumen des Wafers hinein auszuführen. Anschließend ist die Maske zu entfernen und ganzflächig eine weitere Diffusion mit dem Ziel der Ausbildung von Abschnitten niedrigerer Dotierung zu realisieren.
Bei einer weiteren Variante des Standes der Technik wird zunächst eine schwache Diffusion durchgeführt. Gemäß AU 570 309 ist es bekannt, zunächst ganzflächϊg eine schwache Diffusion auf den Wafern durchzuführen. Im Anschluss wird mittels eines LPCVD-Schritts eine sehr dichte Siliziumnitrid- schicht aufgebracht, die sowohl als Maske dient als auch später die Funktion der Antϊreflexionsschicht übernimmt. Mittels Laser werden dann Gräben in das Substrat geschnitten. In diese Gräben hinein wird dann eine starke Dotierung vorgenommen. Die Gräben wiederum werden im Anschluss durch eine Nickel- Kupfer-Zinn-Plattierung metallisiert.
Aus der DE 10 2007 035 068 Al ist ein Verfahren zum Fertigen einer Silizium- Solarzelle mit einem selektiven Emitter vorbekannt. Bei diesem Verfahren wird in einem ersten Schritt ein flächiger Emitter an einer Oberfläche des Substrats erzeugt. Es schließt sich dann das Aufbringen einer Ätzbarriere auf erste Teilbereiche der Emitteroberfläche an. Dieser Schritt ist gefolgt von einem Ätzen der Emitteroberfläche in nicht von der Ätzbarriere bedeckten zweiten Teilbereichen. Nach dem Entfernen der Ätzbarriere werden M eta I Ikontakte an den ersten Teilbereichen erzeugt. Als vorteilhaft wird in der DE 10 2007 035 068 Al dargelegt, dass während des Verfahrens, insbesondere beim Ätzen der Emitteroberfläche in den zweiten Teilbereichen, eine poröse Silϊziumschicht entsteht, die anschließend aufoxidierbar ist. Diese aufoxidierte poröse Siliziumschicht kann nachfolgend zusammen mit gegebenenfalls vorhandenem Phosphorglas weggeätzt werden. Durch die Anwendung bekannter Siebdruck- und Ätztechnologϊen soll dieses Verfahren kompatibel mit derzeitigen industriellen Fertigungsanlagen sein.
Fasst man die Lehre nach DE 10 2007 035 068 Al zusammen, dann besteht die dortige maßgebliche Idee darin, zunächst einen Emitter an wenigstens einer Oberfläche eines Solarzellensubstrats mit einer homogenen Dotierungskonzentration herzustellen, die hoch genug ist, dass sie für eine Kontaktierung im späteren Siebdruckverfahren geeignet ist. Daran direkt anschließend, vorzugsweise vor dem Abscheiden einer Antireflex- oder Passisiverungsschicht werden erste Teilbereiche der bereits vorliegenden Emitteroberfläche durch eine Ätzbarriere geschützt. Die nicht geschützten Bereiche unterliegen dem Ätzschritt, so dass die Dicke des Emitters in den erwähnten Bereichen reduziert wird mit der Folge, dass in diesen zweiten Teilbereichen ein Emitter mit einem erhöhten Schichtwiderstand entsteht.
