EP2529405A2 - Verfahren zur lokalen hochdotierung und kontaktierung einer halbleiterstruktur, welche eine solarzelle oder eine vorstufe einer solarzelle ist - Google Patents

Verfahren zur lokalen hochdotierung und kontaktierung einer halbleiterstruktur, welche eine solarzelle oder eine vorstufe einer solarzelle ist

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EP2529405A2
EP2529405A2 EP11701006A EP11701006A EP2529405A2 EP 2529405 A2 EP2529405 A2 EP 2529405A2 EP 11701006 A EP11701006 A EP 11701006A EP 11701006 A EP11701006 A EP 11701006A EP 2529405 A2 EP2529405 A2 EP 2529405A2
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EP
European Patent Office
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layer
doping
semiconductor substrate
contacting
contacting side
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11701006A
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English (en)
French (fr)
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Dominik Suwito
Jan Benick
Ulrich JÄGER
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Albert Ludwigs Universitaet Freiburg filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 for the local high doping and contacting of a semiconductor structure which is a solar cell or a precursor of a solar cell and comprises a semiconductor substrate of a basic doping type.
  • solar cell structures are known in which the back side of the semiconductor substrate is covered substantially over the whole area with a silicon nitride or silicon dioxide layer, so that low surface recombination rates are achieved. Only at point contacts the passivating layer is opened in a punctiform manner and there is an electrically conductive connection to a metallic contacting layer. An increase in efficiency will
  • CONFIRMATION COPY achieved by a local high doping in the area of the point contacts, since a reduction of the back recombination and additionally a reduction of the contact resistance between the metallic contacting layer and the semiconductor substrate is achieved by the local high doping.
  • a solar cell structure is, for example, the PERL structure (passivated emitter, rear locally defused), as described in J. Benick, B. Hoex, G. 1973mans, A. Richter, M. Hermle, and SW Glunz "High-efficiency n "Silicon Solar Cells with Front Side Boron Emitter,” described in Proceedings of the 24th European Solar Photovoltaic Solar Energy Conference (Hamburg, Germany), 2009.
  • This structure which allows back contacting to achieve high efficiencies, is required in manufacturing in addition to the additional diffusion to achieve the high doping regions some additional Fotolith growing suitse so that an industrial implementation of this solar cell structure is not practical or at least very expensive.
  • a solar cell structure with low recombination rates at the back could be realized by the HIT structure, which allows a simpler industrial implementation compared to the PERL structure.
  • the HIT structure is described in EP 1 187 223 A2 and M. Taguchi, Y. Tsunomura, H. Inoue, S. Taiira, T. Nakashima, T. Baba, H. Sakata, and E. Maruyama. HIT solar cell on thin ( ⁇ 100 ⁇ ) silicon wafer, "in Proceedings of the 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference (Hamburg, Germany), 2009.
  • a heterojunction is formed on the back side of a HIT solar cell by forming a layered structure with a HIT solar cell
  • the layer of intrinsic amorphous silicon ensures highly efficient passivation of the backside and thus low recombination rates for the minority charge carriers
  • the layer has to be thin enough to transport charge carriers via tunneling processes to the overlying dopier te layer of a-morphem silicon to allow. It follows that the requirements on the layer thicknesses and the quality of the amorphous silicon layers are very high, in particular in the accuracy in the application of the layers in terms of the layer thickness and also the material quality. Only if these high requirements guaranteed, high efficiencies can be achieved with this solar cell concept.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method for local high doping and contacting a semiconductor structure, which is a solar cell or a precursor of a solar cell and comprises a silicon semiconductor substrate of a Basisdot michstyps.
  • the method is intended to provide a local high doping and contacting of the semiconductor structure, which enables the production of a solar cell with high efficiencies and, moreover, be technically inexpensive compared to previously known methods and thus industrially and inexpensively implementable.
  • the inventive method is used for local high doping and contacting a semiconductor structure, which is a solar cell or a precursor of a solar cell.
  • the semiconductor structure comprises a silicon semiconductor substrate of a base doping type. Doping types here are the n-doping type or the p-type doping opposite thereto.
  • the inventive method is applicable to solar cells with both n-, and with p-doped base.
  • the high doping and contacting takes place by generating a plurality of local high doping regions of the basic doping type in the semiconductor substrate on a contacting side of the semiconductor substrate and applying a metallic contacting layer on the contacting or possibly one or more the contacting fully or partially covering intermediate layers, so that electrically conductive connections between the metallic contacting layer and the semiconductor substrate are formed at the high doping regions.
  • a layer structure covering the contacting side of the semiconductor substrate is produced.
  • the layer structure comprises a Doping layer containing a dopant of the basic doping type.
  • the doping layer is formed as a layer of amorphous silicon or as
  • An essential component of the amorphous doping layer is thus silicon as well as the dopant of the basic doping type and optionally
  • atomic percentages here and below always refer to a reference atomic density (100at%) of crystalline silicon, as is common in the art, since the exact atomic density of the deposited layers is not known.
  • the layer structure further comprises a reflection layer.
  • the reflection layer is designed such that, at least in the wavelength range between 800 nm and 1200 nm, it has a refractive index n R which is smaller than the refractive index n HS of the semiconductor substrate.
  • the doping layer follows in the layer sequence before the reflection layer.
  • a method step B the layer structure and the underlying surface of the semiconductor substrate are locally heated at a plurality of zones to form local high-doping regions.
  • the local heating takes place in such a way that locally a melt mixture of at least one of the local doping layer of the layer structure and a partial region of the semiconductor substrate is formed on the contacting side at the zones of local heating.
  • a high doping region which is more heavily doped by at least the dopant of the doping layer than the base doping of the semiconductor substrate, forms in the semiconductor substrate on the contacting side.
  • a metallic contacting layer is applied to form an electrically conductive connection between the semiconductor substrate and the contacting layer at the high-doping regions.
  • the local high doping and contacting produced by the method according to the invention thus has the advantages that, by applying the layer structure on the contacting side, electrical passivation of the contacting side of the semiconductor substrate takes place and thus already a reduction in the surface recombination velocity at the contacting side is achieved.
  • the local melting of the doping layer results in a local high doping of the semiconductor substrate at a plurality of regions, wherein the electrical contacting takes place by electrically conductive connections between the metallic contacting layer and the semiconductor substrate at the high contacting regions, so that, as described above, a further reduction of the Total recombination occurs at the contacting side and the total contact resistance at the contacting side.
  • the reflection layer and the metallic contacting layer an increased reflection at the contacting side is achieved, at least in the wavelength range between 800 nm and 1200 nm, so that in this wavelength range in particular electromagnetic radiation is reflected back into the semiconductor substrate and thereby additionally the light output the solar cell and thus the efficiency is further increased.
  • the inventive method further has the advantages that no Fotolith treating administrate are necessary and can be used to carry out the method according to the invention already known, industrially implementable method:
  • the application of the layers mentioned can take place over the entire surface, so that, in particular, no expensive masking steps are necessary.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • PECVD Plasma Chemical Vapor Deposition
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • the local heating of the layer structure represents a cost-effective and easily industrially implementable method step for generating local high doping.
  • the method described here can be used to generate the local high-doping regions in method step B of the method according to the invention, so that established methods which can already be used industrially can also be used here.
  • the process according to the invention does not involve contacting by local heating.
  • method step B only the local high doping is generated by locally producing a melt mixture from the layers of the layer structure and a subregion of the semiconductor substrate.
  • the contacting takes place in method step C by the metal contacting layer being preferably applied over the whole area to the layer structure, whereby the electrically conductive connection between the semiconductor substrate and the contacting layer is formed at the high doping regions.
  • the layer structure additionally comprises an amorphous passivation layer with a silicon content of at least 90 at%.
  • the passivation layer has no dopant of the basic doping type or only a negligible concentration of less than 1 ⁇ 10 19 cm -3 of such a dopant Doping layer formed.
  • the passivation layer is preferably applied directly and / or over the whole area to the contacting side of the semiconductor substrate.
  • the insulator layer essentially ensures the low surface recombination velocity at the contacting side of the semiconductor substrate, allows the doping layer to generate the local high-doping regions in method step B and, through the reflective layer, the optical quality of the contacting side, in particular in the wavelength range between 800 nm and 1200 nm elevated.
  • a further advantage of the method according to the invention is that all layers applied in method step A can remain on the solar cell and thus need not be removed again in technically complicated and possibly impurities or impurities in the semiconductor substrate causing further process steps. This further reduces the cost of the manufacturing process and at the same time avoid sources of error that can affect the efficiency of the solar cell.
  • the passivation layer preferably has a thickness between 5 nm and 100 nm, preferably between 30 nm and 50 nm. This achieves an optimization between the total process time required for applying the layer structure on the one hand and the passivation effect on the other hand.
  • the passivation layer is preferably formed as a silicon carbide layer (SiC x ), preferably with a carbon content of less than 10 at%. This achieves a very good passivation effect.
  • the doping layer preferably has a thickness between 10 nm and 100 nm, preferably between 30 nm and 50 nm. This also results in an optimization between see the doping effect when generating the local high doping regions and a short process time when generating the layer structure.
  • the doping layer preferably contains dopant in a concentration greater than 1 ⁇ 10 20 cm -3 .
  • the main function of the doping layer is to provide the dopant for doping the high doping regions.
  • a liquid-liquid diffusion to take place between the fused partial regions of the doping layer and the semiconductor substrate during melting, since this results in a particularly fast and efficient doping of the fused partial region of the semiconductor substrate.
  • the doping layer has approximately the melting point of the semiconductor substrate.
  • a doping layer without carbon has the disadvantage of being unstable to heating of, for example, about 400 ° C.
  • process steps with such temperatures are often used after application of the contacting layer to improve the contact properties (so-called "annealing steps").
  • the doping layer therefore preferably has a low carbon content. so that, on the one hand, the melting point of the doping layer is only slightly increased, thus ensuring a liquid-liquid diffusion as described above, and at the same time the doping layer is resistant to heating to 400 ° C., in particular in tempering steps.
