EP2885819A2 - Halbleiterbauelement mit einer passivierungsschicht aus hydriertem aluminiumnitrid sowie verfahren zur oberflächenpassivierung von halbleiterbauelementen - Google Patents

Halbleiterbauelement mit einer passivierungsschicht aus hydriertem aluminiumnitrid sowie verfahren zur oberflächenpassivierung von halbleiterbauelementen

Info

Publication number
EP2885819A2
EP2885819A2 EP13752615.8A EP13752615A EP2885819A2 EP 2885819 A2 EP2885819 A2 EP 2885819A2 EP 13752615 A EP13752615 A EP 13752615A EP 2885819 A2 EP2885819 A2 EP 2885819A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
passivation layer
vapor deposition
passivation
solar cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13752615.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Winfried Wolke
Florian Wagner
Georg KRUGEL
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2885819A2 publication Critical patent/EP2885819A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/30—Coatings
    • H10F77/306—Coatings for devices having potential barriers
    • H10F77/311—Coatings for devices having potential barriers for photovoltaic cells
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F71/00—Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
    • H10F71/129—Passivating
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/30—Coatings
    • H10F77/306—Coatings for devices having potential barriers
    • H10F77/311—Coatings for devices having potential barriers for photovoltaic cells
    • H10F77/315—Coatings for devices having potential barriers for photovoltaic cells the coatings being antireflective or having enhancing optical properties
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor component with a base emitter and electrical contacts as well as at least one passivation layer, which consists of hydrogenated aluminum nitride or contains this substantially. Likewise, the invention relates to a corresponding method for the surface passivation of semiconductor devices.
  • Solar cells are devices that convert light into electrical energy. Usually they consist of a semiconductor material - usually solar cells are made of silicon having n- or p-doped Haibleiter Symposiume. The semiconductor areas are referred to in a conventional manner as an emitter or base. By incident on the solar cell light positive and negative charge carriers are generated within the solar cell, which are spatially separated at the interface between the n- (emitter) and p-doped (base) semiconductor region, the so-called pn junction. By means of metallic contacts which are connected to the emitter and to the base, these separate charge carriers can be dissipated.
  • solar cells consist of full-surface base and emitter regions, the emitter lying on the side facing the light, the front side of the solar cell.
  • the back of the solar cell is provided with a full-surface metal layer, are applied to the appropriate back contact pads, eg. From AgAl.
  • the emitter region is contacted with a metal grid with the aim of losing as little light as possible due to reflection at the metal contact for the solar cell, ie the metal grid has a finger structure in order to cover as little solar cell surface as possible.
  • To optimize the power output of the solar cell is also trying to keep the optical losses due to reflection as small as possible.
  • ARC antireflection layers
  • the layer thickness of the antireflection layers is chosen so that in the most energetically important spectral range just destructive interference of the reflected light results.
  • Anti-friction materials used are, for example, titanium dioxide, silicon nitride and silicon dioxide.
  • CVD chemical vapor deposition
  • PVD physical vapor deposition
  • Another feature of highly efficient solar cells are narrow ( ⁇ 40 ⁇ and high front-side contacts ( ⁇ 10 ⁇ ) with low contact and line resistance.
  • the surfaces of high efficiency solar cells are additionally characterized by a low surface recombination speed, i. the probability that minority carriers reach the surface of the solar cell and recombine there, and thus do not contribute to the generation of energy, resulting in a considerable reduction in efficiency, is very small.
  • the prevention of the migration of the minority charge carriers to the surface can be achieved by generating a high doping of impurities in the region of the surface or by applying a dielectric layer to the surface and by incorporating fixed charges in the boundary layer between the semiconductor and the dielectric layer.
  • a high doping is realized by the emitter doping on the front in different degrees of expression.
  • a high doping always involves the disadvantage that although the recombination probability at the surfaces of the solar cell can be reduced, the recombination probability within the solar cell layer increases for this purpose.
  • Charges may e.g. also by a layer of silicon nitride, which serves particularly well as an antireflection layer can be installed. The number of charges is characterized by the value Q.
  • the reduction in the recombination at the surface can be realized by reducing the surface recombination states, for example by virtue of the fact that silicon bonds broken on the surface and thus not saturated by a layer of amorphous silicon, Saturated Siiiziumnitrid, alumina or silicon dioxide, as described above, at the front can be used in part as an antireflection layer, the number of broken bonds is characterized by the impurity density D it .
  • the passivation can be applied to both the front and the back and is one of the most important features of highly efficient solar cells.
  • Layers of SiN: H or SiNO: H deposited by means of CVD or PVD processes have high deposition rates and thus low production costs.
  • the disadvantage lies more in the range of attainable passivation quality as a function of high temperature processes which follow the coating (SW Glum, A. Grohe, M. Hermle, M. Hofmann, S. Janz, T. Roth, O. Schultz, M. Vetter, I. Martin, R. Ferre, S. Bermejo, W. Cloud, W. Warta, R. Preu, and G. Witleke Comparison of different-purpose passive-passivation layers for application in industrially-fea- sible high-efficiency crystalline silicon solar cells.
  • AIO In contrast to SiN: H, AIO has a high number of negative charges in the layer. In addition to the high negative charge density Q, deposition of AIO by PVD, CVD, or ALD achieves low defect densities D it (by 1 * 10 "eV '2 ), which results in a very good passivation effect of AIO. Si surface passivation machanism by the negative charge.
  • alumina has an optically unfavorable refractive index of 1.7 for some applications.
  • a solar cell is provided with a base, emitter and metal contacts which are electrically connected to the base and the emitter and at least one passivation layer for the front side facing the light source and / or the rear side facing away from the light source. It is important and essential here that the at least one passivation layer consists of hydrogenated ammonium nitride or essentially contains it.
  • such a passivation layer has an extremely low surface recombination velocity, measured by means of quasi-steady-state photoconductance (QSSPC), and thus has an extremely long service life of the separated charge carriers.
  • This low surface recombination rate can be further reduced when thermal treatment of the passivation layer (s) is performed.
  • the at least one passivation layer has a refractive index, measured by means of ellipsometry at 600 nm, in the range from 1.9 to 2.2.
  • the measuring methods mentioned are described in more detail below. This means that hydrated AIN beats very well as an anti-reflection coating. What an advantage over the initially described methods 1 and 3 results.
  • the passivation layer On the side of the passivation layer facing away from the emitter, preferably at least one further layer, in particular a layer containing or consisting of hydrogenated silicon nitride, and / or a silicon oxide layer and / or a silicon oxynitride layer may be deposited.
  • the passivation layer thus represents a first layer in a stacking system of several layers.
  • an iterative arrangement of several passivation layers and several further layers in a stacking system is conceivable, e.g. an alternating array of 2-10 passivation layers and a corresponding number of additional layers.
  • the mentioned further layers in particular the silicon-containing layers, have a greater refractive index than the passivation layer (s), antireflection of such a layer composite and thus an antireflection coating of the solar cell can be achieved at the same time.
  • At least one, preferably each passivation layer and / or at least one, preferably each further layer preferably has a layer thickness in the range of 1 to 200 nm, in particular in the range of 30 to 80 nm.
  • a method for the surface passivation of solar cells is likewise provided in which at least one passivation layer made of hydrogenated aluminum nitride by means of vapor deposition from an aluminum, nitrogen and hydrogen containing on the front surface facing the light source and / or on the back surface of the semiconductor device facing away from the light source Atmosphere is deposited.
  • the principal components of the solar cells correspond to those mentioned above.
  • vapor deposition occurs by physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), plasma assisted chemical vapor deposition (PE-CVD), atmospheric chemical vapor deposition (AP-CVD), or atomic layer deposition (ALD).
