EP3050118A1 - Method for producing a solar cell - Google Patents

Method for producing a solar cell

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EP3050118A1
EP3050118A1 EP14776652.1A EP14776652A EP3050118A1 EP 3050118 A1 EP3050118 A1 EP 3050118A1 EP 14776652 A EP14776652 A EP 14776652A EP 3050118 A1 EP3050118 A1 EP 3050118A1
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EP
European Patent Office
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dopant
layer
solar cell
diffusion barrier
diffusion
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14776652.1A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Tim Boescke
Daniel Kania
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Ion Beam Services SA
Original Assignee
Ion Beam Services SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Ion Beam Services SA filed Critical Ion Beam Services SA
Publication of EP3050118A1 publication Critical patent/EP3050118A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a solar cell made of crystalline semiconductor material, wherein in a first surface of a semiconductor substrate, a first doping region by thermal diffusion of a first dopant and in the second surface of the semiconductor substrate, a second doping region with a second
  • Crystalline silicon solar cells have also recently undergone significant new developments, such as the solar cells of the o. G. Type (especially the so-called n-PERT solar cells) count.
  • a prominent example is bifacial n-type solar cells with a boron-doped emitter on the front and a phosphor-doped back surface field (BSF) on the back of the cell.
  • BSF back surface field
  • the invention provides a method having the features of claim 1.
  • Advantageous developments of the inventive concept are the subject of the dependent claims.
  • the invention adopts a hybrid approach in which only the phosphorus-doped regions (or, more generally, second dopant regions) are prepared by ion implantation and in boron doping (or more generally doping with the first dopant) are based on established approaches such as gas phase diffusion or doping glasses becomes. in the
  • a covering layer which acts primarily as a diffusion barrier layer is formed on that surface in which the second doping regions have been formed, in order to prevent and at least severely impede diffusion of the first dopant there.
  • the efficient implementation entails a number of problems, the solution of which, based on the above-mentioned concept, ultimately leads to the implementation of the invention which is optimal from a world viewpoint.
  • the preferred process sequence of the present invention is characterized in that the thermal budget of boron diffusion (or diffusion of the first dopant) is used simultaneously to activate the implanted phosphor region (or more generally, the dopant deposit layer of the second dopant).
  • a key feature is that after phosphorus ion implantation and before boron diffusion, a multifunctional covering layer on the phosphorus phor Scheme is deposited.
  • the cover layer has at least the property of serving as an (in) diffusion barrier for the first dopant (eg boron) and thus preventing it from penetrating into the dopant end deposit layer of the second dopant (especially phosphorus).
  • the cover layer has further properties / functions:
  • It can act as a (diffusion) diffusion barrier for phosphorus (or more generally, the second dopant).
  • Antimony-containing group in particular phosphorus.
  • the dopant combination boron / phosphorus which has been mentioned in detail several times above, is of great practical importance with a view to younger, more effectively increasing solar cell developments.
  • the proposed method can be carried out as a method for producing a bilaterally contacted solar cell with front-side emitter or a solar cell with rear-side emitter or a MWT (metal wrap-through) solar cell or an IBC (Interdigitad Back Contact) solar cell.
  • the first impurity region may be formed as an emitter region in the front surface of an n-type silicon substrate and the second impurity region may be formed as a back surface field in the back surface of the n-type silicon substrate.
  • the doping profile of the second doping region relative to that of the first doping region is flatter and / or characterized by a higher surface concentration of the second dopant compared to the first dopant.
  • the method is configured such that the formation of the first doping region comprises coating the first and optionally second surfaces with a glass containing the first dopant or providing the first dopant in the gaseous state in a process atmosphere.
  • FIGURE shows a schematic cross-sectional representation in the solar cell according to the invention.
  • the single figure shows schematically in a cross-sectional representation a solar cell 1 with an n-type crystalline silicon substrate 3 and a pyramid-like structured first (front) surface 3a and second (rear) surface 3b.
  • a first doping region (emitter region) 5 is formed in the first surface 3a.
  • a flat back surface field 7 is formed by phosphor implantation and subsequent annealing / activation as a second doping region.
  • a dense silicon nitride layer or SiN-containing double layer 9a or 9b is deposited as antireflection layer in each case.
  • the backside silicon nitride film 9b is a film formed in the back surface 3b after phosphorus implantation but formed in the semiconductor substrate before a step of boron diffusion and left there after a thermal diffusion step.
  • the antireflection layer may be supplemented by an additional partial layer of an oxide (such as silicon oxide), which improves the passivation properties of the layer, but is not shown in the figure.
  • an oxide such as silicon oxide
  • the sequence of manufacture of this solar cell includes the below-mentioned process modules in this order, each process module consisting of one or more process steps.
  • Process module 1 Texturing of the wafer
  • the wafer can be planarized on the back side.
  • several methods are prior art and not relevant to the explanation of the invention.
  • Process module 2 Formation of the dopant deposit layer (Phosphor implantation) Phosphorus is implanted in the back of the cell (eg one dose
  • the sheet resistance of the phosphor layer after annealing (step 4) is 10-300 ohms / square, preferably 30-120 ohms / square. In an extended embodiment, the
  • Implantation selectively, so that the dose is higher below the metallization.
  • the implantation may be masked such that an undoped area of 50-1000 ⁇ m width is created between the wafer edge and phosphorus doping in order to ensure electrical isolation between the BSF and the emitter.
  • the wafer may optionally be cleaned to remove unwanted phosphor residue and contamination. This can be done in one embodiment by a wet chemical process with one or more steps in water, dilute HF, HN0 3 or H 2 0 2 / HCI. In another embodiment, the purification can be carried out by a plasma process with a hydrogen, oxygen and / or fluorine-containing atmosphere.