Bei dem Verfahren zum Fertigen einer Silizium-Solarzelle mit rückgeätztem Emitter nach DE 10 2007 062 750 Al wird in einem ersten Schritt ein flächiger Emitter auf einer Oberfläche eines Solarzellensubstrats erzeugt. Im Anschluss wird eine Schicht aus porösem Silizium geschaffen, die dann gezielt einer Rückätzung unterliegt. Für den Schritt des Erzeugens eines flächigen Emitters können nach DE 10 2007 062 750 Al beliebige Verfahren genutzt werden. Beispielsweise ist es möglich, den flächigen Emitter mittels einer POCI3- Gasphaseπdiffusϊon durch Eindiffundieren von Phosphor aus einer heißen Gasphase in die Oberfläche des Substrats zu bilden. Die Parameter beim Erzeugen des flächigen Emitters sollen dabei so gewählt werden, dass sich vorzugsweise ein Emitterschichtwiderstand von weniger als 60 Ω/D einstellt. Auf die geschaffenen ersten Teilbereiche der Frontseitenoberfläche des Substrats wird eine Ätzbarriere aufgebracht. Die Ätzbarriere schützt die darunter liegenden ersten Teilbereiche der Emitteroberfläche gegen das Ätzmedium. Die Emitteroberfläche wird im Ätzschritt in den zweiten Teilbereichen so stark heruntergeätzt, bis sich in der verbleibenden Emitterschicht ein gewünschter hoher Schichtwiderstand von beispielsweise mehr als 60 Ω/D einsteift. Während des Ätzvorgangs wird der Schichtwiderstand durch Messung überprüft, um den Ätzvorgang gezielt abbrechen zu können. In einer Weiterbildung des Verfahrens nach DE 10 2007 062 750 Al erfolgt ein zusätzlicher Schritt hinsichtlich des Erzeugens der erwähnten porösen Siiiziumschicht. Dieser Prozessschritt erfolgt nach dem Abscheiden der Ätzbarriere an den nicht von der Ätzbarriere bedeckten zweiten Teilbereichen der Emitteroberfläche des Substrats. Es kann hier auch, anstatt die Emitteroberfläche in den von der Ätzbarriere ungeschützten Bereichen flächig zu ätzen, ein Ätzverfahren zur Anwendung kommen, das zur Bildung einer zumindest teilweisen porösen Siiiziumschicht führt. Diese poröse Siiiziumschicht wird bei einem späteren Verfahrensschritt aufoxidiert.
Die Photovoltaikzelle mit zwei oder mehreren selektiv diffundierten Bereichen nach DE 697 31 485 T2 geht davon aus, die selektiven Bereiche mit Hilfe eines einzigen Diffusionsschritts zu erzeugen. Um unterschiedlich selektiv diffundierte Bereiche auf dem Halbleitersubstrat mit verschiedenen Dotierstoffniveaus schaffen zu können, wird von einem Siebdruck feststoffbasierter Dotierstoffpasten ausgegangen, um die Diffusionsbereiche dann mit einem ersten Hochtemperatur-Wärmebehaπd- lungsschritt zu bilden. Nach dem Siebdruck einer Metallpaste für die Kontaktfinger wird ein zweiter Hochtemperatur-Wärmebehandlungsschritt durchgeführt.
Zum Stand der Technik sei noch auf R.E. Schlosser et al, „Maπufacturing of Transparent Selectϊve Emitter and Boron Back-Surface Solar CeIIs Using Screen Printing Technique", 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, 4-8 September 2006, Dresden verwiesen.
Aus den vorstehend geschilderten Lösungen des Standes der Technik ergeben sich verschiedene Nachteile.
Homogene Emitter, wie sie üblicherweise in der industriellen Fertigung bisher eingesetzt werden, weisen relativ schlechte optische und elektronische Eigenschaften auf. Um einen ausreichend geringen Kontaktwiderstand zu erzielen, muss weit stärker dotiert werden, als es für eine ausreichende elektrische Funktion an sich notwendig ist. Die zu hohe Dotierung macht sich als zu hoher Emittersättigungsstrom bemerkbar, welcher einen negativen Einfluss auf die offene Klemmspannung und den Füllfaktor hat. Aufgrund der geringen Ladungsträgerlebensdauer im hochdotieren Emitter können dort erzeugte Ladungsträger nicht getrennt werden, was zu einer Verminderung des Kurzschlussstroms führt und letztendlich einen reduzierten Wirkungsgrad der Solarzelle ergibt.
Die vorgeschlagenen Methoden zur Herstellung selektiver Emitter vermeiden die oben genannten Nachteile zumindest punktuell, sind aber aus verschiedenen Gründen für eine kostengünstige industrielle Umsetzung nicht geeignet.
Das erläuterte Verfahren mit Maskierung und zwei Diffusionsschritten umfasst sehr viele Prozessschritte und ist daher kostenintensiv.
Die Verwendung einer Maske zum Öffnen des Bereichs, der später zu kontaktieren ist, ist insofern wenig ökonomisch, da mehr als 80% der Fläche mit einer Ätzmaske, z.B. einem Ätzlack zu bedecken sind, was ebenfalls zu hohen Kosten führt.