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • PE-CVD plasma assisted chemical vapor deposition
  • AP-CVD atmospheric chemical vapor deposition
  • ALD atomic layer deposition
  • nitrogen and hydrogen in atomic and / or molecular form in particular N 2 , H 2 and / or NH 3 is used.
  • This has the advantage over the method 3 described at the outset that oxygen is used as the process gas.
  • oxygen is on the one hand an order of magnitude more expensive than nitrogen, while on the other hand it is much more critical in terms of safety aspects, such as the risk of explosion with simultaneous use of oxygen and hydrogen (in the deposition of hydrogen-containing AIO: H layers) ).
  • the process according to the invention thus has clear cost advantages and a simpler process technology handling compared to process 3.
  • the use as an anti-reflex layer is possible.
  • a noble gas in particular argon is preferably used.
  • the introduction of the hydrogen into the passivation layer is accomplished with at least one of the following techniques:
  • TMA trimethylaluminum
  • a further preferred variant provides that after the vapor deposition, the passivation layer is subjected to a temperature treatment at temperatures of 350 to 900 ° C.
  • a temperature treatment can, for example, as a rapid thermal
  • RTP Thermal Processing
  • a short thermal treatment is carried out at high temperatures, e.g. a treatment at temperatures between 700 ° C and 900 ° C, preferably between 800 ° C and 900 ° C over a period of 0.1 to 10 s, preferably 0.1 to 5 s.
  • a temperature treatment over a relatively long space and at lower temperatures is possible and expedient, this being referred to as "annealing.”
  • annealing a temperature treatment is preferred in the temperature range of 350 ° C. and 600 ° C., preferably 350 ° C. and 450 ° C is carried out over a period of 0.5 min to 1 h, preferably 1 min to 15 min.
  • the temperature treatment leads to a significantly reduced impurity density in the passivation layer, which is preferably 1 ⁇ 10 13 eV 1 cm 2 , more preferably ⁇ 10 ⁇ 10 10 eV "1 cm 2 " , preferably ⁇ 5 ⁇ 10 10 eV "1 cm 2 ,
  • Fig. 1 shows the schematic structure of a high-efficiency solar cell according to the prior art.
  • Fig. 2 shows a graph of the dependence of the extinction coefficient on the wavelength for ruffled layers of hydrogenated aluminum of the dependence of the extinction coefficient on the wavelength for ruffled Layers of hydrogenated aluminum nitride and hydrogenated silicon nitride.
  • Fig. 3 shows a graph of the dependence of the calculation index on the wavelength for layers of chopped hydrated aluminum nitride and hydrogenated silicon nitride.
  • FIG. 4 shows a comparison of the charge carrier lifetime of hydrogenated aluminum nitride passivated solar cells before and after a high-temperature step.
  • FIG. 1 shows a solar cell which has been described in the introduction to the description as state of the art.
  • a highly efficient solar cell 1 is depicted here, which has passivation layers 4 and 5 on the front side 1 'and the back side 1 "of the solar cell in addition to the base 2 and the emitter 3.
  • the front side has a texturing 6 in the form of inverted or even
  • a metallization grid 7, which is connected to the selective emitter 8 is applied on the front side, and a so-called local back surface field 9 is arranged on the rear side next to the passivation layer 4.
  • a metalization is found on the rear side 10th
  • the AIN: H layer is not intended to be thermally grown but to be deposited by means of CVD or PVD methods (for example by argon sputtering of an aluminum target with the addition of nitrogen / ammonia and hydrogen).
  • High-temperature processing of AiN H passivated silicon surfaces significantly improves surface passivation.
  • the achievable with the method 2 saturation of the impurity for a high-temperature step is in a range of 1-5 * 10 12 eV ⁇ cm "2
  • H was a very low impurity concentration of below 5 * 10 10 eV 'cm "2 can be observed after a high temperature step. This explains the good quality of the passivation.
  • the method according to the invention has a clear advantage over the method 2.
  • nitrogen and hydrogen and / or ammonia are required as the source gas.
  • Figure 3 shows the wavelength dependent extinction coefficients of sputtered AIN: H and sputtered SiN: H.
  • FIG. 4 the diagram depicted there shows the results of a quasi-stationary photometry measurement (QSSPC) of a semiconductor component according to the invention which has a passivation of hydrogenated aluminum nitride.
  • the carrier lifetime was compared before and after the temperature treatment step at 800 ° C. for 1 s. It clearly shows that the charge carrier lifetime could be increased from 200 microseconds to 600 microseconds due to the high temperature treatment step.
  • a pressure treatment can be carried out before or after the temperature treatment.
  • the measuring methodology (QSSPC) is described in more detail below.
  • Spectrally resolved ellipsometry is a method for investigating the optical properties of thin films. It allows the determination of the layer thickness and the complex refractive index.
  • N ⁇ ) n (X) + ik ( ⁇ ) with
  • k extinction coefficient imaginary part of the refractive index. k is a measure of the absorption a in the material X
  • the measuring principle is shown in FIG.
  • ellipsometry light of known polarization, i. known amount of the vectorial components "s-plane” and “p-plane", guided at a defined angle ("plane of incidence") to a sample (I) .
  • the polarization of the light is changed (II ), ie there is a change in the amount of the vector components "s-plane” and "p-piane", after which the state of the polarization is measured (MI).
  • the thin layer When light is applied to a sample with a thin layer (see Figure 6, which illustrates the principle of light reflection on a thin layer of thickness d on a substrate), the thin layer has the refractive index N 2 , the substrate the refractive index N 3 and the surrounding Medium, the refractive index N x ), typically occur multiple reflections on the surface of the layer. In this case, interference of the incident light takes place by reflection at the respective boundary surfaces of the thin layer, for example at the interface with air or vacuum (refractive index N or to the medium on which the thin layer has grown (refractive index N 3 ).) Any further transmission back in the medium 1, the intensity will be smaller than the previous one The infinite series of partial waves together make up the resulting reflected wave.
  • Polarized light can be described by two vectors E and E p which are perpendicular to each other.
  • R p is the reflection coefficient of the p-polarized light
  • the reflection coefficient can be obtained from the following formulas exp (i (£ r -,))
  • An ellipsometric measurement provides experimental data sets of ⁇ ⁇ and A exp , in order to obtain the desired values. For example, to determine layer thickness and refractive index, a fit procedure is performed using a model of the physical physical system. For the model, sets of ⁇ ⁇ and A exp are calculated and compared with the measured data. Then a small change is made to the model and compared again with the measurement data. This procedure is performed multiple times until a minimum in difference between the applied model and the real data is achieved. The difference between the real and model data is treated mathematically by applying the mean square error (MSE):
  • MSE mean square error
  • the simple Cauchy model for the real part of the refractive index is a limited series expansion
  • This model is often successful for non-absorbent layers. be used.
  • the WCT-100 also known as the Sinton Apparatus, was developed by Ronaid A. Sinton. It enables the determination of the injection-dependent effective carrier lifetime xeff ( ⁇ n).
  • the device is based on the power absorption of semiconductors (in our case, silicon wafers) exposed to the alternating magnetic field of a parallel resonant circuit.
  • semiconductors in our case, silicon wafers
  • the inductive coupling of the Si wafer to the oscillating magnetic field generates eddy currents in it.
  • the limited conductivity of the Si wafer causes part of the induced energy to be radiated as heat.
  • the conductivity of the wafer in the area relevant for the evaluation is directly proportional to the number of free charge carriers in the wafer. Short-term irradiation with light from a flashlamp generates additional free charge carriers in the wafer and increases the conductivity of the wafer. So the energy loss of the resonant circuit is increased.
  • FIG. 8b shows a schematic circuit diagram of an arrangement that is fundamentally similar to the Sinton apparatus.
  • Vg amplitude of the gate voltage of the JFET, see Figure 8b
  • Q (t) Q (t)
  • the transistor and the capacitance C 0 form an infinite impedance detector with the (tappable) output voltage V 0 .
  • the illumination time is chosen to be very large compared to the carrier lifetime. This measurement method is best suited for rather short lifetimes. Where G is valid
  • Figure B4 shows an example of a temporal course of illumination intensity and photoconductivity taken with the Sinton-Appartur.
  • the light-induced conductivity of the samples is correlated with the voltage observed at the output of the measuring apparatus by means of calibration samples.
  • Figure 9 shows an example of a lighting and photoconductive process; recorded with the Sinton apparatus.