  • Process module 3 Generation of the diffusion barrier layer
  • the cover layer (diffusion barrier layer) on the second substrate surface prevents boron from diffusing into it and is impermeable to oxygen. Furthermore, it is intended to ensure a good passivation, as well as to act as an antireflection coating in the use of the bifacial solar cell.
  • the thickness of the Layer is between 1 nm and 250 nm, preferably 30-80 nm.
  • the cap layer is deposited by a PECVD process with a process chemistry of one or more gases of the group SiH 4 , N 2 , NH 3 , H 2 , Ar.
  • the cover layer with other methods, such. As LPCVD, APCVD or PVD are applied.
  • a layer stack in which a Si0 2 , Al 2 O 3 , TiO or SiON layer is introduced between silicon and SiN, which layer can improve the electrical passivating shafts. (0.5-50 nm, preferably 5 nm)
  • a layer of amorphous or polycrystalline silicon can additionally be introduced into the layer stack. (0.5-30 nm, preferably 20 nm).
  • Process module 4 boron diffusion and at the same time phosphor activation
  • the boron diffusion is carried out by a furnace process in which the wafer is first covered with boron glass in a boron-containing atmosphere.
  • Common procursors are BBr 3 and BCI 3 , further process gases N 2 and 0 2 .
  • a drive-in step takes place in situ in an inert or oxygen-containing atmosphere.
  • document and Eintreib Kunststoffe are at least partially in
  • Another possibility is the deposition of a boron glass on the front of the cell (eg by APCVD or PECVD) and subsequent driving in a separate process step.
  • the Bordiffusions Council is mainly characterized by the sheet resistance, which is in particular between 30 and 200 ohms / sq, preferably at 45-100 ohms / sq.
  • the boron diffusion simultaneously causes the annealing and activation of the phosphorus-doped region.
  • the phosphorus also diffuses deeper into the substrate, but through the process with the multifunctional layer slower than the boron.
  • the depths of the diffusion regions are between 30 nm and 2500 nm, preferably 400-1000 nm, the depth of the boron preferably being greater than that of the phosphor.
  • Process module 5 front side passivation
  • Embodiment is not relevant to the invention.
  • the boron glass possibly formed in the process module 4 may have to be removed from the front side, which according to the state of the art can be done with a dilute HF solution.
  • Process Module 6 Optional Additional Backside Passivation If the diffusion barrier layer formed in process module 3 does not simultaneously act as electrical passivation of the cell backside, it must be removed and replaced with an additional passivation layer. Removal of the topcoat may be accomplished by an extended RF step along with the boron glass removal in step 5.
  • an SiO / SiN or SiN layer can be used.
  • Process module 7 metallization
  • the metallization can be done by industry standard methods and is not relevant to the invention.
  • the front side metallization is usually done with a silver grid.
  • the backside metallization is also carried out with a silver grid or a full-surface aluminum metallization with local contacts, which z. B. by laser ablation and PVD is produced.

Abstract

The invention relates to a method for producing a solar cell (1) from crystalline semiconductor material. In a first surface (3a) of a semiconductor substrate (3), a first doping area (5) is formed by thermally diffusing a first dopant and in the second surface (3b) of the semiconductor substrate, a second doping area (7) is formed by implanting ions and thermally implanting a second dopant.

Description

Beschreibung Titel  Description title
Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle Process for producing a solar cell
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle aus kristallinem Halbleitermaterial, wobei in einer ersten Oberfläche eines Halbleitersubstrats ein erster Dotierungsbereich durch thermisches Eindiffundieren eines ersten Dotanden und in der zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats ein zweiter Dotierungsbereich mit einem zweiten The invention relates to a method for producing a solar cell made of crystalline semiconductor material, wherein in a first surface of a semiconductor substrate, a first doping region by thermal diffusion of a first dopant and in the second surface of the semiconductor substrate, a second doping region with a second
Dotanden gebildet wird. Stand der Technik Dotand is formed. State of the art
Solarzellen auf der Basis von mono- oder polykristallinem Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, erbringen trotz der Entwicklung und Markteinführung neuartiger Solarzellentypen, wie Dünnschicht- und organischen Solarzellen, den weitaus größten Teil der durch photovoltaische Energieumwandlung gewonnenen elektrischen Energie. Auch bei den kristallinen Silizium-Solarzellen gab es in jüngerer Zeit wesentliche neue Entwicklungen, zu denen die Solarzellen des o. g. Typs (speziell die sog. n-PERT- Solarzellen) zählen. Solar cells based on mono- or polycrystalline semiconductor material, in particular silicon, despite the development and market introduction of novel types of solar cells, such as thin-film and organic solar cells, provide by far the largest part of the electrical energy obtained by photovoltaic energy conversion. Crystalline silicon solar cells have also recently undergone significant new developments, such as the solar cells of the o. G. Type (especially the so-called n-PERT solar cells) count.
Zur Erhöhung der Effizienz von industriellen Solarzellen wird momentan vermehrt die Entwicklung von Solarzellen mit phosphor- und bor-dotierten Bereichen vorangetrieben. Ein prominentes Beispiel sind bifaciale n-Typ Solarzellen, bei denen sich ein bor-dotierter Emitter auf der Vorderseite und ein phosphor-dotiertes Back Surface Field (BSF) auf der Rückseite der Zelle befindet. To increase the efficiency of industrial solar cells, the development of solar cells with phosphorus- and boron-doped regions is currently being pushed ahead. A prominent example is bifacial n-type solar cells with a boron-doped emitter on the front and a phosphor-doped back surface field (BSF) on the back of the cell.