Das Öffnen mit einer im Siebdruck aufgebrachten Ätzpaste oder durch Laserablation zieht einerseits einen erhöhten Sicherheitsaufwand bei Verwendung von aggressiven Pastenmaterialien und andererseits eine starke Schädigung der Oberfläche bei Behandlung durch Laserablation nach sich.
Die Lösung nach DE 10 2007 035 068 Al reduziert zwar den Bedarf an Abdecklack. Nachteilig ist jedoch, dass der Schichtwiderstand im niedrigdotierten Bereich durch Rückätzen hergestellt wird. Die dort dargelegten Ätzprozesse sind jedoch nicht selbstlimitierend. Inhomogenitäten des Ätzbads wie Temperatur, Konzentration des Ätzmediums oder der Abbauprodukte führen daher zu einer Inhomogenität des Schichtwiderstands, die sich nachteilig auf die Zelleffizienz auswirkt. Die dort notwendigen Ätzlösungen sind außerordentlich aggressiv, was es erschwert, einen geeigneten Maskierungslack zu wählen. Außerdem weist das nach dem Rückätzen erzeugte Emitterprofil immer noch eine zu hohe Oberflächenkonzentration des Dotanden auf mit der Folge eines unerwünschten hohen Emittersättigungsstroms.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit selektivem Emitter anzugeben, welches im Ergebnis der Schaffung von Solarzellen dient, die einen höheren Energiewandlungswirkungsgrad besitzen und wobei die Menge an notwendigen Maskierungsmaterialien reduziert ist.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch ein Verfahren gemäß der Lehre nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Verfahrensgemäß erfolgt ein Bereitstellen von Sägeschadenfreien Wafern. Wenn notwendig, können die Wafer auf ihrer Vorderseite eine Texturierung, ausgeführt in an sich bekannter Weise, besitzen. Unter Vorderseite ist hier diejenige Seite zu verstehen, die beim späteren Einsatz der Solarzelle der solaren Strahlung ausgesetzt ist. Der so behandelte Wafer wird dann vollflächig mit einer Dotierquelle versehen. Während des Aufbringens der vollflächigen Dotierquelle und im Anschluss hieran wird ein leichtes, erstes Eindϊffuπdieren des Dotanden bis zum Erreichen eines ersten Schichtwiderstandsbereϊchs durchgeführt.
Im Anschluss wird die Dotierquelle strukturiert, wobei im Ergebnis der Strukturierung nur solche Bereiche verbleiben, die im Wesentlichen den später zu kontaktierenden Abschnitten auf dem Wafer entsprechen oder um einen gezielt vorgegebenen kleinen Betrag größer als diese Kontaktabschnitte sind.
Hieran schließt sich ein Ausführen einer weiteren, zweiten Diffusion aus den verbliebenen Bereichen der Dotierquelle in das Wafervolumen hinein bis zum Erzielen eines zweiten Schichtwiderstandsbereichs für den selektiven Emitter an. Bei diesem weiteren, zweiten Dϊffusionsschritt erfolgt gleichzeitig ein Umverteilen des bei der ersten Diffusion eingebrachten Dotanden mit dem Ziel des Absenkens der Dotierkonzentration in den oberflächennahen Bereichen, welche nicht mehr mit der Dotierquelle bedeckt sind, und zwar unter der Maßgabe, dass im Ergebnis dieser Behandlung die Schichtwiderstandswerte im ersten Schichtwiderstandsbereich größer als diejenigen des zweiten Schicht- widerstandsbereichs sind.
Die Dotierquelle weist bevorzugt Phosphorsilikatglas (PSG) auf.
Der erste Schichtwiderstandsbereich liegt nach Abschluss der beiden Diffusionen bei im Wesentlichen 100 bis 300 Ω/D. Der zweite Schichtwiderstandsbereich für den Emitterabschnitt unterhalb der späteren Kontakte liegt zwischen 30 Ω/D und kleiner 100 Ω/D.
Die Strukturieruπg der Dotierquelle erfolgt dadurch, dass auf den zu verbleibenden Bereichen eine ätzresistente Maskierung aufgebracht wird mit anschließender Ausführung des Ätzschritts.