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit Basisemitter und elektrischen Kontakten sowie mind. einer Passivierungsschicht, die aus hydriertem Aluminiumnitrid besteht oder dieses im Wesentlichen enthält. Ebenso betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Oberflächenpassivierung von Halbleiterbauelementen.

Description

Halbleiterbauelement mit einer Passivierungsschicht aus hydriertem
AI uminiumnitrid sowie Verfahren zur Oberflächenpassivierung von
Halbleiterbauelementen
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit Basisemitter und elektrischen Kontakten sowie mind. einer Passivierungsschicht, die aus hydriertem Aluminiumnitrid besteht oder dieses im Wesentlichen enthält. Ebenso betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Oberflächenpassivierung von Halbleiterbauelementen.
Die industrielle Fertigung von Solarzellen unterliegt bereits rein aus Wettbewerbsgründen den Bestrebungen, Solarzellen mit möglichst hohem Wirkungsgrad, d. h. einer möglichst hohen elektrischen Stromausbeute aus dem auf die Solarzelle eintreffenden solaren Energiefluss herzustellen und zugleich den Fertigungsaufwand und damit eng verbunden die Herstellungskosten gering zu halten. Zum näheren Verständnis der bei einer optimierten Fertigung von Solarzellen zu beachtenden Maßnahmen sollen die nachstehenden Ausführungen dienen:
Solarzellen sind Bauelemente, die Licht in elektrische Energie umwandeln. Üblicherweise bestehen sie aus einem Halbleitermaterial - meist werden Solarzellen aus Silizium gefertigt das n- bzw. p-dotierte Haibleiterbereiche aufweist. Die Haibleiterbereiche werden in an sich bekannter Weise als Emitter bzw. Basis bezeichnet. Durch auf die Solarzelle einfallendes Licht werden innerhalb der Solarzelle positive und negative Ladungsträger erzeugt, die an der Grenzfläche zwischen dem n- (Emitter) und p-dotierten (Basis) Halbleiterbereich, am sogenannten pn-Übergang räumlich voneinander getrennt werden. Mittels metallischer Kontakte die mit dem Emitter und mit der Basis verbunden sind, können diese voneinander getrennten Ladungsträger abgeführt werden.
In der einfachsten Form bestehen Solarzellen aus ganzflächigen Basis- und Emitterbereichen, wobei der Emitter auf der dem Licht zugewandten Seite, der Vorderseite der Solarzelle liegt. Zur elektrischen Kontaktierung der Basis wird für gewöhnlich die Rückseite der Solarzelle mit einer ganzflächigen Metallschicht versehen, auf die geeignete Rückseitenkontaktleiterbahnen, bspw. Aus AgAl aufgebracht sind. Der Emitterbereich wird mit einem Metall-Grid kontaktiert mit dem Ziel, möglichst wenig Licht durch Reflexion am Metallkontakt für die Solarzelle zu verlieren, d.h. das Metall-Grid weist eine Fingerstruktur auf, um möglichst wenig Solarzellenfläche zu verdecken. Zur Optimierung der Leistungsausbeute der Solarzelle wird zudem versucht die optischen Verluste auf Grund von Reflexion möglichst klein zu halten. Erreicht wird dies zum einen durch die Abscheidung sogenannter Antireflexionsschichten (ARC) auf der Vorderseitenoberfläche der Solarzelle. Die Schichtdicke der Antireflexionsschichten ist so gewählt, dass sich im energetisch wichtigsten Spektralbereich gerade destruktive Interferenz des reflektierten Lichtes ergibt. Verwendete Antirefiexmateriaüen sind z.B. Titandioxid, Siliziumnitrid und Siliziumdioxid. Zur Aufbringung dieser Schichten gibt es verschiedene Ansätze, wie z.B. das thermische Auswachsen, die Beschichtung durch chemische Gasphasen Abscheidung (CVD) oder durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD). Eine weitere Möglichkeit der Ref- lexionsminderung besteht in der Strukturierung der vorderseitigen Oberfläche des Siliziumwafers.
Ein weiteres Merkmal von hocheffizienter Solarzellen sind schmale (<40 μιτη} und hohe Vorderseitenkontakte (<10 μηη) mit niedrigem Kontakt- und Leitungswiderstand.
Die Oberflächen von Solarzellen hoher Wirkungsgrade zeichnen sich neben guten elektrischen Kontaktierungen zusätzlich durch eine niedrige Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit aus, d.h. die Wahrscheinlichkeit, dass Minoritätsladungsträger an die Oberfläche der Solarzelle gelangen und dort rekombinieren und somit nicht zur Energieerzeugung beitragen, wodurch es zu einer erheblichen Wirkungsgradreduktion kommt, äst gering.
Realisiert werden kann dies entweder dadurch, dass entweder wenige Minoritätsladungsträger an die Oberfläche gelangen, oder dass sie an der Oberfläche nur mit geringer Wahrscheinlichkeit rekombinieren.
Die Verhinderung der Migration der Minoritätsladungsträger an die Oberfläche kann dadurch realisiert werden, indem im Bereich der Oberfläche eine hohe Dotierung an Fremdatomen erzeugt wird oder dass auf die Oberfläche eine dielektrische Schicht aufgebracht wird und feste Ladungen in der Grenzebene zwischen Halbleiter und dielektrischer Schicht eingebaut werden. Eine hohe Dotierung ist durch die Emitterdotierung auf der Vorderseite in verschieden starker Ausprägung realisiert. Eine hohe Dotierung ist jedoch stets mit dem Nachteil verbunden, dass zwar die Rekombinationswahrscheinlichkeit an den Oberflächen der Solarzelle reduziert werden kann, dafür erhöht sich jedoch die Rekombinationswahrscheinlichkeit innerhalb der Solarzellenschicht. Ladungen können z.B. auch durch eine Schicht aus Siliziumnitrid, die besonders gut als Antireflexionsschicht dient, eingebaut werden. Die Anzahl der Ladungen wird durch den Wert Q, charakterisiert.
Die Verringerung der Rekombination an der Oberfläche kann dadurch realisiert werden, dass die Oberflächenrekombinationszustände verringert werden, z.B. dadurch, dass an der Oberfläche aufgebrochene und somit nicht abgesättigte Siliziumbindungen durch eine Schicht aus amorphen Silizium, Siiiziumnitrid, Aluminiumoxid oder SÜiziumdioxid abgesättigt werden die, wie oben beschrieben, an der Vorderseite zum Teil auch als Antireflexschicht verwendet werden können, Die Anzahl der aufgebrochenen Bindungen wird durch die Störstellendichte Dit charakterisiert. Die Passivierung kann sowohl an der Vorder- als auch an der Rückseite angewendet werden und ist eines der wichtigsten Merkmale hocheffizienter Solarzellen.