Insbesondere wenn die dotierten Bereiche mit einer Siebdruck-Metallisierung kontaktiert werden, ist es wünschenswert, für beide Dotanden Dotier- profile einzustellen, die unterschiedlichem Kontaktierverhalten der marktüblichen Metallisierungspasten Rechnung tragen. Wenn mit herkömmlichen Diffusionsprozessen gearbeitet wird, sind demnach mindestens zwei Hochtemperaturschritte sowie zusätzliche Schritte zur Maskierung der Diffusio- nen notwendig. In particular, when the doped regions are contacted with a screen-printed metallization, it is desirable to use doping for both dopants. to adjust profiles that account for different contacting behavior of commercially available metallization pastes. When working with conventional diffusion processes, at least two high-temperature steps and additional steps for masking the diffusions are therefore necessary.
Diese unterschiedlichen Anforderungen stellen große Herausforderungen an die Prozessführung dar, da die Diffusionskonstanten von Phosphor und Bor nahezu gleich sind. Bei einer beispielhaften Ausführung mit zwei Diffu- sionsprozessen beeinflussen sich die Prozesse gegenseitig, da sie sequentiell durchgeführt werden müssen. These different requirements pose great challenges to process management, as the diffusion constants of phosphorus and boron are nearly equal. In an exemplary embodiment with two diffusion processes, the processes influence each other since they must be performed sequentially.
Wenn die Phosphordiffusion vor der Bordiffusion durchgeführt wird, vergrößert das thermische Budget der Bordiffusion die Tiefe der Phosphordiffusion. In diesem Fall ist die Phosphordiffusion tiefer als die Bordiffusion - genau das Gegenteil des Designziels. Wenn die Phosphordiffusion nach der Bordiffusion durchgeführt wird, lässt sich zwar die gewünschte Profilkonfiguration einstellen. Allerdings besteht jetzt die Herausforderung, den Boremitter vor der Eindiffusion von Phosphor zu schützen. Dies ist insbesondere auf texturierten Solarzellenvorderseiten industriell kaum mit guter Ausbeute zu realisieren. Ein weiterer Nachteil der Ausführung mit zwei Diffusionsprozessen besteht in einer hohen Prozesskomplexität, da mehrere Hochtemperaturschritte und Abdeckschichten notwendig sind. Einige Ansätze mit reduzierter Prozesskomplexität versuchen die Diffusion von Bor und Phosphor gleichzeitig in einem Hochtemperaturschritt durchzuführen, als eine sog. Codiffusion. Diese kann zum Beispiel durch Diffusion aus Dotiergläsern oder durch Ionenimplantation von beiden Spezies mit nachfolgendem Eintreibschritt erfolgen. Offensichtlich sind auch mit diesem Ansatz beide Diffusionsprofile gleich tief. When phosphorus diffusion is performed before boron diffusion, the thermal budget of boron diffusion increases the depth of phosphorous diffusion. In this case, the phosphorus diffusion is deeper than the boron diffusion - just the opposite of the design goal. If the phosphorus diffusion is carried out after boron diffusion, the desired profile configuration can be set. However, the challenge now is to protect the boron emitter from phosphorus diffusion. This can hardly be achieved industrially on textured solar cell fronts with good yield. Another disadvantage of the embodiment with two diffusion processes is a high process complexity, since several high-temperature steps and covering layers are necessary. Some approaches with reduced process complexity try to carry out the diffusion of boron and phosphorus simultaneously in a high-temperature step than a so-called codiffusion. This can be done for example by diffusion from doping glasses or by ion implantation of both species with subsequent driving step. Obviously, both diffusion profiles are equally deep with this approach.
Offenbarung der Erfindung Mit der Erfindung wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die Erfindung verfolgt einen hybriden Ansatz, bei dem nur die phosphordotierten Gebiete (oder allgemeiner: zweiten Dotierungsbereiche) durch Ionenimplantation hergestellt werden und bei der Bordotierung (oder allgemeiner: Dotierung mit dem ersten Dotanden) auf etablierte Ansätze wie Diffusion aus der Gasphase oder aus Dotiergläsern gesetzt wird. Im Disclosure of the invention The invention provides a method having the features of claim 1. Advantageous developments of the inventive concept are the subject of the dependent claims. The invention adopts a hybrid approach in which only the phosphorus-doped regions (or, more generally, second dopant regions) are prepared by ion implantation and in boron doping (or more generally doping with the first dopant) are based on established approaches such as gas phase diffusion or doping glasses becomes. in the
Rahmen dieses Konzepts wird eine primär als Diffusionsbarriereschicht wirkende Abdeckschicht auf derjenigen Oberfläche gebildet, in der die zweiten Dotierungsbereiche gebildet wurden, um dort eine Eindiffusion des ersten Dotanden zu unterbinden und zumindest stark zu behindern. Die effiziente Umsetzung birgt allerdings eine Reihe von Problemen, deren Lösung auf der Grundlage des genannten Konzeptes letztlich zur aus diesseitiger Sicht optimalen Ausführung der Erfindung führt. Zum einen besteht das weiter oben bereits erwähnte Anliegen, für beide Dotanden As part of this concept, a covering layer which acts primarily as a diffusion barrier layer is formed on that surface in which the second doping regions have been formed, in order to prevent and at least severely impede diffusion of the first dopant there. However, the efficient implementation entails a number of problems, the solution of which, based on the above-mentioned concept, ultimately leads to the implementation of the invention which is optimal from a world viewpoint. On the one hand there is the concern already mentioned above, for both dopants
unterschiedliche Dotierprofile einzustellen. Des Weiteren besteht das Problem, dass die Diffusion des ersten Dotanden aus der Gasphase oder aus Dotiergläsern auf beiden Seiten des Halbleitersubstrats ein dotiertes Gebiet erzeugt, weshalb bei Solarzellenaufbauten, die nur auf einer der Oberflächen einen Dotierungsbereich mit dem ersten Dotanden haben dürfen, zusätzliche Schritte zur Vermeidung oder Beseitigung der uner- wünschten Dotiergebiete erforderlich werden. set different doping profiles. Furthermore, there is the problem that the diffusion of the first dopant from the gas phase or from doping glasses on both sides of the semiconductor substrate generates a doped region, and therefore solar cell structures which may only have a doping region with the first dopant on one of the surfaces Avoidance or elimination of the undesired doping regions become necessary.