  • the doping layer is therefore preferably formed as a silicon carbide layer, which has carbon, wherein preferably the carbon content is between 0 at% and 10 at%, in particular preferably in the range between 2 at% and 10 at%.
  • the reflective layer is preferably formed as an amorphous, silicon-containing layer, such as silicon oxide or silicon nitride. This has the advantage that such a layer is technically easy to produce. Likewise, the formation of the reflection layer as an aluminum oxide layer or titanium dioxide layer or magnesium fluoride layer is within the scope of the invention.
  • the reflection layer preferably has a thickness between 50 nm and 300 nm, preferably between 100 nm and 300 nm. This results in an optimization of increasing the optical quality on the one hand and a reduction in the total process time when generating the layer system on the other hand.
  • the reflection layer is preferably formed as a silicon carbide layer.
  • the reflection layer preferably has a carbon content of greater than 40 at%, in particular greater than 50 at%.
  • the carbon content of the reflection layer is an essential parameter with regard to the resulting refractive index of the reflection layer.
  • a refractive index of less than 2.5 is achieved in the wavelength range between 800 nm and 1200 nm, so that a lower refractive index relative to the refractive index of (carbon-free) silicon in this wavelength range is achieved and the increase in the optical quality at the contacting side of the semiconductor substrate is guaranteed.
  • the reflection layer at least in the wavelength range between 800 nm and 1200 nm, a refractive index n R less than 2.5 and greater than 1 to achieve the aforementioned optical quality.
  • cleaning of at least the contacting side of the semiconductor substrate is preferably carried out before method step A, so that any impurities or minor crystal defects are eliminated.
  • wet-chemical cleaning is suitable for this purpose.
  • all layers are preferably produced by means of low-temperature processes at temperatures of less than 300 ° C.
  • the inventive method is also applicable to solar cell structures, the heterostructures, for example, on the the contacting side opposite side of the semiconductor substrate. Process steps above the stated limit temperature could damage heterostructures.
  • the application of the aforementioned layers for producing the layer system in method step A- is possible with previously known methods, in particular by means of PECVD, at temperatures smaller than the aforementioned limit temperature.
  • the method according to the invention is thus particularly suitable for the formation of highly efficient silicon solar cells which have a so-called hetero-emitter, ie an emitter formed by depositing a doped layer which has a doping type opposite to the basic doping type.
  • the method according to the invention is also applicable to solar cell structures which have one or more emitters produced by diffusion in the semiconductor substrate.
  • the layer structure in method step A is preferably produced by PECVD, because here it is possible to make use of existing installations for industrial use and existing process parameters for producing these layers.
  • the generation of the doping layer or other dopant-containing layers by adding a doping gas during the deposition process, in particular preferably by the addition of phosphine gas.
  • the local heating in process step B is preferably carried out by a laser and is particularly preferably according to DE 100 46 170 A1 and E.
  • the heating is carried out by a pulsed laser, as a result, sufficient heating to achieve the melt mixture can be achieved.
  • the wavelength of the laser is preferably less than 1200 nm, since at larger wavelengths, the absorption in silicon decreases sharply and no melting, but at best an ablation of the layers would take place.
  • the application of a laser, which is deflected by a mirror system successively to different points of the contacting side for generating the high-doping regions is advantageous.
  • recourse can be had to already existing devices with piezo-deflecting mirrors, so that a large number of high-doping regions can be generated at the contacting side in a short process time.
  • the inventive method is basically applicable to the front and / or on the back of a solar cell or a precursor of a solar cell. If the method is applied to the front side of a solar cell, the metal layer is applied so that it covers the front only partially at least in the high doping regions, so that at the not covered by the metal layer regions, an entry of electromagnetic radiation into the semiconductor substrate is possible. Particularly advantageous is the application to the inventive method on the back of a solar cell or a precursor of a solar cell.
  • the contacting side is therefore preferably the rear side facing away from the irradiation of electromagnetic radiation during operation of the solar cell.
  • the inventive method is basically applicable both to solar cells with n-base dopants, as well as to solar cells with p-base doping.
  • n-base doped silicon solar cells in particular, have great potential in industrial production.
  • the n-doped silicon has advantages over the p-doped silicon inherent advantages in terms of material properties: There is no with the formation of dopant oxygen Complex associated degradation effect. The lifetime of the minority charge carriers is thus higher in both floating-zone silicon and in Czrochalsky silicon than p-doped silicon.
  • the tolerance in n-doped silicon to impurities such as iron in terms of lifetime is higher compared with p-doped silicon.
  • n-doped silicon is characterized by an increased conductivity at the same dopant concentration, which in particular increases the effectiveness of high-doping regions in the case of n-doping in comparison to high-doping regions in the case of p-doping. Accordingly, the highest efficiencies in solar cell production are currently achieved on the basis of solar cells with n-base doping.
  • the method according to the invention is therefore preferably used with an n-base doping.
  • the reflection layer primarily fulfills the function of effecting a reflection in the interaction with the metallization layer, at least in the infrared range (between 800 nm and 1200 nm).
  • the reflection layer likewise preferably has a dopant in a concentration of more than 10 20 cm -3 . This has the advantage that no or only to a lesser extent a segregation of dopant into the reflection layer during the melting during the diffusion of dopant from the doping layer takes place and thus the dopant of the doping layer diffused substantially in the high doping region.
  • the doping layer and, if appropriate, the passivation layer are formed as amorphous, silicon-containing layers.
  • amorphous layers have good electrical passivation properties with respect to the surface recombination of the adjacent contacting side of the semiconductor substrate.
  • the passivation effect improves with increasing layer thickness.
  • layers of amorphous silicon compared to crystalline silicon have significantly lower electrical conductivities, so that the electrical continuity resistance increases with current flow perpendicular to the contact surface with increasing layer thickness.
  • this is not disadvantageous in the method according to the invention, since the removal of charge carriers essentially takes place via the high-doping regions and the thereto closing point contacts made with the contacting layer.
  • the doping and / or the passivation layer therefore preferably has a thickness of at least 30 nm, in particular of at least 50 nm. Because layers of amorphous silicon with such minimum thicknesses have a very good electrical passivation properties.
  • FIG. 1 shows method steps 0 and A of an exemplary embodiment of the method according to the invention for local high doping and contacting of the back side of a silicon wafer
  • FIG. 1 process steps B and C of the embodiment.
  • FIGS. 1 and 2 show an exemplary embodiment of the method according to the invention for local high-doping and contacting of a semiconductor structure, which is a precursor of a silicon solar cell.
  • like reference numerals designate like elements.
  • the semiconductor substrate 1 formed as a silicon wafer has a homogeneous n-doping with a dopant concentration of 5 ⁇ 10 15 cm -3 .
  • the solar cell to be produced is thus an n-type silicon solar cell.
  • the semiconductor substrate 1 has a contacting side 1 a, which is the back side of the semiconductor substrate. At the finished solar cell takes place In operation, an exposure of the semiconductor substrate 1 with electromagnetic radiation on the contacting side 1 a opposite front side 1 b.
  • a cleaning of the contacting side 1 a takes place first. This is done as per se known RCA cleaning, as in W. Kern, D. Puotinen: Cleaning Solutions Based on Hydrogen Peroxide for Use in Silicon Semiconductor Technology. In: RCA Review 1 87 (June 1970) and preferably comprises the following steps:
  • a method step A the deposition of a layer structure takes place.
  • the layer structure comprises a passivation layer 2, a doping layer 3 and a reflection layer 4.
  • All three layers are deposited by means of PECVD and formed as amorphous silicon carbide layers.
  • the layers differ in particular with regard to the content of carbon and dopant:
  • the passivation layer 2 is deposited as an amorphous silicon carbide layer by means of PECVD.
  • the layer thickness is preferably between 5 nm and 50 nm, in the exemplary embodiment illustrated here the layer thickness is 20 nm.
  • the passivation layer 2 is an intrinsic layer, ie it has no dopant of the basic doping type (in this case no n-dopant).
  • the passivation layer is formed as a silicon-rich layer and has a silicon content of over 90 at%. It is within the scope of the invention that the passivation layer has no carbon in the embodiment shown here, the doping layer is formed with a silicon content of 95 at%.
  • the passivation layer 2 causes a saturation of the surface defects of the contacting side 1 a of the semiconductor substrate 1, so that an efficient reduction of the surface recombination speed is achieved at the contacting side and thus a high electrical quality with respect to the Rekombinationseigenschaften on the contacting side 1 a of the semiconductor substrate 1 is present.
  • the doping layer 3 is deposited.
  • the doping layer 3 is also formed as a silicon-rich amorphous silicon carbide layer and has a silicon content greater than 90 at%. Again, it is within the scope of the invention that the doping layer 3 has no carbon. In the present embodiment, the silicon content of the doping layer is 95 at%.
  • the doping layer 3 has a high doping of a dopant of the basic doping type, preferably a dopant concentration greater than 10 20 cm -3 .
  • the doping layer 3 is enriched with phosphorus in a concentration of 8 ⁇ 10 20 cm -3 .
  • the doping is achieved by adding a doping gas, in the present exemplary embodiment phosphine, to the precursor gases during the deposition process during the deposition by means of PECVD.
  • the doping layer 3 serves as a dopant source for forming the local high-doping regions in subsequent process steps.
  • the doping layer 3 in combination with the passivation layer 2 increases the electrical quality of the contacting side 1 a of the semiconductor substrate 1 by reducing the recombination speed at the contacting side.
  • the doping layer 3 is formed as a silicon-rich layer with a silicon content greater than 90 at%, because a silicon-rich layer has a lower melting temperature compared to a layer with a higher carbon content and thus a lower silicon content.
  • a silicon-rich layer has a lower melting temperature compared to a layer with a higher carbon content and thus a lower silicon content.
  • the doping layer and / or the passivation layer are formed with a carbon content of less than 10 at%, in particular preferably both layers have a carbon content of less than 10 at%.
  • the doping layer 3 preferably has a layer thickness between 10 nm and 100 nm. In the present embodiment, the thickness of the doping layer is 50 nm.