Die Vor- und Nachteile der verschiedenen, dem aktuellen Stand der Technik entsprechenden Methoden zur Oberflächenpassivierung sollen im Folgenden erläutert werden:
1. Aufwachsen von SÜiziumdioxid auf der Si-Oberfläche.
Der sehr guten Passivierungswirkung [A. G. Aberle, Crystolline Silicon solar celis - Advanced surface passivation and analysis, University of New South Wales (1999)} von thermischem Siliziumoxid auf p- und n- Typ Oberflächen stehen mehrere Nachteile gegenüber. Zum einen ist die Schicht durch einen Brechungsindex von n=1.48 bei 600nm nicht als Einzellagen-Anti-Reflex-Schicht auf der Vorderseite anwendbar. Zum anderen ist der Prozess des thermischen Schichtwachstums mit Raten im Bereich 1-5 nm/min im Vergleich zur PECVD und PVD Ab- scheidung von Si{0)N mit Raten um lnm/s deutlich langsamer und dadurch kostenaufwändiger. Durch das große thermische Budget können außerdem unerwünschte Veränderungen des Emitterprofits stattfinden. Nicht zuletzt muss bei der Oxidation immer beachtet werden, dass es sich prinzipiell nicht um einen gerichteten Prozess handelt. Ein Schichtwachstum auf nicht zu beschichteten Oberflächen kann also nur durch eine Diffusionsbarriere verhindert werden.
2. Beschichtung der Oberfläche mit hydriertem Siiiziumnitrid (SiN:H) und/oder mit Siliziumoxynitrid (SiNO:H).
Mittels CVD oder PVD Verfahren abgeschiedene Schichten aus SiN:H oder SiNO:H weisen hohe Abscheideraten und dadurch niedrige Herstellungskosten auf. Für diese Schichten liegt der Nachteil eher im Bereich der erreichbaren Passivierungsqualität in Abhängigkeit von Hoch- temperaturprozessen, die der Beschichtung nachfoigen (S.W. Glum, A. Grohe, M. Hermle, M. Hofmann, S. Janz, T. Roth, O. Schultz, M. Vetter, I. Martin, R. Ferre, S. Bermejo, W. Wolke, W. Warta, R. Preu, and G. Witleke. Comparison of different dielectric passivation layers for appli- cation in industriallyfeasible high-efficiency crystalline Silicon solar cells. In Proceedings oft he 20th European Photovoltaic Solor Energy Conference, 2005, Barcelona, Spain: p. 572-7.). Bei optimierten Stapelsystemen aus Siliziumoxynitrid plus Siliziumnitrid zeigen sich Ergebnisse die die Verwendung auf n-Typ Oberflächen erbauen. (C Schwab, M. Hof mann, J. Rentsch, R. Preu. Front surface passivation for industrial- type solar cells by Silicon nitride Stacks. In Proceedings oft he 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2010, Valencia, Spain). Die Verwendung von SiN:H zur Passivierung von p-Typ Oberflächen, wie z.B. der Rückseite von hocheffizienten Siliziumsolarzellen (mit p- Typ Basis) ist mit Schwierigkeiten verbunden. Der Grund liegt in der Ausbildung von festen positiven Ladungen in der SiNrH Schicht, die bei der Abscheidung auf p-Typ Oberflächen zu einer Umkehrung der Ladungsträgerverhältnisse (Inversion) an der Siliztumoberfläche führt. Dies hat ein Absinken des Wirkungsgrades der Solarzelle zur Folge, wenn diese Oberfläche wie bei Hocheffizienzsolarzellen üblich, lokal kontaktiert wird ohne dass eine Barriere für die Majoritäten der Inversionsschicht (Minoritäten in der Basis) zum Kontakt hin erzeugt wird. Es kommt dann zu einem Leckstrom (inversion iayer shunting).
Beschichtung der Oberfläche mit Aluminiumoxid (AIO).
Im Gegensatz zu SiN:H weist AIO eine hohe Anzahl an negativen Ladungen in der Schicht auf. Zusätzlich zu der hohen negativen Ladungsdichte Q, werden bei der Abscheidung von AIO mittels PVD, CVD oder ALD niedrige Defektdichten Dit (um 1*10" eV' 2) erreicht. Dies führt zu einer sehr guten Passivierungswirkung von AIO [On the c-Si surface passivation machanism by the negative Charge dielectric AI203;
B. Hoex, J. Giehlus, M. Sanden, W. Kessels, Journal of Applied Physics, 2008). Durch die negativen Ladungen ist die Verwendung auf p-Typ Oberflächen vorteilhaft, da sich eine Akkumulationszone ausbildet, die sogar leicht den Majoritätsfluss in die Kontakte unterstützt. Technische Nachteile des Aluminiumoxids hergestellt im CVD oder ALD Verfahren sind beispielsweise die notwendige Verwendung teurer organischer Precursor {üblicherweise TMAI, Tetramethylaluminium) für die Bereitstellung des Aluminiums. Darüber hinaus weist Aluminiumoxid einen für einige Anwendungen optisch ungünstigen Brechungsindex von 1,7 auf.
Ausgehend hiervon - war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Passivierung der Oberfläche von Solarzellen bereit zu stellen, die sich einfach in den Herstellungsprozess integrieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch die Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren zur Oberflächenpassivierung von Solarzellen mit dem Merkmal des Anspruchs 9 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildung auf.
Erfindungsgemäß wird eine Solarzelle mit Basis, Emitter und jeweils der Basis und dem Emitter elektrisch verbundenen metallischen Kontakten sowie mindestens einer Passivierungsschicht für die der Lichtquelle zugewandte, vorderseitige und/oder die der Lichtquelle abgewandte, rückseitige Oberfläche, bereitgestellt. Sinn und wesentlich ist hier, dass die mindestens eine Passivierungsschicht aus hydriertem Aiuminiumnitrid besteht oder dieses im Wesentlichen enthält.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass eine derartig beschaffene Passivierungsschicht eine extrem niedrige Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit, gemessen mittels quasistationärer Fotoleitfähigkeit (engl. Quasi- steady-state photo conductance QSSPC)und somit eine extrem hohe Lebensdauer der separierten Ladungsträger aufweist. Diese niedrige Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit kann nochmals reduziert werden, wenn eine thermische Behandlung der Passivierungsschicht(en) durchgeführt wird. Vorzugsweise weist die mindestens eine Passivierungsschicht einen Brechungsindex, gemessen mittels Ellipsometrie bei 600 nm, im Bereich von 1,9 bis 2,2 auf. Die erwähnten Messverfahren sind weiter unten stehend eingehender beschrieben. Das bedeutet, dass sich hydriertes AIN sehr gut als Anti-Reflexions-Schicht verwenden tässt. Womit sich ein Vorteil gegenüber dem eingangs beschriebenen Verfahren 1 und 3 ergibt.