Die bevorzugte Prozesssequenz der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das thermische Budget der Bordiffusion (bzw. Eindiffusion des ersten Dotanden) gleichzeitig zur Aktivierung des implantierten Phosphorbereiches (oder allgemeiner: der Dotandendepotschicht des zweiten Dotanden) genutzt wird. The preferred process sequence of the present invention is characterized in that the thermal budget of boron diffusion (or diffusion of the first dopant) is used simultaneously to activate the implanted phosphor region (or more generally, the dopant deposit layer of the second dopant).
Ein entscheidendes Merkmal ist dabei, dass nach Phosphor-Ionenimplantation und vor Bordiffusion eine multifunktionale Deckschicht auf den Phos- phorbereich abgeschieden wird. Die Deckschicht weist dabei mindestens die Eigenschaft auf, als (Ein-) Diffusionsbarriere für den ersten Dotanden (z. B. Bor) zu dienen und damit zu verhindern, dass dieser in die Dotan- dendepotschicht des zweiten Dotanden (speziell Phosphor) eindringt. A key feature is that after phosphorus ion implantation and before boron diffusion, a multifunctional covering layer on the phosphorus phorbereich is deposited. In this case, the cover layer has at least the property of serving as an (in) diffusion barrier for the first dopant (eg boron) and thus preventing it from penetrating into the dopant end deposit layer of the second dopant (especially phosphorus).
In bevorzugten Ausführungen hat die Deckschicht noch weitere Eigenschaften/Funktionen: In preferred embodiments, the cover layer has further properties / functions:
1. Sie wirkt als Diffusionsbarriere für Sauerstoff.  1. It acts as a diffusion barrier for oxygen.
2. Sie kann als (Aus-) Diffusionsbarriere für Phosphor (bzw. allgemeiner den zweiten Dotanden) wirken.  2. It can act as a (diffusion) diffusion barrier for phosphorus (or more generally, the second dopant).
3. Sie wirkt als elektrische Passivierschicht auf der zweiten Oberfläche, speziell also dem phosphordotierten Gebiet.  3. It acts as an electrical passivation layer on the second surface, especially the phosphorus doped region.
4. Sie wirkt als Antireflexschicht auf der Rückseite der Solarzelle, speziell einer bifazialen Solarzelle.  4. It acts as an antireflection coating on the back of the solar cell, especially a bifacial solar cell.
In aus heutiger Sicht zweckmäßigen Ausgestaltungen des Verfahrens werden als Halbleitermaterial Silizium und als erster Dotand ein Element aus der Bor, Indium, Gallium, Aluminium umfassenden Gruppe, insbesondere Bor, und als zweiter Dotand ein Element aus der Phosphor, Arsen, In today's practical expedient embodiments of the method are as semiconductor material silicon and as a first dopant element of the boron, indium, gallium, aluminum comprehensive group, in particular boron, and as a second dopant element of the phosphorus, arsenic,
Antimon umfassenden Gruppe, insbesondere Phosphor, eingesetzt. Antimony-containing group, in particular phosphorus.
Speziell die Dotandenkombination Bor/Phosphor, die vorstehend mehrfach konkret angesprochen wurde, ist mit Blick auf jüngere, effektivitäts-stei- gernde Solarzellenentwicklungen von großer praktischer Bedeutung. Das vorgeschlagene Verfahren ist ausführbar als Verfahren zur Herstellung einer beidseitig kontaktierten Solarzelle mit Vorderseitenemitter oder einer Solarzelle mit Rückseitenemitter oder einer MWT(Metal-Wrap- Through)-Solarzelle oder einer IBC (Interdigitad-Back-Contact)-Solarzelle. Speziell kann der erste Dotierungsbereich als Emitterbereich in der vorder- seitigen Oberfläche eines n-Siliziumsubstrats und der zweite Dotierungsbereich als Back Surface Field in der rückseitigen Oberfläche des n- Siliziumsubstrats gebildet werden. In einer weiteren Ausführung ist das Dotierungsprofil des zweiten Dotierungsbereichs relativ zu dem des ersten Dotierungsbereichs flacher und/ oder durch eine höhere Oberflächenkonzentration des zweiten Dotanden gegenüber dem ersten Dotanden charakterisiert. Spezieller ist das Ver- fahren so ausgestaltet, dass die Bildung des ersten Dotierungsbereiches ein Belegen der ersten und optional zweiten Oberfläche mit einem den ersten Dotanden enthaltenden Glas oder eine Bereitstellung des ersten Dotanden im gasförmigen Zustand in einer Prozessatmosphäre umfasst. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in einer gegenüber dem Stand der Technik deutlich kostenoptimierten Prozesssequenz mit nur einem Hochtemperaturschritt. Dies wird durch den Einsatz einer Diffusionsbarriereschicht erreicht, welche die gleichzeitige Nutzung eines thermischen Eindiffusionsschrittes für den ersten Dotanden zur Aktivierung des vorab mittels Ionenimplantation eingebrachten zweiten Dotanden ohne nachteilige Auswirkungen auf die gewünschte Dotierprofile ermöglicht und in zweckmäßigen Ausgestaltungen noch weitere Vorteile bietet, z. B. den die Prozessgeschwindigkeit steigernden und somit die Prozesskosten verringernden Einsatz einer sauerstoffhaltigen Prozessatmosphäre ermögli- cht. Specifically, the dopant combination boron / phosphorus, which has been mentioned in detail several times above, is of great practical importance with a view to younger, more effectively increasing solar cell developments. The proposed method can be carried out as a method for producing a bilaterally contacted solar cell with front-side emitter or a solar cell with rear-side emitter or a MWT (metal wrap-through) solar cell or an IBC (Interdigitad Back Contact) solar cell. Specifically, the first impurity region may be formed as an emitter region in the front surface of an n-type silicon substrate and the second impurity region may be formed as a back surface field in the back surface of the n-type silicon substrate. In a further embodiment, the doping profile of the second doping region relative to that of the first doping region is flatter and / or characterized by a higher surface concentration of the second dopant compared to the first dopant. More specifically, the method is configured such that the formation of the first doping region comprises coating the first and optionally second surfaces with a glass containing the first dopant or providing the first dopant in the gaseous state in a process atmosphere. An essential advantage of the invention lies in a process cost that is significantly cost-optimized compared to the prior art, with only one high-temperature step. This is achieved by the use of a diffusion barrier layer, which allows the simultaneous use of a thermal Eindiffusionsschrittes for the first dopant to activate the previously introduced by ion implantation second dopant without adverse effects on the desired doping profiles and in useful embodiments provides even more advantages, eg. B. the process speed-increasing and thus the process costs reducing use of an oxygen-containing process atmosphere allows.