Die Maskierung kann mittels Siebdruck, Schablonendruck, Hot-Melt-Siebdruck, Ink-Jet-Druck, Dispensen, Aerosoldruck, Hot-Melt-Ink-Jet-Druck oder dergleichen Verfahren ausgebildet werden.
Nach dem Ätzschritt wird die Ätzmaske entfernt. Der Ätzvorgang kann nasschemisch oder unter Plasma oder Plasma-unterstützt durchgeführt werden, wobei im Anschluss an den Ätzschritt die Maskierungsschicht und etwaige Reste gestrippt oder durch Schaffung eines Sauerstoffplasmas verascht werden.
Als ergänzender Verfahrensschritt ist eine Oxidation der Oberfläche des Wafers möglich, um eine weitere Absenkung der Oberflächenkonzentration sowie eine Injektion von interstitiellen Sauerstoffatomen in den Wafer zu bewirken.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme einer Figur näher erläutert werden.
Die Figur zeigt hierbei eine prinzipielle Schrittfolge a) bis f) mit dem Ziel der Ausbildung eines selektiven Emitters durch Ξtrukturierung der Dotierquelle bis zur Vorderseitenmetallisierung, wobei die Prozessierung der Rückseite durch beliebige Methoden des Standes der Technik geschehen kann.
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines selektiven Emitters mit besonderen Eigenschaften durch zusätzliches Eintreiben aus strukturierter Quelle gemäß Ausführungsbeispiel wird auf dem Sägeschaden-geätzten und möglicherweise texturierten Wafer zunächst eine Dotierquelle, z.B. Phosphorsilikatglas (PSG) aufgebracht und leicht eindiffundiert (Fig. Ia)). Der Siliziumwafer ist hier mit dem Bezugszeϊchen 1 und die vollflächig aufgebrachte Diffusionsquelle mit dem Bezugszeichen 2 versehen. Der leicht eindiffundierte Bereich ist durch das Bezugszeichen 5 gekennzeichnet.
Beispielsweise wird bei diesem Schritt ein Schichtwiderstand zwischen 100 und 200 Ω/π eingestellt. Dies kann in einem kombinierten Prozessschritt aus Gasphasendiffusion, z.B. Phosphoroxylchlorid (POCb) und Temperaturbehandlung geschehen, beispielsweise in einem Quarzrohrofen.
Ebenfalls ist es möglich, mittels Atmospherϊc Plasma Chemical Vapor Deposition (APCVD) die Dotierquelle, z.B. PSG, zu erzeugen und anschließend in einem Rohr- oder Durchlaufofen mit Rollen-, Kettenband- oder Hubbalkentransport den ersten, leichten Diffusionsschritt durchzuführen. Im Anschluss daran wird die aufgebrachte vollflächige Diffusionsquelle 2 strukturiert, so dass streifenförmige Bereiche 3 verbleiben,, wie sie in der Fig. Ib) stark vereinfacht dargestellt wurden.
Die Strukturierung der Dotierquelle erfolgt so, dass der später elektrisch zu kontaktierende Bereich noch durch das Quellmaterial bedeckt ist, alle anderen Bereiche jedoch nicht mehr. Aus technologischen Gründen kann das Quellenmaterial auch etwas über oder unter diesem späteren Kontaktbereich hinausgehend stehengelassen werden.
Die vorstehend erwähnte Strukturierung der Dotier- oder Diffusionsquelle ist durch verschiedene Methoden erreichbar.
Beispielsweise können die Bereiche, in denen die Quellschicht bestehen bleiben soll, durch eine ätzresistente Schicht maskiert werden. Als ätzresistente Schichten kommen z.B., aber nicht ausschließlich organische, trockenvernetzende Lacke in Frage, wachsartige organische Materialien, UV- härtende Lacke, aber auch Silizium-Oxid-Nitrid-Schichten, hergestellt durch Tempern von diesbezüglichen Ausgangsstoffen.
Die maskierenden Bereiche oder Abschnitte können durch Siebdruck, Schablonendruck, Hot-Melt-Siebdruck, Ink-Jet- Druck, Hot-Melt-Ink- Jet-Druck, Dispensen, Aerosoldruck oder dergleichen Verfahren realisiert werden.