Auf der dem Emitter abgewandten Seite der Passivierungsschicht kann vorzugsweise mindestens eine weitere Schicht, insbesondere eine Schicht, die hydriertes Siliziumnitrid enthält oder aus diesem besteht, und/oder eine Siliziumoxidschicht und/oder eine Siliziumoxynitridschicht abgeschieden sein. Die Passivierungsschicht stellt somit eine erste Schicht in einem Stapeisystem aus mehreren Schichten dar. Ebenso ist eine iterative Anordung aus mehreren Passivierungsschichten und mehreren weiteren Schichten in einem Stapelsystem denkbar, z.B. eine abwechselnde Anordung aus 2-10 Passivierungsschichten und einer entsprechenden Anzahl weiterer Schichten. Aufgrund der Tatsache, dass die erwähnten weiteren Schichten, insbesondere die Silizium enthaltenden Schichten einen größeren Brechungsindex als die Passivierungs- schicht(en) aufweisen, kann dadurch gleichzeitig eine Antireflexierung eines derartigen Schichtverbundes und somit eine Entspiegelung der Solarzelle erzielt werden.
Vorzugsweise weist das Haibleiterbauelement zwischen dem Halbleiterbauelement und der Passivierungsschicht eine native Oxidschicht oder eine Oxidschicht mit einer Dicke von kleiner oder gleich 3 nm auf.
Mindestens eine, bevorzugt jede Passivierungsschicht und/oder mindestens eine, bevorzugt jede weitere Schicht besitzt vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 1 bis 200 nm, insbesondere im Bereich von 30 bis 80 nm.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Oberflächenpassivierung von Solarzellen bereitgestellt, bei dem auf der der Lichtquelle zugewandten, vorderseitigen Oberfläche und/oder auf der der Lichtquelle abgewandten, rückseitigen Oberfläche des Halbleiterbauelementes mindestens eine Passivierungsschicht aus hydriertem Aluminiumnitrid mittels Gasphasenabscheidung aus einer Aluminium, Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre abgeschieden wird. Die prinzipiellen Bestandteile der Solarzellen entsprechen dabei den eingangs erwähnten. Vorzugsweise erfolgt die Gasphasenabscheidung mittels physikalischer Gas- phasenabscheidung (PVD), chemischer Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PE-CVD), chemischer Gasphasenabscheidung unter Atmosphärendruck (AP-CVD) oder Atomlagen- abscheidung (ALD). Dies hat den Vorteil, dass PVD und CVD deutlich höhere Abscheideraten im Vergleich zum thermischen Wachsen aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat somit gegenüber dem eingangs beschriebenen Verfahren 1 einen deutlichen Herstellungskosten- und Durchsatzvorteil.
Bei der Gasphasenabscheidung wird dabei vorzugsweise Stickstoff und Wasserstoff in atomarer und/oder molekularer Form, insbesondere N2, H2 und/oder NH3 eingesetzt. Dies hat gegenüber dem eingangs beschriebenen Verfahren 3 den Vorteil, dass beim Sauerstoff als Prozessgas benutzt wird. Sauerstoff ist, bei vergleichbarer Reinheit, zum einen um eine Größenordnung teurer als Stickstoff, zum anderen ist es wesentlich kritischer in Bezug auf Sicherheitsaspekte, wie z.B. der Explosionsgefahr bei gleichzeitiger Verwendung von Sauerstoff und Wasserstoff (bei der Abscheidung von Wasserstoff- haltigen AIO:H Schichten). Das erfindungsgemäße Verfahren weist somit deutliche Kostenvorteile und eine einfachere prozesstechnische Handhabung gegenüber Verfahren 3 auf. Zudem ist, wie oben beschrieben, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Gegensatz zu Verfahren 3 die Verwendung als Anti-Reflex-Schicht möglich.
Als nicht-reaktives Gas, das insbesondere bei den physikalischen
Gasabscheideverfahren eingesetzt wird, wird bevorzugt ein Edelgas, insbesondere Argon verwendet.
Vorzugsweise erfolgt die Einbringung des Wasserstoffs in die Passivierungs Schicht mit mindestens einer der folgenden Techniken:
Inkorporation oder Implantierung während der Gasphasenabscheidung,
Einbringung mittels Diffusion aus der Gasphase oder aus einer Wasserstoff enthaftenden Schicht, die auf der Passivierungsschicht abgeschieden wird. Es ist weiter bevorzugt, dass bei der Gasphasenabscheidung Aluminium in atomarer oder molekularer Form, insbesondere Trimethylaluminium (TMA), eingesetzt oder generiert wird.
Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass nach der Gasphasenabscheidung die Passivierungsschicht einer Temperaturbehandlung bei Temperaturen von 350 bis 900 °C unterzogen wird. Eine derartige Temperaturbehandlung kann beispielsweise als Rapid Thermal
Processing (RTP) ausgestaltet sein; hierbei wird eine kurze thermische Behandlung bei hohen Temperaturen durchgeführt, z.B. eine Behandlung bei Temperaturen zwischen 700 °C und 900 °C, bevorzugt zwischen 800 °C und 900 °C über einen Zeitraum von 0,1 bis 10 s, bevorzugt 0,1 bis 5 s.
Ebenso ist jedoch auch eine Temperaturbehandiung über einen längeren Zettraum und bei niedrigeren Temperaturen möglich und zielführend, hierbei wird vom sogenannten„annealing" gesprochen. Eine derartige Behandlung wird bevorzugt im Temperaturbereich von 350 °C und 600 °C, bevorzugt 350 °C und 450 °C über einen Zeitraum von 0.5 min bis 1h, bevorzugt 1 min bis 15 min durchgeführt.
Die Temperaturbehandlung führt zu einer deutlich verringerten Störstellendichte in der Passivierungsschicht, die bevorzugt 1 x 1013 eV 1 cm'2, weiter bevorzugt < 10 x 1010 eV"1 cm"z, bevorzugt < 5 x 1010 eV"1 cm 2 beträgt.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer hocheffizienten Solarzelle nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm der Abhängigkeit des Extinktionseffizienten von der Wellenlänge für gespatterte Schichten von hydriertem Aluminium der Abhängigkeit des Extinktionskoeffizienten von der Wellenlänge für gespatterte Schichten von hydriertem Aluminiumnitrid und hydriertem Siiiziumnitrid.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm der Abhängigkeit des Berechnungsindex von der Wellenlänge für Schichten von gespattertem hydriertem Aluminiumnitrid und hydriertem Siiiziumnitrid.