Zeichnung drawing
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte, schematische Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung in erfindungsgemäßer Solarzelle. The invention will be explained below with reference to an embodiment with reference to the accompanying schematic drawing. The single FIGURE shows a schematic cross-sectional representation in the solar cell according to the invention.
Ausführungsformen der Erfindung Die einzige Figur zeigt schematisch in einer Querschnittsdarstellung eine Solarzelle 1 mit einem kristallinen Siliziumsubstrat 3 vom n-Typ und einer jeweils pyramidenartig strukturierten ersten (vorderseitigen) Oberfläche 3a und zweiten (rückseitigen) Oberfläche 3b. In der ersten Oberfläche 3a ist durch Bordiffusion ein erster Dotierungsbereich (Emitterbereich) 5 gebil- det, und in der zweiten Oberfläche ist durch Phosphor-Implantation und anschließender Ausheilung/Aktivierung als zweiter Dotierungsbereich ein flaches Back Surface Field 7 gebildet. Auf der ersten und zweiten Oberfläche 3a, 3b ist jeweils als Antireflex- schicht eine dichte Siliziumnitridschicht oder SiN-haltige Doppelschicht 9a bzw. 9b abgeschieden. Hiervon ist die rückseitige Siliziumnitridschicht 9b eine nach einer Phosphorimplantation in die rückseitige Oberfläche 3b, aber vor einem Schritt der Bordiffusion in das Halbleitersubstrat gebildete und nach einem thermischen Diffusionsschritt dort belassene Schicht. Die Antireflexschicht kann um eine zusätzliche Teilschicht aus einem Oxid (etwa Siliziumoxid) ergänzt sein, die die Passivierungseigenschaften der Schicht verbessert, in der Figur aber nicht gezeigt ist. Auf der Solarzellen- Vorderseite (ersten Oberfläche) 3a ist eine Vorderseiten-Metallisierung IIa und auf der Solarzellen- Rückseite (zweiten Oberfläche) 3b eine Rückseiten-Metallisierung IIb angebracht. EMBODIMENTS OF THE INVENTION The single figure shows schematically in a cross-sectional representation a solar cell 1 with an n-type crystalline silicon substrate 3 and a pyramid-like structured first (front) surface 3a and second (rear) surface 3b. By boron diffusion, a first doping region (emitter region) 5 is formed in the first surface 3a. det, and in the second surface, a flat back surface field 7 is formed by phosphor implantation and subsequent annealing / activation as a second doping region. On the first and second surfaces 3a, 3b, a dense silicon nitride layer or SiN-containing double layer 9a or 9b is deposited as antireflection layer in each case. Of these, the backside silicon nitride film 9b is a film formed in the back surface 3b after phosphorus implantation but formed in the semiconductor substrate before a step of boron diffusion and left there after a thermal diffusion step. The antireflection layer may be supplemented by an additional partial layer of an oxide (such as silicon oxide), which improves the passivation properties of the layer, but is not shown in the figure. On the solar cell front side (first surface) 3a, a front side metallization IIa and a rear side metallization IIb on the solar cell back side (second surface) 3b are mounted.
Nachfolgend wird beispielhaft eine Abfolge für die Herstellung einer beidseitig kontaktierten n-Typ Zelle mit Vorderseitenemitter beschrieben. Für den Fachmann ist eine Abwandlung zur Herstellung von abweichenden Solarzellentypen offensichtlich. Die Sequenz der Herstellung dieser Solarzelle umfasst die unten genannten Prozessmodule in dieser Reihenfolge, wobei jedes Prozessmodul aus einem oder mehreren Prozessschritten besteht. The following is an example of a sequence for the preparation of a contact on both sides contacted n-type cell with front emitter. For the skilled person, a modification for the production of dissimilar solar cell types will be apparent. The sequence of manufacture of this solar cell includes the below-mentioned process modules in this order, each process module consisting of one or more process steps.
Prozessmodul 1: Texturierung des Wafers Process module 1: Texturing of the wafer
In diesem Prozessschritt kann eine industrieübliche Texturierung mit anschließender Reinigung erfolgen. Optional kann der Wafer rückseitig planarisiert sein. Hierzu sind mehrere Verfahren Stand der Technik und für die Erläuterung der Erfindung nicht relevant. In this process step, an industrial standard texturing with subsequent cleaning can take place. Optionally, the wafer can be planarized on the back side. For this purpose, several methods are prior art and not relevant to the explanation of the invention.