Anschließend wird in den nicht maskierten Bereichen die Diffusionsquelle durch Ätzen entfernt, wobei hier vorteilhafterweise ein Ätzmedium gewählt wird, welches die Diffusionsquelle mit einer hohen Selektivität gegenüber dem Silizium-Basismaterial des Wafers ätzt.
Für PSG bietet sich beispielsweise eine nasschemische Ätzung in Flusssäure (HF) an. Flusssäure ätzt PSG außerordentlich schnell, Silizium aber kaum.
Alternativ können Säuren mit der gleichen Eigenschaft in einer nasschemischen Ätzung eingesetzt werden. Ebenso kann aber auch ein Plasmaschritt im Sinne einer Trockenätzung genutzt werden. Auch hier weisen Fluorionen-basierte Ätzprozesse, z.B. mit CF4, eine für die PSG-Schicht-Entfernung notwendige Selektivität auf. Nach dieser Behandlung wird die Maskierungsschicht entfernt. Dies kann dann in der gleichen Ätzanlage geschehen, in der auch die Diffusionsquelle entfernt wurde. Organische Schichten lassen sich nasschemisch durch geeignete Stripper-Lösungen entfernen. Siliziurn-Oxid-Nitrid-Schichten können mit Phosphorsäure geätzt werden.
Erfolgt die Ätzung der Quellschicht durch Plasma, so kann anschließend ein Sauerstoff-Plasma zur Veraschung organischer Substanzen oder Schichten Verwendung finden.
Weitere Möglichkeiten zur Strukturierung der Diffusionsquelle sind das Aufbringen von Ätzpasten in den Bereichen, in denen die Quellschicht entfernt werden soll, oder das Trockenätzen durch Ätzmasken.
In einem zweiten Diffusionsschritt, dargestellt mit der Fig. Ic), bildet sich unterhalb der lokalen Diffusionsquelle 3 eine starke Dotierung 4 im Wafer 1 aus. Alle übrigen Bereiche besitzen eine schwache Dotierung 5b.
Es wird also in dem zweiten Diffusionsprozess in den Bereichen, in welchen sich noch eine Diffusionsquelle befindet, ein Emitter mit niedrigem Schichtwiderstand hergestellt, der sich sehr gut für die spätere Kontaktierung eignet.
In den Bereichen, in welchen sich keine Quellschicht als Dotand mehr befindet, wird hingegen nur der bereits in das Silizium eindiffundierte Dotand umverteilt. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer Absenkung der Dotierkonzentratioπ 5b im oberflächennahen Bereich. Diese Absenkung ist gezielt und beabsichtigt und damit sehr vorteilhaft für die Solarzelle, da sich so ein Emitter mit einer geringeren Emittersättigungsstromdichte herstellen lässt.
Auch kann die Oberflächenpassivierung bei einer geringeren Dotierkonzentration an der Oberfläche effektiver durchgeführt werden. Die Diffusion kann z.B. durch Temperaturbehandlung in einem Quarzrohrofen oder in einem Durchlaufofen erfolgen.
Durch Einstellung der Gaszusammensetzung, z.B. durch Zugabe von Sauerstoff oder von Wasserdampf im Ofen kann eine zusätzliche Oxidation der Quellschicht und der Quellschϊcht-freien Oberfläche erfolgen. Dies ermöglicht eine weitere Absenkung der Oberflächenkonzentration. Durch die Oxidation kann außerdem die Diffusion beschleunigt werden.
Fig. Id) zeigt die Situation nach der Entfernung der verbliebenen Diffusionsquellen 3.
Fig. Ie) stellt symbolhaft eine aufgebrachte Antireflexϊonsschicht 6 dar.
Die Herstellung der Antireflexschicht 6, die Durchführung der Kantenisolation und die Herstellung der Metallisierungskontakte 7 (siehe Fig If)) kann durch unterschiedliche, an sich bekannte Verfahren durchgeführt werden. Bei der Aufbringung der Vorderseitenkontakte 7 ist dafür Sorge zu tragen, dass die vorgesehenen Kontaktbereiche (starke Dotierung 4) eingehalten werden.