  • the reflection layer 4 is deposited.
  • the reflection layer 4 is also formed as an amorphous silicon carbide layer and preferably has a layer thickness between 50 nm and 300 nm. In the present exemplary embodiment, the layer thickness of the reflection layer is 100 nm.
  • the carbon content is selected to be higher in the case of the reflection layer 4. Accordingly, the reflection layer 4 preferably has a silicon content of less than 40 at%, in particular preferably less than 50 at%. In the present embodiment, the silicon content of the reflective layer is about 40 at% and the carbon content of the reflective layer is about 60 at%.
  • the optical refractive index of the reflection layer is essentially determined by the carbon content and that for the reflection layer 4 a refractive index n R smaller than the refractive index of the semiconductor substrate 1, in particular smaller than 2.5 is advantageous in order to achieve a high optical quality of the back , in particular in the wavelength range between 800 nm and 1200 nm.
  • n R in the range of 1, 8 to 2.3 is achieved.
  • the primary function of the reflection layer 4, in conjunction with a subsequent contacting layer, is to improve the reflection properties in the infrared range, in particular in the wavelength range between 800 nm and 1200 nm, so that electromagnetic radiation is reflected in this wavelength range and thereby the optical luminous efficacy in the semiconductor substrate 1 and thus the efficiency of the solar cell is increased.
  • the reflection layer 4 additionally comprises dopant of the base doping type, so that it serves as an additional dopant source for forming the high doping region and / or counteracts segregation of dopant from the doping layer into the reflection layer.
  • a phosphorus concentration of about 5 ⁇ 10 20 cm -3 in the reflection layer 4 is achieved by adding phosphine gas as described above during the deposition of the reflection layer 4.
  • the semiconductor substrate 1 with the layer structure produced in method step A is shown in FIG. 1A.
  • a local heating of the layer structure and the underlying surface of the semiconductor substrate takes place at a plurality of zones to form local high-doping regions.
  • a high doping region 6 is shown in the subfigures B and C respectively.
  • the formation of the high-doping region is effected by local heating by means of a laser, wherein the laser is preferably a pulsed laser.
  • FIG. 2B schematically shows a laser pulse 5.
  • the local heating by means of the laser leads to a local melting of the of the passivation layer 2, the doping layer 3 and a portion of the semiconductor substrate 1 at the contacting side 1 a.
  • the carbon-rich reflection layer compared to the other layers is ablated due to the higher melting point due to the local heating.
  • the dopant dissolves from the doping layer 3 and in the present embodiment also from the reflection layer 4 in the melt mixture, so that after solidification of the melt mixture a high doping region 6 is present, as shown in Figures 2B and 2C.
  • the brief local heating also results in a slight material removal, so that approximately the solidified melt mixture has a deeper surface compared with the reflection layer 4 surrounding the solidified melt mixture, as shown in FIG. 2B.
  • a local high doping 6 is thus produced at the contacting side 1 a of the semiconductor substrate 1, so that a contacting of the semiconductor substrate is possible in which a low contact resistance is ensured on the one hand due to the high doping and on the other hand the recombination properties, in particular on the Contacting area, ie improved in particular in the high doping range, compared with a contact without Hochdot ists Symposium. As a result, there is thus a further increase in the overall efficiency of the solar cell.
  • a metallic contacting layer 7 is subsequently applied. This is preferably carried out by application of a metal layer over the entire surface to the lowermost layer of the layer structure, in the present exemplary embodiment the reflection layer 4. This produces an electrically conductive contact between the contacting layer 7 and the high doping region 6.
  • the application of the contacting layer 7 can be effected in a manner known per se, for example by vapor deposition of the contacting layer. Likewise, it is within the scope of the invention to use the already known types of metallization for rear side contacts in silicon solar cells, in particular to form the contact layer of aluminum. Likewise, the formation of the contacting layer 7 as a layer system consisting of several layers of different materials is within the scope of the invention.
  • the contacting layer 7 is formed as an aluminum layer and applied by vapor deposition.
  • a temperature step at a temperature between 300 ° C and 450 ° C the formation of the electrical contact between the contacting layer 7 and the semiconductor substrate 1 at the high doping region 6 is improved.
  • passivation layer 2 takes place as previously stated by means of PECVD and in a manner known per se in a low-pressure environment.
  • the application of layers by means of PECVD is known to the person skilled in the art and described, for example, in “Principles of plasma discharges and materials processing", MA Lieberman, AJ Lichtenberg, John Wiley & Sons, inc.
  • the local heating in method step B by means of the laser is preferably carried out as described above in the previously known methods for the formation of point contacts by means of local heating by a laser.
  • light pulses of a laser with a pulse duration of between 1 ns and 5 s are suitable for the method according to the invention in order to minimize the thermal load on the adjacent material layers, but at the same time maintain the thermal action for a long time in order to melt the layer system and of the silicon to a depth of about 100 nm to ensure a few pm, preferably depths between 0, 1 ⁇ to 10 ⁇ .
  • Wavelengths in a range from 200 to 1200 nm are suitable as process wavelengths.
  • the laser used is preferably a respective pulsed solid-state laser (eg Nd: YAG laser, Yb: YAG laser, a fiber laser or fiber amplifier) whose laser beam is produced by means of deflection mirrors is deflected to the corresponding points for generating high doping regions.
  • a respective pulsed solid-state laser eg Nd: YAG laser, Yb: YAG laser, a fiber laser or fiber amplifier
  • the inventive method is both in solar cells with diffused emitters, as well as in solar cells with emitters generated by heterostructures, d.
  • Emitters which are produced by applying layers with a doping opposite to the doping of the semiconductor substrate, applicable.
  • the generation of the emitter is carried out before carrying out the method steps A, B and C.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen Hochdotierung und Kontaktierung einer Halbleiterstruktur, welche eine Solarzelle oder eine Vorstufe einer Solarzelle ist und ein Silizium-Halbleitersubstrat (1) eines Basisdotierungstyps umfasst, wobei die Hochdotierung und Kontaktierung erfolgt durch Erzeugen mehrerer lokaler Hochdotierungsbereiche des Basisdotierungstyps in dem HaIbleitersubstrat (1) an einer Kontaktierungsseite (1 a) des Halbleitersubstrates und Aufbringen einer metallischen Kontaktierungsschicht (7) auf die Kontaktierungsseite (1 a) oder gegebenenfalls eine oder mehrere die Kontaktierungsseite (1 a) ganz oder teilweise bedeckende Zwischenschichten, zur Ausbildung elektrisch leitender Verbindungen zwischen der metallischen Kontaktierungsschicht (7) und dem Halbleitersubstrat (1) an den Hochdotierungsbereichen. Wesentlich ist, dass das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: A Erzeugen einer die Kontaktierungsseite (1 a) des Halbleitersubstrates bedeckende Schichtstruktur, umfassend - eine Dotierschicht (3), welche einen Dotierstoff des Basisdotierungstyps enthält und ausgebildet wird als Schicht aus amorphem Silizium oder als Schicht aus amorphem Siliziumcarbid mit einem Kohlenstoffgehalt kleiner 10 at% und eine Reflexionsschicht (4), welche zumindest in dem Wellenlängenbereich zwischen 800 nm und 1200 nm mit einem Brechungsindex n R kleiner dem Brechungsindex n Hs des Halbleitersubstrates ausgebildet wird, wobei die Dotierschicht (3) in der Schichtabfolge näher an der Kontaktierungsseite (1 a) liegend als die Reflexionsschicht (4) ausgebildet wird, B lokales Erhitzen der Schichtstruktur und der darunter liegenden Oberfläche des Halbleitersubstrates an mehreren Zonen zur Ausbildung von lokalen Hochdotierungsbereichen, wobei die lokale Erhitzung derart erfolgt, dass sich an den lokal erhitzten Bereichen jeweils lokal eine Schmelzmischung aus zumindest der Dotierschicht (3) und einem Teilbereich des Halbleitersubstrates an der Kontaktierungsseite (1 a) ausbildet und sich bei Erstarren der Schmelzmischung ein durch zumindest den Dotierstoff der Dotierschicht (3) stärker dotierter Hochdotierungsbereich (6) in dem Halbleitersubstrat (1 ) an der Kontaktierungsseite (1 a) ausbildet und Aufbringen einer metallischen Kontaktierungsschicht (7), zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen Halbleitersubstrat (1) und Kontaktierungsschicht (7) an den Hochdotierungsbereichen.

Description

Verfahren zur lokalen Hochdotierung und Kontaktierung einer Halbleiterstruktur welche eine Solarzelle oder eine Vorstufe einer Solarzelle ist
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 zur lokalen Hochdotierung und Kontaktierung einer Halbleiterstruktur, welche eine Solarzelle oder eine Vorstufe einer Solarzelle ist und ein Halbleitersubstrat eines Basisdotierungstyps umfasst.
Bei photovoltaischen Solarzellen, aufbauend auf einem Silizium- Halbleitersubstrat, sind vielfältige Ansätze zur Erreichung hoher Wirkungsgrade bei der Konversion von einfallender elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie einerseits und andererseits kostengünstiger industrieller Herstellung entwickelt worden. Insbesondere bei Solarzellen, bei denen ein Emitter und somit auch der die erzeugten Ladungsträgerpaare trennende pn-Übergang an oder im Bereich der zum Lichteinfall ausgebildeten Vorderseite der Solarzelle ausgebildet ist, erfolgt typischerweise die elektrische Kontaktierung der Basis mittels einer rückseitig angeordneten metallischen Kontaktierungsschicht, welche elektrisch leitend mit dem Halbleitersubstrat verbunden ist. Hierbei ist zur Erzielung hoher Wirkungsgrade eine effiziente rückseitige Passivierung, d. h. , die Erzielung einer geringen Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit für Minoritätsladungsträger, insbesondere im Bereich der rückseitigen Oberfläche des Halbleitersubstrates sowie eine Kontaktierung mit niedrigem Kontaktwiderstand wesentlich.