Prozessmodul 2: Bildung der Dotandendepotschicht (Phosphor- Implantation) Hier wird in die Zellrückseite Phosphor implantiert (z. B. eine Dosis Process module 2: Formation of the dopant deposit layer (Phosphor implantation) Phosphorus is implanted in the back of the cell (eg one dose
2  2
zwischen 0.5 und 7el5 1/cm mit einer Energie von 1-40 keV, bevorzugt between 0.5 and 7l5 1 / cm with an energy of 1-40 keV, preferred
2  2
1.5-4el5 1/cm , 10 keV). Der Schichtwiderstand der Phosphorschicht beträgt nach dem Ausheilen (Schritt 4) 10-300 Ohm/square, bevorzugt 30-120 Ohm/square. In einer erweiterten Ausführungsform kann die 1.5-4el5 1 / cm, 10 keV). The sheet resistance of the phosphor layer after annealing (step 4) is 10-300 ohms / square, preferably 30-120 ohms / square. In an extended embodiment, the
Implantation selektiv erfolgen, so dass die Dosis unter dem Metallisierungsbereich höher ist. Zusätzlich kann die Implantation so maskiert sein, dass zwischen Waferrand und Phosphordotierung ein undotiertes Gebiet von 50-1000 μηη Breite entsteht, um eine elektrische Isolation zwischen BSF und Emitter zu gewährleisten. Implantation selectively, so that the dose is higher below the metallization. In addition, the implantation may be masked such that an undoped area of 50-1000 μm width is created between the wafer edge and phosphorus doping in order to ensure electrical isolation between the BSF and the emitter.
Nach dem Phosphor-Implant erfolgt optional eine Reinigung des Wafers, um unerwünschte Phosphorreste und Kontamination zu entfernen. Dieses kann in einer Ausführungsform durch einen nasschemischen Prozess mit einem oder mehreren Schritten in Wasser, verdünnter HF, HN03 oder H202/HCI erfolgen. In einer anderen Ausführungsform kann die Reinigung durch einen Plasmaprozess mit Wasserstoff-, Sauerstoff- und/oder fluor- haltiger Atmosphäre erfolgen. After the phosphor implant, the wafer may optionally be cleaned to remove unwanted phosphor residue and contamination. This can be done in one embodiment by a wet chemical process with one or more steps in water, dilute HF, HN0 3 or H 2 0 2 / HCI. In another embodiment, the purification can be carried out by a plasma process with a hydrogen, oxygen and / or fluorine-containing atmosphere.
Nach diesem Prozessschritt befindet sich der Phosphor in elektrische inaktiver Form im Bulk des Wafers, nicht auf der Waferoberfläche. Prozessmodul 3: Erzeugung der Diffusionsbarriereschicht After this process step, the phosphor is in electrical inactive form in the bulk of the wafer, not on the wafer surface. Process module 3: Generation of the diffusion barrier layer
Die Deckschicht (Diffusionsbarriereschicht) auf der zweiten Substratoberfläche verhindert die Eindiffusion von Bor in diese und ist sauerstoffundurchlässig. Des Weiteren soll sie eine gute Passivierung gewährleisten, sowie im Gebrauch der bifazialen Solarzelle als Antireflexschicht wirken. The cover layer (diffusion barrier layer) on the second substrate surface prevents boron from diffusing into it and is impermeable to oxygen. Furthermore, it is intended to ensure a good passivation, as well as to act as an antireflection coating in the use of the bifacial solar cell.
In der einfachsten Ausführung wird als Deckschicht eine reine SiN Schicht (Brechungsindex n = l,8-2,2, bevorzugt 1,9-2) eingesetzt. Die Dicke der Schicht beträgt zwischen 1 nm und 250 nm, bevorzugt 30-80 nm. In the simplest embodiment, a pure SiN layer (refractive index n = 1, 8-2.2, preferably 1.9-2) is used as cover layer. The thickness of the Layer is between 1 nm and 250 nm, preferably 30-80 nm.
Üblicherweise wird die Capschicht durch einen PECVD-Prozess mit einer Prozesschemie aus einem oder mehreren Gasen der Gruppe SiH4, N2, NH3, H2, Ar abgeschieden. Alternativ kann die Deckschicht mit anderen Verfahren, wie z. B. LPCVD, APCVD oder PVD aufgebracht werden. Usually, the cap layer is deposited by a PECVD process with a process chemistry of one or more gases of the group SiH 4 , N 2 , NH 3 , H 2 , Ar. Alternatively, the cover layer with other methods, such. As LPCVD, APCVD or PVD are applied.
Zur Optimierung aller Anforderungen kann auch ein Schichtstapel eingesetzt werden, in dem zwischen Silizium und SiN eine Si02, Al203, TiO oder SiON-Schicht eingeführt wird, welche die elektrischen Passiviereigen- Schäften verbessern kann. (0,5-50 nm, bevorzugt 5 nm) In order to optimize all requirements, it is also possible to use a layer stack in which a Si0 2 , Al 2 O 3 , TiO or SiON layer is introduced between silicon and SiN, which layer can improve the electrical passivating shafts. (0.5-50 nm, preferably 5 nm)
Zur Verbesserung der Barriereneigenschaften kann in den Schichtstapel zusätzlich eine Schicht aus amorphem bzw. polykristallinem Silizium eingebracht werden. (0,5-30 nm, bevorzugt 20 nm). To improve the barrier properties, a layer of amorphous or polycrystalline silicon can additionally be introduced into the layer stack. (0.5-30 nm, preferably 20 nm).