Im Ergebnis der Durchführung des Verfahrens gelingt es, die Rekombination freier Ladungsträger im Emitter zu senken, so dass ein höherer Strom erzeugbar ist und mithin der Wirkungsgrad derartiger Solarzellen einer Verbesserung unterliegt.
Auch lässt sich der Emitter besser passivieren. Hierdurch und durch das günstigere Dotierprofil verringert sich der Emittersättigungsstrom, wodurch wiederum die Leerlaufspannung der Solarzelle steigt. Letztendlich lässt sich der Kontaktwiderstand der Vorderseitenmetallisierung zum Emitter verringern.
Das beschriebene Verfahren ist durch eine besondere Einfachheit und überschaubare Prozessführung gekennzeichnet. Es muss nur ein geringer Teil der Oberfläche des Wafers maskiert werden, so dass weniger Maskierungsmaterial nötig ist. Zur Maskierung von üblichen Diffusionsquellen kommt eine Vielzahl von gut beherrschbaren Materialien in Frage. Das Ätzen von z.B. PSG als Dotϊerquelle kann mit Flusssäure in sehr kostengünstiger Weise durchgeführt und leicht beherrscht werden. Die genannten Diffusionsprozesse sind relativ kurz und bei moderaten Temperaturen durchführbar. Dies spart Energie und ermöglicht es, das Verfahren bei einem breiten Spektrum von Silizium- ausgangsmaterial und hieraus erzeugten Wafern zu nutzen. Dies gilt auch für Wafer, bei denen ein zu hohes Temperaturbudget zu einer Reduktion der Lebensdauer führen würde.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Solarzellen mit selektivem Emitter, umfassend folgende Schritte:
- Bereitstellen eines von Sägeschäden freien Wafers,
- vollflächiges Aufbringen einer Dotierquelle auf den Wafer sowie leichtes, erstes Eindϊffundieren des Dotanden bis zum Erreichen eines ersten Schichtwiderstandsbereichs,
- Strukturierung der aufgebrachten Dotierquelle, wobei im Ergebnis der Strukturierung nur solche Bereiche verbleiben, die im Wesentlichen den später zu kontaktierenden Abschnitten auf dem Wafer entsprechen,
- Ausführen einer weiteren, zweiten Diffusion aus den verbliebenen Bereichen der Dotierquelle in das Wafervolumen hinein bis zum Erzielen eines zweiten Schichtwiderstandsbereichs für den selektiven Emitter sowie gleichzeitiges Umverteilen des bei der ersten Diffusion eingebrachten Dotanden mit dem Ziel des Absenkens der Dotierkonzentration in dem oberflächennahen Bereich, welcher nicht mehr mit der Dotierquelle bedeckt ist, unter der Maßgabe, dass die Schichtwiderstandswerte des ersten Schichtwiderstandsbereichs größer als diejenigen des zweiten Schicht- wϊderstandsbereichs sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierquelle Phosphorsilikatglas (PSG) aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schichtwiderstandsbereich nach dem zweiten Diffusionsschritt im Wesentlichen zwischen ca. 100 bis 300 Ω/D liegt.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strukturierung der Dotierquelle auf den zu verbleibenden Bereichen eine ätzresistente Maskierung aufgebracht und anschließend mindestens ein Ätzschritt durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierung mittels Siebdruck, Schablonendruck, Holt-Melt-Sϊebdruck, InkJet-Druck, Dispensen, Aerosoldruck; Hot-Melt-Ink-Jet-Druck oder dergleichen Techniken ausgebildet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzmaske nach dem Ausführen des Ätzschritts entfernt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzvorgang Plasma-unterstützt durchgeführt wird, wobei im Anschluss an den Ätzschritt die Maskierungsschicht und vorhandene organische Ablagerungen durch Behandlung mittels Sauerstoff-Plasma verascht werden.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oxidation der Oberfläche des Wafers erfolgt, um eine weitere Absenkung der Oberflächenkonzeπtration und/oder eine Beschleunigung der Diffusion zu bewirken.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schichtwiderstandsbereich zwischen 30 und <100 Ω/α liegt.
10. Solarzelle, hergestellt nach einem Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche.
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