So sind Solarzellenstrukturen bekannt, bei denen die Rückseite des Halbleitersubstrates im Wesentlichen ganzflächig mit einer Siliziumnitrid oder Siliziumdioxidschicht bedeckt ist, so dass niedrige Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten erzielt werden. Lediglich an Punktkontakten ist die passivierende Schicht punktartig geöffnet und es besteht eine elektrisch leitende Verbindung zu einer metallischen Kontaktierungsschicht. Eine Wirkungsgradsteigerung wird
BESTÄTIGUNGSKOPIE durch eine lokale Hochdotierung im Bereich der Punktkontakte erreicht, da durch die lokale Hochdotierung eine Verringerung der rückseitigen Rekombination und zusätzlich eine Verringerung des Kontaktwiderstands zwischen metallischer Kontaktierungsschicht und Halbleitersubstrat erzielt wird. Eine solche Solarzellenstruktur ist beispielsweise die PERL-Struktur (passivated emitter, rear locally defused), wie in J. Benick, B. Hoex, G. Dingemans, A. Richter, M. Herm- le, and S. W. Glunz„High-efficiency n-type Silicon solar cells with front side bo- ron emitter," in Proceedings of the 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference (Hamburg, Germany), 2009 beschrieben. Diese Struktur, welche eine rückseitige Kontaktierung zur Erreichung hoher Wirkungsgrade ermöglicht, erfordert bei der Herstellung neben der zusätzlichen Diffusion zur Erzielung der Hochdotierungsbereiche einige zusätzliche Fotolithografieschritte, so dass eine industrielle Implementierung dieser Solarzellenstruktur nicht praktikabel oder zumindest sehr kostenintensiv ist.
Eine Solarzellenstruktur mit niedrigen Rekombinationsgeschwindigkeiten an der Rückseite konnte durch die HIT-Struktur realisiert werden, die verglichen mit der PERL-Struktur eine einfachere industrielle Implementierung ermöglicht. Die HIT- Struktur ist in EP 1 187 223 A2 und M. Taguchi, Y. Tsunomura, H. Inoue, S. Tai- ra, T. Nakashima, T. Baba, H. Sakata, and E. Maruyama,„High-efficiency HIT solar cell on thin (<100μητ) Silicon wafer," in Proceedings of the 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference (Hamburg, Germany), 2009 beschrieben. Auf der Rückseite einer HIT-Solarzelle wird ein HeteroÜbergang ausgebildet, indem eine Schichtstruktur mit einer dünnen intrinsischen Schicht aus amorphem Silizium, einer dünnen dotierten Schicht aus amorphem Silizium und einem transparenten leitfähigem Oxid auf die Rückseite des Silizium- Halbleitersubstrates aufgebracht wird. Die Schicht aus intrinsischem amorphem Silizium gewährleistet eine hocheffiziente Passivierung der Rückseite und somit geringe Rekombinationsgeschwindigkeiten für die Minoritätsladungsträger. Diese Schicht muss jedoch gleichzeitig dünn genug sein, um einen Ladungsträgertransport über Tunnelprozesse in die darüber liegende dotierte Schicht aus a- morphem Silizium zu ermöglichen. Hieraus folgt, dass die Anforderungen an die Schichtdicken und die Qualität der amorphen Siliziumschichten sehr hoch sind, insbesondere bei der Genauigkeit beim Auftragen der Schichten hinsichtlich der Schichtdicke und ebenso der Materialqualität. Nur wenn diese hohen Anforde- rungen gewährleistet sind, können mit diesem Solarzellenkonzept hohe Wirkungsgrade erzielt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur lokalen Hochdotierung und Kontaktierung einer Halbleiterstruktur, welche eine Solarzelle oder eine Vorstufe einer Solarzelle ist und ein Silizium-Halbleitersubstrat eines Basisdotierungstyps umfasst, zu schaffen. Das Verfahren soll eine lokale Hochdotierung und Kontaktierung der Halbleiterstruktur schaffen, die die Erzeugung einer Solarzelle mit hohen Wirkungsgraden ermöglicht und darüber hinaus technisch unaufwändig im Vergleich zu vorbekannten Verfahren und somit industriell und kostengünstig implementierbar sein.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 15.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur lokalen Hochdotierung und Kontaktierung einer Halbleiterstruktur, welche eine Solarzelle oder eine Vorstufe einer Solarzelle ist. Die Halbleiterstruktur umfasst ein Silizium-Halbleitersubstrat eines Basisdotierungstyps. Dotierungstypen sind hierbei der n-Dotierungstyp oder der hierzu entgegengesetzte p-Dotierungstyp. Das erfindungsgemäße Verfahren ist für Solarzellen sowohl mit n-, als auch mit p-dotierter Basis anwendbar.
Die Hochdotierung und Kontaktierung erfolgt durch Erzeugen mehrerer lokaler Hochdotierungsbereiche des Basisdotierungstyps in dem Halbleitersubstrat an einer Kontaktierungsseite des Halbleitersubstrates und Aufbringen einer metallischen Kontaktierungsschicht auf die Kontaktierungsseite oder gegebenenfalls eine oder mehrere die Kontaktierungsseite ganz oder teilweise bedeckende Zwischenschichten, so dass elektrisch leitende Verbindungen zwischen der metallischen Kontaktierungsschicht und dem Halbleitersubstrat an den Hochdotierungsbereichen ausgebildet werden.
Wesentlich ist, dass das erfindungsgemäße Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
In einem Verfahrensschritt A wird eine die Kontaktierungsseite des Halbleitersubstrats bedeckende Schichtstruktur erzeugt. Die Schichtstruktur umfasst eine Dotierungsschicht, welche einen Dotierstoff des Basisdotierungstyps enthält.
Die Dotierschicht ist als Schicht aus amorphem Silizium ausgebildet oder als
Schicht aus amorphem Siliziumcarbid mit einem Kohlenstoffgehalt kleiner
1 0 Atomprozent (at%). Wesentlicher Bestandteil der amorphen Dotierschicht ist somit Silizium sowie der Dotierstoff des Basisdotierungstyps und gegebenenfalls
Kohlenstoff.
Die Angaben von Atomprozent beziehen sich hierbei und im Folgenden - wie in Fachkreisen üblich - immer auf eine Referenzatomdichte (100at%) von Kristallinem Silicium , da die genaue Atomdichte der abgeschiedenen Schichten nicht bekannt ist.
Die Schichtstruktur umfasst weiterhin eine Reflexionsschicht. Die Reflexionsschicht ist derart ausgebildet, dass sie zumindest in dem Wellenlängenbereich zwischen 800 nm und 1200 nm einen Brechungsindex nR aufweist, der kleiner dem Brechungsindex nHS des Halbleitersubstrates ist.
Ausgehend von der Kontaktierungsseite des Halbleitersubstrats folgt in der Schichtabfolge die Dotierschicht vor der Reflexionsschicht.
I n einem Verfahrensschritt B erfolgt ein lokales Erhitzen der Schichtstruktur und der darunter liegenden Oberfläche des Halbleitersubstrates an mehreren Zonen zur Ausbildung von lokalen Hochdotierungsbereichen. Die lokale Erhitzung erfolgt derart, dass sich an den Zonen der lokalen Erhitzung jeweils lokal eine Schmelzmischung aus zum indest der Dotierschicht der Schichtstruktur und einem Teilbereich des Halbleitersubstrates an der Kontaktierungsseite ausbildet. Bei Abkühlen und Erstarren der Schmelzmischung bildet sich ein durch zumindest den Dotierstoff der Dotierschicht gegenüber der Basisdotierung des Halbleitersubstrates stärker dotierter Hochdotierungsbereich in dem Halbleitersubstrat an der Kontaktierungsseite aus.
I n einem Verfahrensschritt C wird eine metallische Kontaktierungsschicht aufgebracht, zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen Halbleitersubstrat und Kontaktierungsschicht an den Hochdotierungsbereichen. Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte lokale Hochdotierung und Kontaktierung weist somit die Vorteile auf, dass durch Aufbringen der Schichtstruktur an der Kontaktierungsseite eine elektrische Passivierung der Kontaktierungsseite des Halbleitersubstrates erfolgt und somit bereits eine Verringerung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an der Kontaktierungsseite erzielt wird. Weiterhin erfolgt durch das lokale Aufschmelzen unter anderem der Dotierschicht eine lokale Hochdotierung des Halbleitersubstrates an mehreren Bereichen, wobei die elektrische Kontaktierung durch elektrisch leitende Verbindungen zwischen der metallischen Kontaktierungsschicht und dem Halbleitersubstrat an den Hochkontaktierungsbereichen erfolgt, so dass, wie zuvor beschrieben, eine weitere Verringerung der Gesamtrekombination an der Kontaktierungsseite sowie des Gesamtkontaktwiderstandes an der Kontaktierungsseite erfolgt. Zusätzlich ergibt sich der Vorteil, dass im Zusammenspiel der Reflexionsschicht und der metallischen Kontaktierungsschicht eine erhöhte Reflexion an der Kontaktierungsseite zumindest im Wellenlängenbereich zwischen 800 nm und 1200 nm erzielt wird, sodass insbesondere in diesem Wellenlängenbereich elektromagnetische Strahlung in das Halbleitersubstrat zurückreflektiert wird und hierdurch zusätzlich die Lichtausbeute der Solarzelle und damit der Wirkungsgrad weiter erhöht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist weiterhin die Vorteile auf, dass keine Fotolithografieschritte notwendig sind und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereits auf vorbekannte, industriell implementierbare Verfahren zurückgegriffen werden kann:
Das Aufbringen der genannten Schichten kann ganzflächig erfolgen, so dass insbesondere keine kostenintensiven Maskierungsschritte notwendig sind. Weiterhin ist die Erzeugung der genannten Schichten durch vorbekannte Verfahren, insbesondere CVD (Chemical Vapour Deposition), wie beispielsweise PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) oder durch PVD (Physical Vapour Depostion) wie beispielsweise durch Sputtern, möglich, zu denen bereits Vorrichtungen und Prozessparameter für die industrielle Implementierung existieren. Insbesondere das lokale Erhitzen der Schichtstruktur stellt einen kostengünstigen und einfach industriell implementierbaren Verfahrensschritt zur Erzeugung lokaler Hochdotierungen dar.