Prozessmodul 4: Bordiffusion und zugleich Phosphor-Aktivierung Process module 4: boron diffusion and at the same time phosphor activation
Die Bordiffusion wird durch einen Ofenprozess durchgeführt in dem der Wafer zunächst in einer borhaltigen Atmosphäre mit Borglas belegt wird. Übliche Procursoren sind hierbei BBr3 und BCI3, weitere Prozessgase N2 und 02. Nach dem Belegeschritt erfolgt in-situ ein Eintreibeschritt in inerter oder sauerstoffhaltiger Atmosphäre. In der bevorzugten Variante werden Beleg- und Eintreibschritte zumindest teilweise in The boron diffusion is carried out by a furnace process in which the wafer is first covered with boron glass in a boron-containing atmosphere. Common procursors are BBr 3 and BCI 3 , further process gases N 2 and 0 2 . After the slip step, a drive-in step takes place in situ in an inert or oxygen-containing atmosphere. In the preferred variant, document and Eintreibschritte are at least partially in
sauerstoffhaltiger Atmosphäre durchgeführt, um eine beschleunigte oxygenated atmosphere carried to an accelerated
Bordiffusion zu erreichen. To achieve boron diffusion.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Abscheidung eines Borglases auf die Vorderseite der Zelle (z. B. durch APCVD oder PECVD) und anschließendem Eintreiben in einem getrennten Prozessschritt. Another possibility is the deposition of a boron glass on the front of the cell (eg by APCVD or PECVD) and subsequent driving in a separate process step.
Der Bordiffusionsbereich ist vor allem durch den Schichtwiderstand charakterisiert, welcher insbesondere zwischen 30 und 200 Ohm/Sq, bevorzugt bei 45-100 Ohm/Sq liegt. Wie vorgehend dargestellt, bewirkt die Bordiffusion gleichzeitig das Ausheilen und Aktvieren des phosphordotierten Bereichs. Dabei diffundiert auch der Phosphor tiefer in das Substrat hinein, durch die Prozessführung mit der multifunktionalen Schicht jedoch langsamer als das Bor. The Bordiffusionsbereich is mainly characterized by the sheet resistance, which is in particular between 30 and 200 ohms / sq, preferably at 45-100 ohms / sq. As shown above, the boron diffusion simultaneously causes the annealing and activation of the phosphorus-doped region. The phosphorus also diffuses deeper into the substrate, but through the process with the multifunctional layer slower than the boron.
Die Tiefen der Diffusionsbereiche betragen zwischen 30 nm und 2500 nm, bevorzugt 400-1000 nm, wobei die Tiefe des Bors bevorzugterweise größer als die des Phosphors ist. The depths of the diffusion regions are between 30 nm and 2500 nm, preferably 400-1000 nm, the depth of the boron preferably being greater than that of the phosphor.
Prozessmodul 5: Vorderseitenpassivierung Process module 5: front side passivation
Im Stand der Technik sind unterschiedliche Ausführungen zur In the prior art are different designs for
Passivierung von Boremittern bekannt. Hierbei ist vor allem die Passivation of boron emitters known. Here is especially the
Passivierung mit einem Schichtstapel aus Si02/SiN oder AI203/SiN relevant. Diese Schichtstapel können durch eine Kombination von PECVD und thermischen Oxidationsprozessen erzeugt werden. Die genaue Passivation with a layer stack of Si0 2 / SiN or Al 2 0 3 / SiN relevant. These layer stacks can be generated by a combination of PECVD and thermal oxidation processes. The exact
Ausführung ist für die Erfindung nicht relevant. Vor der Passivierung muss das im Prozessmodul 4 ggfs. gebildete Borglas unter Umständen von der Vorderseite entfernt werden, was dem Stand der Technik gemäß mit einer verdünnten HF Lösung erfolgen kann. Embodiment is not relevant to the invention. Before the passivation, the boron glass possibly formed in the process module 4 may have to be removed from the front side, which according to the state of the art can be done with a dilute HF solution.
Prozessmodul 6: Optionale zusätzliche Rückseitenpassivierung Wenn die im Prozessmodul 3 gebildete Diffusionsbarriereschicht nicht gleichzeitig als elektrische Passivierung der Zellrückseite wirkt, muss sie entfernt und durch eine zusätzliche Passivierschicht ersetzt werden. Das Entfernen der Deckschicht kann durch einen verlängerten HF-Schritt zusammen mit der Borglasentfernung in Schritt 5 erfolgen. Process Module 6: Optional Additional Backside Passivation If the diffusion barrier layer formed in process module 3 does not simultaneously act as electrical passivation of the cell backside, it must be removed and replaced with an additional passivation layer. Removal of the topcoat may be accomplished by an extended RF step along with the boron glass removal in step 5.
Als Passivierung kann gemäß dem Stand der Technik eine SiO/SiN- oder SiN-Schicht zum Einsatz kommen. As passivation, according to the prior art, an SiO / SiN or SiN layer can be used.
Prozessmodul 7: Metallisierung Die Metallisierung kann mit industrieüblichen Verfahren erfolgen und ist nicht erfindungsrelevant. Die Vorderseitenmetallisierung erfolgt üblicherweise mit einem Silber-Grid. Die Rückseitenmetallisierung erfolgt ebenfalls mit einem Silbergrid oder einer vollflächigen Aluminium- Metallisierung mit lokalen Kontakten, welche z. B. per Laserablation und PVD hergestellt wird. Process module 7: metallization The metallization can be done by industry standard methods and is not relevant to the invention. The front side metallization is usually done with a silver grid. The backside metallization is also carried out with a silver grid or a full-surface aluminum metallization with local contacts, which z. B. by laser ablation and PVD is produced.
In einer möglichen Abwandlung dieser Prozesssequenz für eine Rücksei- tenemitterzelle (Bor auf RS, Phosphor auf VS) kann auch die Reihenfolge der Dotierung umgeändert werden. In diesem Fall wird statt Phosphor Bor implantiert und statt der Bordiffusion eine Phosphordiffusion ausgeführt. In a possible modification of this process sequence for a backside emitter cell (boron on RS, phosphorous on VS), the order of doping can also be changed. In this case, boron is implanted instead of phosphorus, and instead of boron diffusion, phosphorus diffusion is carried out.
Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltun- gen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung. In the context of expert action, further refinements and embodiments of the method and apparatus described here by way of example only result.