Fig. 4 zeigt anhand eines Diagramms im Vergleich die Ladungsträgerlebensdauer von mit hydriertem Aluminiumnitrid passivierten Solarzellen vor und nach einem Hochtemperaturschritt.
In der Fig. 1 ist eine Solarzelle dargestellt, die in der Beschreibungseinleitung als Stand der Technik beschrieben worden ist. Hierin ist eine hocheffiziente Solarzelle 1 abgebildet, die neben der Basis 2 und dem Emitter 3 Passivie- rungsschichten 4 und 5 jeweils an der Vorderseite 1' und Rückseite 1" der Solarzelle aufweisen. Die Vorderseite weist dabei eine Texturierung 6 in Form von invertierten oder auch zufälligen Pyramiden auf. Weiterhin ist auf der Vorderseite ein Metallisierungsgitter 7 aufgebracht, der mit dem selektiven Emitter 8 verbunden ist. Auf der Rückseite ist neben der Passivierungsschicht 4 ein sogenanntes lokales Back Surface Field 9 angeordnet. Abschließend fin- den Sie auf der Rückseite eine Metallsierung 10.
Im Gegensatz zu Verfahren 1 soll die AIN:H Schicht nicht thermisch aufgewachsen werden sondern mittels CVD Verfahren oder PVD Verfahren (z.B. durch Argon-Sputtern eines Aluminiumtargets unter Zusatz von Stick- stoff/Ammoniak und Wasserstoff) abgeschieden werden. Bei der
Hochtemperaturprozessierung von mit AiN:H passivierten Siliziumoberflächen erfolgt eine deutliche Verbesserung der Oberftächenpassivierung. Die mit dem Verfahren 2 erreichbare Absättigung der Störstellen nach einem Hochtemperaturschritt liegt in einem Bereich von 1-5*1012 eV^cm"2. Bei der erfindungs- gemäße Siliziumwafern mit AIN:H, konnte eine sehr niedrige Störstellendichte von unter 5*1010 eV 'cm"2 nach einem Hochtemperaturschritt beobachtet werden. Dies erklärt die gute Qualität der Passivierung. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass in Hinsicht auf die thermische Stabilität das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber dem Verfahren 2 von deutlichem Vorteil ist. Für das erfindungsgemäße Verfahren wird Stickstoff und Wasserstoff und/oder Ammoniak als Quellgas benötigt.
In dem Diagramm gemäß Figur 2 sind die weilenlängen abhängigen Bre- chungsindices von gesputtertem AIN:H und gesputtertem SiN:H dargestellt.
Figur 3 zeigt die Wellenlängen abhängige Extinktionskoeffizienten von gesputtertem AIN:H und gesputtertem SiN:H.
Bezüglich der Messverfahren zur Bestimmung der Brechungsindices sowe Extinktionskoeffizienten wird auf die weiter unten stehenden Ausführungen verwiesen.
In Fig. 4 zeigt das dort abgebildete Diagramm die Ergebnisse einer quasi stationären Fotoieitfähigkeitsmessung (QSSPC) von einem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement, dass eine Passivierung aus hydriertem Aluminiumnitrid aufweist. Hierbei erfolgte ein Vergleich der Ladungsträgerlebensdauer vor und nach dem Temperaturbehandiungsschritt bei 800 °C über 1 s. Es zeigt sich hierbei deutlich, dass die Ladungsträgerlebensdauer durch den Hochtempera- turbehandlungsschritt von 200 MikroSekunden auf 600 Mikrosekunden erhöht werden konnten. Zusätzlich kann vor oder nach der Temperaturbehandlung eine Druckbehandlung durchgeführt werden. Die Messmethodik (QSSPC) wird nachfolgend eingehender beschrieben.
Spektral aufgelöste Ellipsometrie
Die spektral aufgelöste Ellipsometrie ist ein Verfahren zur Untersuchung der optischen Eigenschaften von dünnen Schichten. Es erlaubt die Bestimmung der Schichtdicke und des komplexen Brechungsindexes.
N{Ä) = n(X) + ik(Ä) mit
n Realteil des Brechungsindex,
k Extinktionskoeffizient: Imaginärteil des Brechungsindex. k ist ein Maß für die Absorption a in dem Material X
Das Messprinzip ist Figur 5 abgebildet. Bei der Ellipsometrie wird Licht mit bekannter Polarisation, d.h. bekanntem Betrag der vektoriellen Komponenten „s-plane" und„p-plane", unter definiertem Winkel („plane of incidence") zu einer Probe geführt (I). Beim Durchgang durch die zu untersuchende Schicht wird die Polarisation des Lichtes verändert (II), d.h. es findet eine Änderung des Betrags der vektoriellen Komponenten„s-plane" und„p-piane" statt. Danach wird der Zustand der Polarisation gemessen (MI).
Wenn Licht auf eine Probe mit einer dünnen Schicht (siehe Figur 6, die das Prinzip der Lichtreflektion an einer dünnen Schicht der Dicke d auf einem Substrat darstellt; hierbei hat die dünne Schicht die Brechzahl N2, das Substrat die Brechzahl N3 und das umgebende Medium die Brechzahl Nx) trifft, treten typischerweise mehrfache Reflexionen an der Oberfläche der Schicht auf. Dabei findet eine Interferenz des einfallenden Lichtes durch Reflexion an den jeweiligen Grenzflächen der dünnen Schicht, beispielsweise an der Grenzfläche zu Luft oder Vakuum (Brechzahl N oder zum Medium, auf dem die dünne Schicht aufgewachsen ist (Brechzahl N3) statt. Jede weitere Transmission zurück in das Medium 1 wird in Bezug auf die Intensität kleiner sein als die vorangegangene. Die unendliche Serie an Partiatwellen bildet zusammen die die resultierende reflektierte Welle.
Polarisiertes Licht kann durch zwei Vektoren E und Ep die senkrecht aufei nander stehen beschrieben werden. Ep ist parallel zur Einfallsebene (p = pa rallel), Es ist senkrecht zur Einfallsebene (s = senkrecht).
Fresnel zeigte, dass reflektiertes polarisiertes Licht wie folgt beschrieben werden kann
^ = ΐ3η(Ψ) · έ?'Λ mit
Ψ Amplitudenverhältnis,
Δ Phasendifferenz, Rp Reflektionskoeffizient des p-poiarisierten Lichtes,
Rs Reflektionskoeffizient des s-polarisierten Lichtes.
Der Reflektionskoeffizient kann aus folgenden Formeln gewonnen werden exp(i(£r - ,))
R ■exp( (<?,. - £,.))
E.
mit
Phasenwinkel des einfallenden Lichtes,
Phasenwinkel des reflektierten Lichtes.
Eine ellipsometrische Messung liefert experimentelle Datensätze von Ψεχρ und Aexp, Um die gewünschten Werte wie. Z.B. Schichtdicke und Brechungsindex zu bestimmen, wird eine Fitprozedur unter Ausnutzung eines Models des realen physikalischen Systems durchgeführt. Für das Model werden Sätze von Ψεχρ und Aexp berechnet und mit den Messdaten verglichen. Daraufhin wird eine kleine Veränderung am Model vorgenommen und erneut mit den Messdaten verglichen. Diese Prozedur wird mehrfach durchgeführt bis ein Minimum im Unterschied zwischen dem angewendeten Model und den Realdaten erreicht wird. Der Unterschied zwischen den Real- und Modeldaten wird mathematisch durch Anwendung des mittleren quadratischen Fehlers (MSE) behandelt:
Als Beispiel: Das einfache Cauchy Model für den Realteil des Brechungsindex ist eine begrenzte Reihenentwicklung
Dieses Model kann oft erfolgreich für nicht absorbierende Schichten ange- wendet werden.
Quasistatische Lebensdauermessung (QSSPC) nach der Methode von Sinton
Die WCT-100, auch unter dem Namen Sinton-Apparatur bekannt, wurde von Ronaid A. Sinton entwickelt. Sie ermöglicht das Bestimmen der injektionsab- hängtgen effektiven Ladungsträgerlebensdauer xeff(Än).
Die Apparatur basiert auf der Leistungsabsorption von Halbleitern (in unserem Fall Silizium-Wafer), die dem magnetischen Wechselfeld eines Parallel- Schwingkreises ausgesetzt sind. Durch die induktive Kopplung des Si-Wafers an das oszillierende Magnetfeld werden in ihm Wirbelströme erzeugt. Die begrenzte Leitfähigkeit des Si-Wafers bedingt, dass ein Teil der induzierten Energie als Wärme abgestrahlt wird. Die Leitfähigkeit des Wafers ist in dem für die Auswertung relevanten Bereich direkt proportional zu der Anzahl der freien Ladungsträger im Wafer. Durch kurzzeitige Bestrahlung mit Licht einer Blitzlampe werden im Wafer zusätzliche freie Ladungsträger generiert und die Leitfähigkeit des Wafers erhöht. Also wird so der Energieverlust des Schwingkreises erhöht. Diesen zusätzlichen Verlust kann man als neuen Widerstand r(t) im Schwingkreis interpretieren. Ein Ersatzschaltbild einer derartigen Apparatur ist in Figur 7 dargestellt: Gezeigt ist ein Schwingkreis einer Anordnung, die der Sinton-Apparatur prinzipiell ähnlich ist, mit L, C, den ohmschen Widerständen jedes Zweiges RL, RC und dem Widerstand des Wafers Rw, unterteilt in den unbeleuchteten Teil R0 und den durch lichtinduzierte Ladungen erzeugten r(t). : Rw = R0 + r(t) , wobei R0 für den Widerstand des Wafers im unbeleuchteten Zustand steht.
Mit der Güte des Schwingkreises mit unbeleuchtetem Wafer cürL
RL + Rc + Rt gilt im beleuchteten Zustand:
Durch Vernachlässigung der Terme höherer Ordnung der eckigen Klammer entsteht:
δ( = βο·[ΐ - *£( 3 mit ε als der zusätzlichen lichtinduzierten Leitfähigkeit des Wafers und der Konstante k, die sehr viel kleiner als 1 ist.
Fig. 8a zweigt ein schematisches Schaltbild einer Anordnung, die der Sinton- Apparatur prinzipiell ähnlich ist (RFC = Radio Frequency Choke (engl, für Radiofrequenz-Drossel), JFET = Junction Fie!d Effect Transistor (engl, für Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor}). Da die WCT-100 ein kommerzielles Produkt ist, ist der genaue Schaltplan nicht bekannt.
Fig. 8b zweigt ein schematisches Schaltbild einer Anordnung, die der Sinton- Apparatur prinzipiell ähnlich ist. Durch Veränderung des variablen Widerstandes und der variablen Kapazität wird ein Abgleich der Leitfähigkeit des Wafers aufgrund thermischer Anregung durchgeführt, sodass die rein durch die Lichtanregung erzeugten Ladungsträger gemessen werden können,
Die Spannungsamplitude des Schwingkreises (= Amplitude der Gatespannung des JFET, siehe Abbildung 8b) Vg ist proportional zu Q(t). Der Spannungsamplitudenunterschied zwischen beleuchtetem und unbeleuchtetem Wafer ist somit proportional zum photoinduzierten Anstieg in der Leitfähigkeit des Wafers.
Um die Spannung Vg möglichst ohne Beeinflussung des Schwingkreises messen zu können, bilden der Transistor und die Kapazität C0 einen infiniten Impedanzdetektor mit der (abgreifbaren) Ausgangsspannung V0.
Die Amplitude von V0 wurde zu
bestimmt. Dies gilt mit dem verketteten magnetischen Fluss Ψ, dem Winkel des leitenden Zustandes des Transistors φ und der Tranststor- Schwellspannung VT. Durch die vorangegangenen Gleichungen ist nun ein Zusammenhang zwischen der lichtinduzierten Leitfähigkeitserhöhung des Wafers ε und der Ausgangsspannungsamplitude Vo hergestellt.
Die mathematische Verbindung zwischen ε und der Injektionsdichte Δη ist durch ε = q - &n - {p„ + μρ )·
mit der Elementarladung q, den Elektronen- bzw. Löcher-Mobilitäten μη und μρ und der Waferdicke W gegeben.
Somit ist ein Zusammenhang zwischen Δη und V0 dargestellt und der zeitliche Vertauf von Δη indirekt messbar. Es existieren verschiedene Auswerteverfahren für die effektive Lebensdauer.
Bei der quasistatischen Messung wird die Beleuchtungszeit sehr groß gegenüber der Trägerlebensdauer gewählt. Diese Messmethode ist am besten für eher kleine Lebensdauern geeignet. Dabei gilt G
Genau umgekehrt wird bei der quasitransienten Messung verfahren. Dort wird der Wafer einer nur sehr kurzzeitigen Beleuchtung im Vergleich zur La- dungsträgeriebensdauer ausgesetzt. Daraus ergibt sich die effektive Ladungsträgerlebensdauer zu:
Beide Messmethoden haben den Nachteil, dass sie jeweils nur für einen bestimmten Lebensdauerbereich gute, d.h. fehlerarme, Ergebnisse liefern. Von H. Nagel et al. wurde deshalb die generalisierte Messung vorgeschlagen, die unabhängig von der Beieuchtungszeit und der Lebensdauer richtige Ergebnisse liefert. Die Lebensdauer bestimmt sich hier über
Diese Gleichung ergibt sich — 1 = 1 + 1
Die Messungen in dieser Arbeit wurden mit der generalisierten Methode durchgeführt.
Durch die zeitliche Intensitätsverteilung des Lichtblitzes, der eine Generation von zusätzlichen freien Ladungsträgern erzeugt, können mit einem Messvorgang mehrere Lebensdauerpunkte bei unterschiedlichen Injektionsdichten gemessen werden. So ist die Bestimmung der Abhängigkeit der Lebensdauer von der Injektion in einem weiten Injektionsbereich möglich. In Abbildung B4 ist ein Beispiel eines zeitlichen Verlaufes der Beleuchtungsintensität und der Photoleitfähigkeit, der mit der Sinton-Appartur aufgenommen wurde, dargestellt.
In der Praxis wird anhand von Kalibrierproben die lichtinduzierte Leitfähigkeit der Proben mit der am Ausgang der Messapparatur beobachteten Spannung korreliert.
Figur 9 zeigt ein Beispiel eines Beieuchtungs- und Photoleitfähigkeitsveriaufes; aufgenommen mit der Sinton-Apparatur.