Es ist bereits bekannt, lokale Kontaktierungen durch lokales Erhitzen mittels eines Lasers zu erzeugen. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in
DE 100 46 170 A1 und in E. Schneiderlöchner, R. Preu, R. Lüdemann, and S. W. Glunz,„Laser-fired rear contacts for crystalline Silicon solar cells," Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 10, pp. 29-34, 2002 and S. W. Glunz, E. Schneiderlöchner, D. Kray, A. Grohe, H. Kampwerth, R. Preu, and G. Willeke,„Laser-fired contact solar cells on p- and n-type Substrates," in Pro- ceedings of the 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference (Paris, Franke), pp. 408-41 1 , 2004. beschrieben. Das hier beschriebene Verfahren kann zur Erzeugung der lokalen Hochdotierungsbereiche in Verfahrensschritt B des erfindungsgemäßen Verfahrens angewendet werden, so dass auch hier auf etablierte bereits industriell einsetzbare Verfahren zurückgegriffen werden kann. Im Unterschied zu dem vorbekannten Verfahren zur Erzeugung lokaler Kontaktierungen erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch nicht die Kon- taktierung durch lokales Erhitzen. In Verfahrensschritt B wird lediglich die lokale Hochdotierung durch lokales Erzeugen einer Schmelzmischung aus den Schichten der Schichtstruktur und einem Teilbereich des Halbleitersubstrates erzeugt.
Anschließend erfolgt in Verfahrensschritt C die Kontaktierung, indem vorzugsweise ganzflächig auf die Schichtstruktur die metallische Kontaktierungsschicht aufgebracht wird, wodurch sich an den Hochdotierungsbereichen die elektrisch leitende Verbindung zwischen Halbleitersubstrat und Kontaktierungsschicht ausbildet.
Eine weitere Verringerung der Gesamtrekombination an der Kontaktierungsseite wird in einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch erzielt, dass in Verfahrensschritt A die Schichtstruktur zusätzlich eine amorphe Passivierungsschicht mit einem Siliziumanteil von mindestens 90 at% umfasst. Die Passivierungsschicht weist keinen Dotierstoff des Basisdotierungstyps oder nur eine vernachlässigbar geringe Konzentration kleiner 1 x1019 cm"3 eines solchen Dotierstoffes auf. Weiterhin ist die Passivierungsschicht in der Schichtabfolge näher an der Kontaktierungsseite liegend als die Dotierschicht ausgebildet. Vorzugsweise wird die Passivierungsschicht unmittelbar und/oder ganzflächig auf die Kontaktierungsseite des Halbleitersubstrates aufgebracht.
Hierdurch wird eine besonders effiziente Passivierung der Kontaktierungsseite und somit eine besonders hohe elektrische Güte des Halbleitersubstrates an der Kontaktierungsseite erzielt, so dass eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades erreicht wird. In dieser vorzugsweisen Ausführungsform wird durch die Isolierungsschicht im Wesentlichen die niedrige Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an der Kontaktierungsseite des Halbleitersubstrates gewährleistet, durch die Dotierschicht die Erzeugung der lokalen Hochdotierungsbereiche in Verfahrensschritt B ermöglicht und durch die Reflexionsschicht die optische Güte der Kontaktierungsseite insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 800 nm und 1200 nm erhöht.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass sämtliche in Verfahrensschritt A aufgebrachte Schichten auf der Solarzelle verbleiben können und somit nicht in technisch aufwändigen und gegebenenfalls Verunreinigungen oder Störstellen im Halbleitersubstrat verursachenden weiteren Prozessschritten wieder entfernt werden müssen. Hierdurch werden die Kosten des Herstellungsverfahrens weiter verringert und gleichzeitig werden Fehlerquellen, die den Wirkungsgrad der Solarzelle beeinträchtigen können, vermieden.
Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass die Passivierungsschicht vorzugsweise eine Dicke zwischen 5 nm und 100 nm, vorzugsweise zwischen 30 nm und 50 nm aufweist. Hierdurch wird eine Optimierung zwischen der benötigen Gesamtprozesszeit zur Aufbringung der Schichtstruktur einerseits und der Passivierungswirkung andererseits erzielt.
Insbesondere wird die Passivierungsschicht vorzugsweise als Siliziumcarbid- schicht (SiCx) ausgebildet, bevorzugt mit einem Kohlenstoffanteil kleiner 10 at%. Hierdurch wird eine sehr gute Passivierungswirkung erzielt.
Weiterhin ergaben Untersuchungen des Anmelders, dass die Dotierschicht vorzugsweise eine Dicke zwischen 10 nm und 100 nm, vorzugsweise zwischen 30 nm und 50 nm aufweist. Auch hierdurch ergibt sich eine Optimierung zwi- sehen der Dotierungswirkung bei Erzeugung der lokalen Hochdotierungsbereiche und einer geringen Prozessdauer bei Erzeugen der Schichtstruktur. Vorzugsweise enthält die Dotierschicht Dotierstoff in einer Konzentration größer als 1 x1020 cm'3.
Die Hauptfunktion der Dotierschicht ist der Bereitstellung des Dotierstoffes zur Dotierung der Hochdotierungsbereiche. Für den Dotiervorgang ist es vorteilhaft, dass während des Aufschmelzens eine flüssig-flüssig Diffusion zwischen den aufgeschmolzenen Teilbereichen der Dotierschicht und des Halbleitersubstrates stattfindet, da hierdurch eine besonders schnelle und effiziente Dotierung des aufgeschmolzenen Teilbereiches des Halbleitersubstrates erfolgt. Hierfür ist insbesondere ein niedriger Schmelzpunkt der Dotierschicht vorteilhaft, vorzugsweise weist die Dotierschicht in etwa den Schmelzpunkt des Halbleitersubstrates auf.
Die Zugabe von Kohlenstoff zu der Dotierschicht erhöht den Schmelzpunkt. Es ist daher zur Erreichung der flüssig-flüssig Diffusion vorteilhaft, dass die Dotierschicht keinen Kohlenstoffanteil aufweist. Eine Dotierschicht ohne Kohlenstoff weist jedoch den Nachteil auf, instabil gegenüber einer Erwärmung von beispielsweise etwa 400°C zu sein. Prozessschritte mit solchen Temperaturen werden jedoch häufig nach Aufbringen der Kontaktierungsschicht zur Verbesserung der Kontakteigenschaften angewandt (so genannte„Temperschritte").
Vorzugsweise weist die Dotierschicht daher einen geringen Kohlenstoffantei! auf, so dass einerseits der Schmelzpunkt der Dotierschicht nur geringfügig erhöht und damit eine flüssig-flüssig Diffusion wie zuvor beschrieben gewährleistet ist und gleichzeitig die Dotierschicht resistent gegenüber einer Erwärmung auf 400°C, insbesondere in Temperschritten, ist.
Die Dotierschicht ist daher vorzugsweise als Siliziumcarbidschicht ausgebildet, welche Kohlenstoff aufweist, wobei bevorzugt der Kohlenstoffanteil zwischen 0 at% und 10 at% liegt, insbesondere vorzugsweise im Bereich zwischen 2 at% und 10 at%.
Die Reflexionsschicht ist vorzugsweise als amorphe, Silizium enthaltende Schicht ausgebildet, wie beispielsweise Siliziumoxid oder Siliziumnitrid. Dies hat den Vorteil, dass eine solche Schicht prozesstechnisch einfach herstellbar ist. Ebenso liegt die Ausbildung der Reflexionsschicht als Aluminiumoxidschicht o- der Titandioxidschicht oder Magnesiumfluridschicht im Rahmen der Erfindung.
Weiterhin ergaben Untersuchungen des Anmelders, dass die Reflexionsschicht vorzugsweise eine Dicke zwischen 50 nm und 300 nm, vorzugsweise zwischen 100 nm und 300 nm aufweist. Hierdurch ergibt sich eine Optimierung aus Erhöhung der optischen Güte einerseits und einer Verringerung der Gesamtprozessdauer bei Erzeugung des Schichtsystems andererseits.
Insbesondere ist die Reflexionsschicht vorzugsweise als Siliziumcarbidschicht ausgebildet. Bevorzugt weist die Reflexionsschicht einen Kohlenstoffanteil größer 40 at%, insbesondere größer 50 at% auf. Der Kohlenstoffanteil der Reflexionsschicht ist ein wesentlicher Parameter hinsichtlich des resultierenden Brechungsindexes der Reflexionsschicht. Durch die genannten vorteilhaften Kohlenstoffanteile wird ein Brechungsindex kleiner 2.5 in dem Wellenlängenbereich zwischen 800 nm und 1200 nm erzielt, so dass ein geringerer Brechungsindex gegenüber dem Brechungsindex von (kohlenstofffreiem) Silizium in diesem Wellenlängenbereich erreicht wird und die Erhöhung der optischen Güte an der Kontaktierungsseite des Halbleitersubstrates gewährleistet ist.
Vorzugsweise weist die Reflexionsschicht zumindest in dem Wellenlängenbereich zwischen 800 nm und 1200 nm einen Brechungsindex nR kleiner 2,5 und größer 1 zur Erzielung der vorgenannten optischen Güte auf.
Zur Erzielung einer optimalen elektrischen Güte, insbesondere hinsichtlich der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an der Kontaktierungsseite des Halbleitersubstrates wird vorzugsweise vor Verfahrensschritt A eine Reinigung zumindest der Kontaktierungsseite des Halbleitersubstrates durchgeführt, so dass eventuelle Verunreinigungen oder geringfügige Kristallstörungen beseitigt werden. Insbesondere eine nasschemische Reinigung ist hierfür geeignet.
Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in Verfahrensschritt A alle Schichten mittels Niedertemperaturverfahren bei Temperaturen kleiner 300 °C erzeugt. Hierdurch ist das erfindungsgemäße Verfahren auch für Solarzellenstrukturen anwendbar, die Heterostrukturen beispielsweise auf der der Kontaktierungsseite entgegengesetzten Seite des Halbleitersubstrates aufweisen. Verfahrensschritte über der genannten Grenztemperatur könnten Heterostrukturen beschädigen. Das Aufbringen der vorgenannten Schichten zur Erzeugung des Schichtsystems in Verfahrensschritt A- ist mit vorbekannten Verfahren, insbesondere mittels PECVD bei Temperaturen kleiner der vorgenannten Grenztemperatur möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit insbesondere zur Ausbildung hocheffizienter Siliziumsolarzellen geeignet, welche einen so genannten Hetero-Emitter aufweisen, d. h. einen Emitter, der durch Aufbringen einer dotierten Schicht, welche einen dem Basisdotierungstyp entgegengesetzten Dotierungstyp aufweist, ausgebildet wird.
Ebenso ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch bei Solarzellenstrukturen anwendbar, die einen oder mehrere mittels Diffusion in dem Halbleitersubstrat erzeugte Emitter aufweisen.
Die Erzeugung der Schichtstruktur in Verfahrensschritt A erfolgt vorzugsweise durch PECVD, da hier auf vorhandene Anlagen für den industriellen Einsatz und vorhandenen Prozesspärameter zur Erzeugung dieser Schichten zurückgegriffen werden kann. Vorzugweise erfolgt hierbei die Erzeugung der Dotierschicht oder anderer Dotierstoff enthaltender Schichten durch Zugabe eines Dotiergases während des Abscheideprozesses, im Besonderen vorzugsweise durch Zugabe von Phosphingas.
Die lokale Erhitzung im Verfahrensschritt B erfolgt vorzugsweise durch einen Laser und ist insbesondere vorzugsweise gemäß DE 100 46 170 A1 und E.
Schneiderlöchner, R. Preu, R. Lüdemann, and S. W. Glunz,„Laser-fired rear contacts for crystalline Silicon solar cells," Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 10, pp. 29-34, 2002 und S. W. Glunz, E. Schneiderlöchner, D. Kray, A. Grohe, H. Kampwerth, R. Preu, and G. Willeke,„Laser-fired contact solar cells on p- and n-type Substrates," in Proceedings of the 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference (Paris, Franke), pp. 408-41 1 , 2004. ausgebildet.
Vorzugsweise erfolgt die Erhitzung durch einen gepulsten Laser, da hierdurch eine ausreichende Erwärmung zur Erzielung der Schmelzmischung erreicht werden kann. Die Wellenlänge des Lasers ist vorzugsweise kleiner 1200 nm, da bei größeren Wellenlängen die Absorption in Silizium stark abnimmt und keine Aufschmelzung, sondern allenfalls eine Ablation der Schichten erfolgen würde.
Insbesondere die Anwendung eines Lasers, der über ein Spiegelsystem nacheinander auf unterschiedliche Punkte der Kontaktierungsseite zur Erzeugung der Hochdotierungsbereiche abgelenkt wird, ist vorteilhaft. Hierbei kann auf bereits vorhandene Vorrichtungen mit Piezo-Ablenkspiegeln zurückgegriffen werden, so dass in kurzer Prozesszeit eine Vielzahl von Hochdotierungsbereichen an der Kontaktierungsseite erzeugbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich an der Vorder- und/oder an der Rückseite einer Solarzelle bzw. einer Vorstufe einer Solarzelle anwendbar. Wird das Verfahren an der Vorderseite einer Solarzelle angewendet, so wird die Metallschicht derart aufgebracht, dass sie die Vorderseite lediglich teilweise zumindest in den Hochdotierungsbereichen bedeckt, so dass an den nicht durch die Metallschicht bedeckten Bereichen ein Eintritt von elektromagnetischer Strahlung in das Halbleitersubstrat möglich ist. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung zur erfindungsgemäßen Verfahren an der Rückseite einer Solarzelle bzw. einer Vorstufe einer Solarzelle. Insbesondere an der Rückseite ist die optische Güte in dem vorgenannten Wellenlängenbereich wesentlich, da Silizium in diesem Wellenlängenbereich eine verglichen mit direkten Halbleitern geringe Absorption aufweist und somit ein erheblicher Anteil an elektromagnetischer Strahlung in diesem Wellenlängenbereich durch das Halbleitersubstrat hindurchtreten kann und somit eine Erhöhung der Gesamtabsorption durch die Reflexion der Strahlung in diesem Wellenlängenbereich mittels dem Zusammenspiel von Reflexionsschicht und Metallschicht erzielt wird.
Vorzugsweise ist die Kontaktierungsseite daher die bei Betrieb der Solarzelle der Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung abgewandte Rückseite.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich sowohl auf Solarzellen mit n- Basisdotierungen, als auch auf Solarzellen mit p-Basisdotierung anwendbar. Insbesondere Siliziumsolarzellen mit n-Basisdotierung besitzen jedoch ein großes Potential in der industriellen Herstellung. Das n-dotierte Silizium besitzt gegenüber dem p-dotierten Silizium inherente Vorteile in Bezug auf die Materialeigenschaften: Es gibt keinen mit der Bildung von Dotierstoff-Sauerstoff- Komplexen verbundenen Degradationseffekt. Die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger ist somit sowohl in Floating-Zone-Silizium als auch in Czrochalsky- Silizium gegenüber p-dotiertem Silizium höher. Weiterhin ist die Toleranz bei n- dotiertem Silizium gegenüber Verunreinigungen wie Eisen hinsichtlich der Lebensdauer höher verglichen mit p-dotiertem Silizium. Darüber hinaus zeichnet sich n-dotiertes Silizium durch eine erhöhte Leitfähigkeit bei gleicher Dotierstoffkonzentration aus, was insbesondere die Effektivität von Hochdotierungsbereichen bei n-Dotierung erhöht gegenüber Hochdotierungsbereichen bei p- Dotierung. Entsprechend werden die höchsten Wirkungsgrade in der Solarzellenproduktion momentan auf der Basis von Solarzellen mit n-Basisdotierung erreicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird daher vorzugsweise mit einer n- Basisdotierung angewandt.
Die Reflexionsschicht erfüllt, wie zuvor ausgeführt, primär die Funktion, im Zusammenspiel mit der Metallisierungsschicht eine Reflexion zumindest in dem Infrarotbereich (zwischen 800 nm und 1200 nm) zu bewirken. Vorzugsweise weist die Reflexionsschicht ebenfalls einen Dotierstoff in einer Konzentration von über 1020 cm"3 auf. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass während des Aufschmelzens bei der Diffusion von Dotierstoff aus der Dotierschicht keine oder nur in geringerem Maße eine Segregation von Dotierstoff in die Reflexionsschicht erfolgt und somit der Dotierstoff der Dotierschicht im Wesentlichen in den Hochdotierungsbereich diffundiert.
Die Dotierschicht und gegebenenfalls die Passivierungsschicht werden als a- morphe, Silizium enthaltende Schichten ausgebildet. Solche amorphe Schichten weisen einerseits gute elektrische Passivierungseigenschaften hinsichtlich der Oberflächenrekombination der angrenzenden Kontaktierungsseite des Halbleitersubstrates auf. Die Passivierungswirkung verbessert sich mit steigender Schichtdicke. Allerdings weisen Schichten aus amorphem Silizium gegenüber kristallinem Silizium erheblich geringere elektrische Leitfähigkeiten auf, so dass auch der elektrische Durchleitungswiderstand bei Stromfluss senkrecht zur Kon- taktierungsfläche mit steigender Schichtdicke zunimmt. Dies bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch nicht von Nachteil, da die Abführung von Ladungsträgern wesentlich über die Hochdotierungsbereiche und die daran an- schließenden Punktkontakte mit der Kontaktierungsschicht erfolgen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit eine Optimierung der Schichtdicke hinsichtlich der Passivierungswirkung erfolgen, ohne dass im Gegenzug Nachteile durch erhöhte elektrische Leitungswiderstände entstehen. Vorzugsweise weist die Dotier- und/oder die Passivierungsschicht daher eine Dicke von mindestens 30 nm, insbesondere von mindestens 50 nm auf. Denn Schichten aus amorphem Silizium mit solchen Mindestdicken weisen eine sehr gute elektrische Passivierungseigenschaften auf.
Weitere vorzugsweise Merkmale und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden anhand der Figuren und eines Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigt
Figur 1 Verfahrensschritte 0 und A eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur lokalen Hochdotierung und Kontak- tierung der Rückseite eines Siliziumwafers und
Figur 2 Verfahrensschritte B und C des Ausführungsbeispiels.
In den Figuren 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur lokalen Hochdotierung und Kontaktierung einer Halbleiterstruktur, welche eine Vorstufe einer Siliziumsolarzelle ist, dargestellt. In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
Das als Siliziumwafer ausgebildete Halbleitersubstrat 1 weist eine homogene n- Dotierung mit einer Dotierstoffkonzentration von 5x1015 cm"3 auf. Die herzustellende Solarzelle ist somit eine n-Typ-Siliziumsolarzelle.
In sämtlichen in den Figuren dargestellten schematischen Darstellungen ist lediglich ein Teilausschnitt der Halbleiterstruktur dargestellt, die Halbleiterstruktur setzt sich nach rechts und links jeweils fort. Zur besseren Darstellbarkeit ist die schematische Darstellung nicht maßstabsgerecht, insbesondere bezüglich des Verhältnisses von Höhe und Breite.
Das Halbleitersubstrat 1 weist eine Kontaktierungsseite 1 a auf, welche die Rückseite des Halbleitersubstrates ist. Bei der fertig gestellten Solarzelle erfolgt im Betrieb eine Beaufschlagung des Halbleitersubstrates 1 mit elektromagnetischer Strahlung über die der Kontaktierungsseite 1 a gegenüberliegende Vorderseite 1 b.
In einem Verfahrensschritt 0 erfolgt zunächst eine Reinigung der Kontaktierungsseite 1 a. Diese wird als an sich bekannte RCA-Reinigung durchgeführt, wie in W. Kern, D. Puotinen: Cleaning Solutions Based on Hydrogen Peroxide for Use in Silicon Semiconductor Technology. In: RCA Review 1 87 (Juni 1970) beschrieben und umfasst vorzugsweise folgende Schritte:
- Reinigung mit Ammoniumhydroxid, Wasserstoffperoxid, Dl-Wasser, im Verhältnis 1 : 1 :5 bis 1 :2:7, dann
- Reinigung mit Salzsäure, Wasserstoffperoxid, Dl-Wasser, im Verhältnis 1 : 1 :6 bis 1 :2:8.
Anschließend erfolgt in einem Verfahrensschritt A die Abscheidung einer Schichtstruktur.
Die Schichtstruktur umfasst eine Passivierungsschicht 2, eine Dotierschicht 3 und eine Reflexionsschicht 4.
Alle drei Schichten werden mittels PECVD abgeschieden und als amorphe Sili- ziumcarbidschichten ausgebildet. Die Schichten unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich des Gehalts an Kohlenstoff und Dotierstoff:
Zunächst wird die Passivierungsschicht 2 als amorphe Siliziumcarbidschicht mittels PECVD abgeschieden. Die Schichtdicke beträgt vorzugsweise zwischen 5 nm und 50 nm, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Schichtdicke 20 nm. Die Passivierungsschicht 2 ist eine intrinsische Schicht, d. h. sie weist keinen Dotierstoff des Basisdotierungstyps (in diesem Fall keinen n- Dotierstoff) auf. Weiterhin ist die Passivierungsschicht als siliziumreiche Schicht ausgebildet und weist einen Siliziumgehalt von über 90 at% auf. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Passivierungsschicht keinerlei Kohlenstoff aufweist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Dotierschicht mit einem Siliziumgehalt von 95 at% ausgebildet. Die Passivierungsschicht 2 bewirkt eine Absättigung der Oberflächendefekte der Kontaktierungsseite 1 a des Halbleitersubstrates 1 , so dass eine effiziente Verringerung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an der Kontaktierungsseite erzielt wird und somit eine hohe elektrische Güte hinsichtlich der Rekombinationseigenschaften an der Kontaktierungsseite 1 a des Halbleitersubstrates 1 vorliegt.
Anschließend wird die Dotierschicht 3 abgeschieden. Die Dotierschicht 3 ist e- benfalls als siliziumreiche amorphe Siliziumcarbidschicht ausgebildet und weist einen Siliziumanteil größer 90 at% auf. Auch hier liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Dotierschicht 3 keinen Kohlenstoff aufweist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Siliziumanteil der Dotierschicht 95 at%.
Die Dotierschicht 3 weist eine hohe Dotierung eines Dotierstoffs des Basisdotierungstyps auf, vorzugsweise eine Dotierstoffkonzentration größer 1020 cm'3. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Dotierschicht 3 mit Phosphor in einer Konzentration von 8x1020 cm"3 angereichert. Die Dotierung wird erzielt, indem bei der Abscheidung mittels PECVD ein Dotiergas, im vorliegenden Ausführungsbeispiel Phosphin, zu den Precursor-Gasen während des Abscheideprozesses hinzugegeben wird.
Die Dotierschicht 3 dient einerseits als Dotierstoffquelle zur Ausbildung der lokalen Hochdotierungsbereiche in nachfolgenden Verfahrensschritten. Andererseits erhöht die Dotierschicht 3 in Kombination mit der Passivierungsschicht 2 die elektrische Güte der Kontaktierungsseite 1 a des Halbleitersubstrates 1 durch Verringerung der Rekombinationsgeschwindigkeit an der Kontaktierungsseite.
Es ist insbesondere notwendig, dass die Dotierschicht 3 als siliziumreiche Schicht mit einem Siliziumanteil größer 90 at% ausgebildet wird, denn eine siliziumreiche Schicht weist verglichen mit einer Schicht mit einem höheren Kohlenstoffanteil und damit einem geringeren Siliziumanteil eine geringere Schmelztemperatur auf. Durch die Ausbildung insbesondere der Dotierschicht 3 und zusätzlich der Passivierungsschicht 2 als siliziumreiche Schichten erfolgt während des nachfolgend beschriebenen lokalen Erhitzens ein lokales Aufschmelzen sowohl des Siliziums, als auch der darüber liegenden siliziumreichen Schichten, so dass eine Flüssig-Flüssigdiffusion des Dotierstoffes insbesondere aus der Dotierschicht 3 stattfindet und somit eine schnelle Diffusion und damit fehleru- nanfällige Ausbildung eines Hochdotierungsbereiches gewährleistet ist. Vorzugsweise sind daher die Dotierschicht und/oder die Passivierungsschicht mit einem Kohlenstoffanteil kleiner 10 at% ausgebildet, insbesondere weisen vorzugsweise beide Schichten einen Kohlenstoffanteil kleiner 10 at% auf.
Die Dotierschicht 3 weist vorzugsweise eine Schichtdicke zwischen 10 nm und 100 nm auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke der Dotierschicht 50 nm.
Anschließend wird die Reflexionsschicht 4 abgeschieden. Auch die Reflexionsschicht 4 ist als amorphe Siliziumcarbidschicht ausgebildet und weist vorzugsweise eine Schichtdicke zwischen 50 nm und 300 nm auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Schichtdicke der Reflexionsschicht 100 nm. Im Gegensatz zu Dotierschicht 3 und Passivierungsschicht 2 wird bei der Reflexionsschicht 4 der Kohlenstoffanteil höher gewählt. Entsprechend weist die Reflexionsschicht 4 vorzugsweise einen Siliziumanteil kleiner 40 at% insbesondere vorzugsweise kleiner 50 at% auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Siliziumanteil der Reflexionsschicht etwa 40 at% und der Kohlenstoffanteil der Reflexionsschicht etwa 60 at%. Hintergrund hierfür ist, dass der optische Brechungsindex der Reflexionsschicht wesentlich von dem Kohlenstoffanteil bestimmt wird und dass für die Reflexionsschicht 4 ein Brechungsindex nR kleiner dem Brechungsindex des Halbleitersubstrates 1 , insbesondere kleiner 2,5 vorteilhaft ist, um eine hohe optische Güte der Rückseite zu erzielen, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 800 nm und 1200 nm.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Brechungsindex nR im Bereich von 1 ,8 bis 2,3 erzielt.
Die primäre Funktion der Reflexionsschicht 4 ist, im Zusammenspiel mit einer nachfolgenden Kontaktierungsschicht die Reflexionseigenschaften im Infrarotbereich insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 800 nm und 1200 nm zu verbessern, so dass elektromagnetische Strahlung in diesem Wellenlängenbereich reflektiert wird und hierdurch die optische Lichtausbeute in dem Halbleitersubstrat 1 und damit der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht wird. Vorzugsweise weist die Reflexionsschicht 4 zusätzlich Dotierstoff des Basisdotierungstyps auf, so dass sie als zusätzliche Dotierstoffquelle zur Ausbildung des Hochdotierungsbereichs dient und/oder einer Segregation von Dotierstoff aus der Dotierschicht in die Reflexionsschicht entgegenwirkt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird durch Zugabe von Phosphingas wie zuvor beschrieben während der Abscheidung der Reflexionsschicht 4 eine Phosphorkonzentration von etwa 5x1020 cm"3 in der Reflexionsschicht 4 erzielt.
Das Halbleitersubstrat 1 mit der in Verfahrensschritt A erzeugten Schichtstruktur ist in Figur 1A dargestellt.
Anschließend erfolgt in einem Verfahrensschritt B ein lokales Erhitzen der Schichtstruktur und der darunter liegenden Oberfläche des Halbleitersubstrates an mehreren Zonen zur Ausbildung von lokalen Hochdotierungsbereichen. In Figur 2 ist in den Unterfiguren B und C jeweils ein solcher Hochdotierungsbereich 6 dargestellt.
Die Ausbildung des Hochdotierungsbereichs erfolgt durch lokale Erwärmung mittels eines Lasers, wobei der Laser vorzugsweise ein gepulster Laser ist. I n Figur 2B ist schematisch ein Laserpuls 5 dargestellt.
Die lokale Erwärmung mittels des Lasers führt zu einem lokalen Aufschmelzen der aus der Passivierungsschicht 2, der Dotierschicht 3 sowie eines Teilbereichs des Halbleitersubstrats 1 an der Kontaktierungsseite 1 a. Die gegenüber den übrigen Schichten kohlenstoffreiche Reflexionsschicht wird aufgrund des höheren Schmelzpunktes durch die lokale Erwärmung ablatiert.
In dem Schmelzgemisch löst sich der Dotierstoff aus der Dotierschicht 3 und im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch aus der Reflexionsschicht 4 in der Schmelzmischung, so dass nach Erstarren des Schmelzgemisches ein Hochdotierungsbereich 6 vorliegt, wie in den Figuren 2B und 2C dargestellt. Durch die kurzzeitige lokale Erhitzung erfolgt auch ein geringfügiger Materialabtrag, so dass näherungsweise das erstarrte Schmelzgemisch eine tiefer liegende Oberfläche verglichen mit der das erstarrte Schmelzgemisch umgebenden Reflexionsschicht 4 aufweist, wie in Figur 2B dargestellt. In Verfahrensschritt B wird somit eine lokale Hochdotierung 6 an der Kontaktie- rungsseite 1 a des Halbleitersubstrates 1 erzeugt, so dass eine Kontaktierung des Halbleitersubstrates möglich ist, bei der einerseits aufgrund der Hochdotie- rung ein niedriger Kontaktwiderstand gewährleistet ist und andererseits die Rekombinationseigenschaften insbesondere an dem Kontaktierungsbereich, d. h. insbesondere im Hochdotierungsbereich verbessert sind, verglichen mit einer Kontaktierung ohne Hochdotierungsbereich. Im Ergebnis erfolgt somit eine weitere Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Solarzelle.