Claims

Patentansprüche
1. Solarzelle mit Basis, Emitter und jeweils mit der Basis und dem Emitter elektrisch verbundenen metallischen Kontakten sowie mindestens einer Passivierungsschicht für die der Lichtquelle zugewandte, vorderseitige und/oder die der Lichtquelle abgewandte, rückseitige Oberfläche,
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Passiverungsschicht aus hydriertem Aluminiumnitrid besteht oder dieses im Wesentlichen enthält.
2. Solarzelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Passivierungsschicht einen Brechungsindex, gemessen mittels Ellipsometrie bei 600 nm, im Bereich von 1,9 bis 2,2 aufweist.
3. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass auf der Passivierungsschicht mindestens eine weitere Schicht, insbesondere eine hydriertes Siticiumnitrid enthaltende oder aus diesem bestehende Schicht, eine Siliciumoxidschicht oder eine Siliciumnitridoxidschicht, abgeschieden ist.
4. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Halbleiterbauelement und der Passivierungsschicht das Halbleiterbauelement eine native Oxidschicht oder eine Oxidschicht mit einer Dicke von weniger als 3 nm aufweist. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Passivierungs- schicht eine Schichtdicke von 1 bis 200 nm, insbesondere von 30 - 80 nm aufweist.
Verfahren zur Oberflächenpassivierung von Solarzellen, bei dem auf der der Lichtquelle zugewandten, vorderseitägen Oberfläche und/oder auf der der Lichtquelle abgewandten, rückseitigen Oberfläche des Halbleiterbauelementes mindestens eine Passtvierungsschicht aus hydriertem Aiuminiumnitrid mittels Gasphasenabscheidung aus einer Aluminium, Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre abgeschieden wird.
Verfahren nach vorhergehendem Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gasphasenabscheidung mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD), chemischer Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PE-CVD), chemischer Gasabscheidung bei Atmosphärendruck (AP-CVD) oder Atomlagenabscheidung (ALD) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass bei der Gasphasenabscheidung Stickstoff und Wasserstoff in atomarer und/oder molekularer Form, insbesondere N2, H2 und/oder NH3, eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung des Wasserstoffs in die Passivterungsschicht mit mindestens einer der folgenden Techniken erfolgt:
Inkorporation oder Implantierung während der Gasphasenabscheidung, Einbringung mittels Diffusion aus der Gasphase oder aus einer Wasserstoff enthaltenden Schicht, die auf der Passivierungsschicht abgeschieden wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass bei der Gasphasenabscheidung Alumi¬ nium in atomarer oder molekularer Form, insbesondere
Trimethylaluminium (TMA), eingesetzt oder generiert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass nach der Gasphasenabscheidung die Passivierungsschicht einer Temperaturbehandlung bei Temperaturen von 350 bis 900 °C unterzogen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11 zur Herstellung einer Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
13. Verwendung von hydriertem Aluminiumnitrid als Passivierungsschicht für Solarzellen.
EP13752615.8A 2012-08-16 2013-08-16 Halbleiterbauelement mit einer passivierungsschicht aus hydriertem aluminiumnitrid sowie verfahren zur oberflächenpassivierung von halbleiterbauelementen Withdrawn EP2885819A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012016298.7A DE102012016298A1 (de) 2012-08-16 2012-08-16 Halbleiterbauelement mit einer Passivierungsschicht aus hydriertem Aluminiumnitrid sowie Verfahren zur Oberflächenpassivierung von Halbleiterbauelementen
PCT/EP2013/067108 WO2014027075A2 (de) 2012-08-16 2013-08-16 Halbleiterbauelement mit einer passivierungsschicht aus hydriertem aluminiumnitrid sowie verfahren zur oberflächenpassivierung von halbleiterbauelementen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2885819A2 true EP2885819A2 (de) 2015-06-24

Family

ID=49029084

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP13752615.8A Withdrawn EP2885819A2 (de) 2012-08-16 2013-08-16 Halbleiterbauelement mit einer passivierungsschicht aus hydriertem aluminiumnitrid sowie verfahren zur oberflächenpassivierung von halbleiterbauelementen

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20150206989A1 (de)
EP (1) EP2885819A2 (de)
DE (1) DE102012016298A1 (de)
WO (1) WO2014027075A2 (de)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9825191B2 (en) * 2014-06-27 2017-11-21 Sunpower Corporation Passivation of light-receiving surfaces of solar cells with high energy gap (EG) materials
EP3612867B1 (de) 2017-04-17 2025-02-26 3e Nano Inc. Energiekontrollbeschichtungen, strukturen, vorrichtungen und verfahren zur herstellung davon
CN109216473B (zh) * 2018-07-20 2019-10-11 常州大学 一种晶硅太阳电池的表界面钝化层及其钝化方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101884116A (zh) * 2008-04-17 2010-11-10 Lg电子株式会社 太阳能电池及其制造方法
DE102009054630B4 (de) * 2008-12-15 2013-02-14 Qimonda Ag Verfahren zum Herstellen eines photovoltaisches Bauelements
KR20110062598A (ko) * 2009-12-03 2011-06-10 삼성전자주식회사 적층막 제조방법, 이를 이용한 태양전지의 제조방법
DE102010017155B4 (de) * 2010-05-31 2012-01-26 Q-Cells Se Solarzelle

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2014027075A2 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014027075A2 (de) 2014-02-20
DE102012016298A1 (de) 2014-05-15
US20150206989A1 (en) 2015-07-23
WO2014027075A3 (de) 2014-06-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jamarkattel et al. Reduced recombination and improved performance of CdSe/CdTe solar cells due to Cu migration induced by light soaking
Lamers et al. Interface properties of a-SiNx: H/Si to improve surface passivation
Matsui et al. Full-Area Passivating Hole Contact in Silicon Solar Cells Enabled by a TiO x/Metal Bilayer
Kim et al. Characterization of SiNx: H thin film as a hydrogen passivation layer for silicon solar cells with passivated contacts
WO2014027075A2 (de) Halbleiterbauelement mit einer passivierungsschicht aus hydriertem aluminiumnitrid sowie verfahren zur oberflächenpassivierung von halbleiterbauelementen
Lamers et al. The interface of a-SiNx: H and Si: Linking the nano-scale structure to passivation quality
Pehlivan et al. Structural and interfacial properties of large area na-Si: H/ia-Si: H/pc-Si heterojunction solar cells
Hanife Electronic respond of Au/n-Si Schottky barrier diodes with PVP interlayer doped by Nd2O3 particles
Witczak et al. The interaction of stoichiometry, mechanical stress, and interface trap density in LPCVD Si-rich SiNx; Si structures
Dasilva-Villanueva et al. High carrier lifetimes in UMG multicrystalline wafers after P-diffusion compatible with high-efficiency cell structures
Hubin et al. Characteristic lengths for steady-state transport in illuminated, intrinsic a-Si: H
Compaan et al. Fabrication and Physics of CdTe Devices by Sputtering:.
Dzhafarov et al. The effect of Ag photodiffusion on characteristics of Ag-CdS diode structures
Köhler Transparent passivating contact for crystalline silicon solar cells
DE112015004353T5 (de) Durch vereinfachten abscheidungsprozess hergestellte solarzelle
Verlaan Silicon nitride at high growth rate using hot wire chemical vapor deposition
Genç Font Side Solutions for c-Si Solar Cells with High-Temperature Passivating Contacts
Serenelli et al. Evaluation of Hydrogen plasma effect in a-Si: H/c-Si interface by means of Surface Photovoltage measurement and FTIR spectroscopy
Summanwar Investigation of surface passivation thin film materials for improved predictable quantum efficiency detectors
Hollemann Application of poly-Si on oxide junctions as one or both polarities of high-efficiency IBC solar cells
Quispe et al. Evaluating the Potential of Polycrystalline Al 0.25 Ga 0.75 P and Al 0.9 Ga 0.1 As as Hole Contacts in Silicon Heterojunction Solar Cells
Fall Characterization of Direct Light Soaking Effect on Transparent Passivating Contact Solar Cells
Onimisi Effect of annealing on the resistively of copper (I) oxide solar cells
Pashaev Study of the relaxation of the excess current in silicon Schottky diodes
Makhniy et al. Effect of heat treatment on the surface parameters of cadmium-telluride single-crystal substrates

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20150225

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: WAGNER, FLORIAN

Inventor name: KRUGEL, GEORG

Inventor name: WOLKE, WINFRIED

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20190301