In einem Verfahrensschritt C wird anschließend eine metallische Kontaktierungsschicht 7 aufgebracht. Dies erfolgt vorzugsweise durch ganzflächiges Aufbringen einer Metallschicht auf die unterste Schicht der Schichtstruktur, im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Reflexionsschicht 4. Hierbei entsteht ein e- lektrisch leitender Kontakt zwischen der Kontaktierungsschicht 7 und dem Hochdotierungsbereich 6.
Das Aufbringen der Kontaktierungsschicht 7 kann in an sich bekannter Weise erfolgen, beispielsweise durch Aufdampfen der Kontaktierungsschicht. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, die bereits bekannten Metallisierungsarten für Rückseitenkontaktierungen bei Siliziumsolarzellen zu verwenden, insbesondere die Kontaktierungsschicht aus Aluminium auszubilden. Ebenso liegt die Ausbildung der Kontaktierungsschicht 7 als Schichtsystem bestehend aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien im Rahmen der Erfindung.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Kontaktierungsschicht 7 als Aluminiumschicht ausgebildet und mittels Aufdampfen aufgebracht.
Vorzugsweise wird in einem nachfolgenden Sinterschritt, d. h. einem Tempera- turschritt bei einer Temperatur zwischen 300 °C und 450 °C die Ausbildung des elektrischen Kontaktes zwischen der Kontaktierungsschicht 7 und dem Halbleitersubstrat 1 an dem Hochdotierungsbereich 6 verbessert.
Die Aufbringung von Passivierungsschicht 2, Dotierschicht 3 und Reflexions- Schicht 4 erfolgt wie zuvor ausgeführt mittels PECVD und in an sich bekannter Weise in Niederdruckumgebung. Das Aufbringen von Schichten mittels PECVD ist dem Fachmann bekannt und beispielsweise in„Principles of plasma dischar- ges and materials processing", M.A. Lieberman, A.J. Lichtenberg, John Wiley & Sons, inc. beschrieben.
Die lokale Erwärmung in Verfahrenschritt B mittels des Lasers erfolgt vorzugsweise wie zuvor beschrieben bei den vorbekannten Verfahren zur Ausbildung von Punktkontakten mittels lokaler Erwärmung durch einen Laser. Insbesondere eignen sich Lichtpulse eines Lasers mit einer Pulsdauer, die zwischen 1 ns und 5 s liegt für das erfindungsgemäße Verfahren um die thermische Belastung der angrenzenden Materialschichten möglichst gering zu halten, aber gleichzeitig die thermische Einwirkung lang aufrecht zu erhalten, um das Aufschmelzen des Schichtsystems und des Siliziums bis in eine Tiefe von ca. 100 nm bis einigen pm zu gewährleisten, vorzugsweise Tiefen zwischen 0, 1 μιη bis 10 μιτι. Als Prozesswellenlängen eignen sich Wellenlängen in einem Bereich von 200 bis 1200 nm. Als Laser wird vorzugsweise ein jeweils gepulster Festkörperlaser (z. B. Nd:YAG-Laser, Yb:YAG-Laser, ein Faserlaser oder Faserverstärker) verwendet, dessen Laserstrahl mittels Ablenkspiegeln auf die entsprechenden Punkte zur Erzeugung von Hochdotierungsbereichen abgelenkt wird. Hierdurch kann in sequentieller Abfolge eine Vielzahl von Hochdotierungsbereichen in kurzer Zeit erzeugt werden, da nur eine sehr geringe Einwirkungszeit des Lasers auf einen Punkt zur Erzeugung eines Hochdotierungsbereiches benötigt wird.
Wie zuvor beschrieben, ist das erfindungsgemäße Verfahren sowohl bei Solarzellen mit eindiffundierten Emittern, als auch bei Solarzellen mit durch Heterostrukturen erzeugten Emitter, d. h. Emittern, die durch Aufbringen von Schichten mit einer zu der Dotierung des Halbleitersubstrates entgegengesetzten Dotierung erzeugt werden, anwendbar.
Da sämtliche Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens Niedertemperaturschritte sind und somit keine globale Erwärmung der Halbleiterstruktur auf Temperaturen größer 450 °C (gegebenenfalls abgesehen von der lokalen Erwärmung an den Hochdotierungsbereichen) erfolgt, ist eine Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in bereits bestehende Verfahren zur Herstellung von Solarzellen problemlos möglich. Vorzugsweise erfolgt die Erzeugung des Emitters vor Durchführen der Verfahrensschritte A, B und C.

Claims

Ansprüche Verfahren zur lokalen Hochdotierung und Kontaktierung einer Halbleiterstruktur, welche eine Solarzelle oder eine Vorstufe einer Solarzelle ist und ein Silizium-Halbleitersubstrat (1 ) eines Basisdotierungstyps umfasst, wobei die Hochdotierung und Kontaktierung erfolgt durch
Erzeugen mehrerer lokaler Hochdotierungsbereiche des Basisdotierungstyps in dem Halbleitersubstrat (1 ) an einer Kontaktierungsseite (1 a) des Halbleitersubstrates und
Aufbringen einer metallischen Kontaktierungsschicht (7) auf die Kontaktierungsseite (1 a) oder gegebenenfalls eine oder mehrere die Kontaktierungsseite (1 a) ganz oder teilweise bedeckende Zwischenschichten, zur Ausbildung elektrisch leitender Verbindungen zwischen der metallischen Kontaktierungsschicht (7) und dem Halbleitersubstrat (1 ) an den Hochdotierungsbereichen,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
A Erzeugen einer die Kontaktierungsseite (1 a) des Halbleitersubstrates bedeckende Schichtstruktur, umfassend
eine Dotierschicht (3), welche einen Dotierstoff des Basisdotierungstyps enthält und ausgebildet wird als Schicht aus amorphem Silizium oder als Schicht aus amorphem Siliziumcarbid mit einem Kohlenstoffgehalt kleiner 1 0 at%
und
eine Reflexionsschicht (4), welche zumindest in dem Wellenlängenbereich zwischen 800 nm und 1200 nm mit einem Brechungsindex /7R kleiner dem Brechungsindex nHs des Halbleitersubstrates ausgebildet wird,
wobei die Dotierschicht (3) in der Schichtabfolge näher an der Kontaktierungsseite (1 a) liegend als die Reflexionsschicht (4) ausgebildet wird,
B lokales Erhitzen der Schichtstruktur und der darunter liegenden Oberfläche des Halbleitersubstrates an mehreren Zonen zur Ausbildung von lokalen Hochdotierungsbereichen, wobei die lokale Erhitzung derart erfolgt, dass sich an den lokal erhitzten Bereichen jeweils lokal eine Schmelzmischung aus zumindest der Dotierschicht (3) und einem Teilbereich des Halbleitersubstrates an der Kontaktierungsseite (1 a) ausbildet und sich bei Erstarren der Schmelzmischung ein durch zumindest den Dotierstoff der Dotierschicht (3) stärker dotierter Hochdotierungsbereich (6) in dem Halbleitersubstrat (1 ) an der Kontaktierungsseite (1 a) ausbildet und
C Aufbringen einer metallischen Kontaktierungsschicht (7), zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen Halbleitersubstrat (1 ) und Kontaktierungsschicht (7) an den Hochdotierungsbereichen.
Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt A die Schichtstruktur mit zusätzlich einer amorphen Passivierungsschicht (2) mit einen Siliziumanteil von mindestens 90at% ausgebildet wird, wobei die Passivierungsschicht (2) keinen Dotierstoff des Basisdotierungstyps oder nur eine Konzentration kleiner 1 x1019 cm"3 eines solchen Dotierstoffes enthält und
die Passivierungsschicht (2) in der Schichtabfolge näher an der Kontaktierungsseite (1 a) liegend als die Dotierschicht (3) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Passivierungsschicht (2) mit einer Dicke zwischen 5 nm und 100 nm, vorzugsweise zwischen 30 nm und 50 nm ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Passivierungsschicht (2) als Siliziumcarbidschicht ausgebildet wird, welche Kohlenstoff aufweist, insbesondere, dass die Schicht mit einem Kohlenstoffanteil zwischen 1 at% und 10 at% ausgebildet wird.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Dotierschicht (3) mit einer Dicke zwischen 10 nm und 100 nm, vorzugsweise zwischen 30 nm und 50 nm ausgebildet wird.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dotierschicht (3) als Siliziumcarbidschicht ausgebildet wird, welche Kohlenstoff aufweist, insbesondere, dass die Schicht mit einem Kohlenstoffanteil zwischen 1 at% und 10 at% ausgebildet wird.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Reflexionsschicht (4) mit einer Dicke zwischen 50 nm und 300 nm, vorzugsweise zwischen 100 nm und 300 nm ausgebildet wird.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Reflexionsschicht (4) als Siliziumcarbidschicht ausgebildet wird, welche Kohlenstoff aufweist, insbesondere, dass die Schicht mit einem Kohlenstoffanteil größer 40 at%, bevorzugt größer 50 at% ausgebildet wird.
9. Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Reflexionsschicht (4) zumindest in dem Wellenlängebereich zwischen 800 nm und 1200 nm mit einem Brechungsindex nR kleiner 2.5 und größer 1 ausgebildet wird.
10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass vor Verfahrensschritt A eine Reinigung zumindest der Kontaktie- rungsseite (1 a) des Halbleitersubstrates erfolgt, vorzugsweise eine nasschemische Reinigung.
1 1 . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt A alle Schichten mittels Niedertemperaturverfahren bei Temperaturen kleiner 300°C erzeugt werden.
12. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt A die Schichtstruktur durch PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) erzeugt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt A eine oder mehrere der Dotierstoff enthaltenden Schichten durch Zugabe eines Dotiergases während des Abscheideprozesses erzeugt wird, vorzugsweise durch Zugabe von Phosphingas.
14. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt B das lokale Erhitzen mittels eines Lasers erfolgt.
15. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kontaktierungsseite (1 a) die bei Betrieb der Solarzelle der Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung abgewandte Rückseite ist.
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