Claims
Ansprüche Expectations
Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle (1) aus kristallinem Halb- leitermaterial, wobei in einer ersten Oberfläche (3a) eines Halbleitersubstrats (3) ein erster Dotierungsbereich (5) durch thermisches Eindiffundieren eines ersten Dotanden und in der zweiten Oberfläche (3b) des Halbleitersubstrats ein zweiter Dotierungsbereich (7) durch Ionenimplantation und thermisches Eintreiben eines zweiten Dotanden gebildet wird, Method for producing a solar cell (1) from crystalline semiconductor material, wherein a first doping region (5) is formed in a first surface (3a) of a semiconductor substrate (3) by thermally diffusing a first dopant and in the second surface (3b) of the semiconductor substrate second doping region (7) is formed by ion implantation and thermal injection of a second dopant,
wobei durch die Ionenimplantation des zweiten Dotanden eine Dotandendepotschicht an und nahe der zweiten Oberfläche gebildet und auf der zweiten Oberfläche eine Diffusionsbarriereschicht (9b) zur Behinderung einer Ausdiffusion des zweiten Dotanden aus der zweiten Oberfläche erzeugt wird und danach mindestens ein thermischer Prozessschritt zur Bildung des ersten und zweiten Dotierungsbereichs ausgeführt wird. wherein a dopant depot layer is formed on and near the second surface by the ion implantation of the second dopant and a diffusion barrier layer (9b) is generated on the second surface to prevent out-diffusion of the second dopant from the second surface and then at least one thermal process step to form the first and second doping region is carried out.
Verfahren nach Anspruch 1, Method according to claim 1,
wobei als Halbleitermaterial Silizium und als erster Dotand ein Element aus der Bor, Indium, Gallium, Aluminium umfassenden Gruppe, insbesondere Bor, und als zweiter Dotand ein Element aus der Phosphor, Arsen, Antimon umfassenden Gruppe, insbesondere Phosphor, eingesetzt werden. wherein silicon is used as the semiconductor material and an element from the group comprising boron, indium, gallium, aluminum, in particular boron, as the first dopant, and an element from the group comprising phosphorus, arsenic, antimony, in particular phosphorus, is used as the second dopant.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, Method according to claim 1 or 2,
wobei der erste Dotierungsbereich (5) als Emitterbereich in der vorderseitigen Oberfläche (3a) eines n-Siliziumsubstrats (3) und der zweite Dotierungsbereich als Back Surface Field (7) in der rückseitigen Oberfläche (3b) des n-Siliziumsubstrats gebildet werden. wherein the first doping region (5) is formed as an emitter region in the front surface (3a) of an n-type silicon substrate (3) and the second doping region is formed as a back surface field (7) in the rear surface (3b) of the n-type silicon substrate.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, Method according to one of the preceding claims,
wobei das Dotierungsprofil des zweiten Dotierungsbereichs where the doping profile of the second doping region
(7) relativ zu dem des ersten Dotierungsbereichs (5) flacher und/oder durch eine höhere Oberflächenkonzentration des zweiten Dotanden gegenüber dem ersten Dotanden charakterisiert ist. (7) is flatter relative to that of the first doping region (5) and/or is characterized by a higher surface concentration of the second dopant compared to the first dopant.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, Method according to one of the preceding claims,
wobei zur Bildung des ersten und zweiten Dotierungsbereichs (5;7) nur ein thermischer Prozessschritt ausgeführt wird, bei dem das thermische Budget, das zur Eindiffusion des ersten Dotanden genutzt wird, zugleich die Aktivierung des zweiten Dotanden aus der vorab gebildeten Dotandendepotschicht bewirkt, wozu die Eindiffusion des ersten Dotanden nach der Bildung der Diffusionsbarriereschicht (9b) auf der zweiten Oberfläche (3b) ausgeführt wird und wobei die Diffusionsbarriereschicht als Eindiffusionsbarriere zur Behinderung einer Eindiffusion des ersten Dotanden in die zweite Oberfläche ausgebildet ist. wherein to form the first and second doping region (5; 7), only one thermal process step is carried out, in which the thermal budget, which is used to diffuse in the first dopant, at the same time causes the activation of the second dopant from the previously formed dopant depot layer, for which purpose the Diffusion of the first dopant is carried out after the formation of the diffusion barrier layer (9b) on the second surface (3b) and wherein the diffusion barrier layer is designed as a diffusion barrier to prevent diffusion of the first dopant into the second surface.
Verfahren nach Anspruch 5, Method according to claim 5,
wobei die Diffusionsbarriereschicht (9b) zugleich als Sauerstoff- Diffusionsbarriere ausgebildet ist und die Eindiffusion des ersten Dotanden mindestens abschnittsweise in sauerstoffhaltiger wherein the diffusion barrier layer (9b) is also designed as an oxygen diffusion barrier and the indiffusion of the first dopant at least in sections in oxygen-containing
Atmosphäre ausgeführt wird. atmosphere is carried out.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, Method according to one of the preceding claims,
wobei die Bildung des ersten Dotierungsbereiches (5) ein Belegen der ersten und optional zweiten Oberfläche (3a;3b) mit einem den ersten Dotanden enthaltenden Glas oder eine Bereitstellung des ersten Dotanden im gasförmigen Zustand in einer Prozessatmosphäre umfasst. wherein the formation of the first doping region (5) comprises covering the first and optionally second surface (3a; 3b) with a glass containing the first dopant or providing the first dopant in the gaseous state in a process atmosphere.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, 8. Method according to one of the preceding claims,
wobei die Diffusionsbarriereschicht (9b) auf der zweiten Oberfläche (3b) bei einem Solarzellenaufbau, bei dem die zweite Oberfläche die Rückseite der Solarzelle (1) bildet, als Rückseitenpassivierung und/ oder rückseitige Antireflexschicht auf der zweiten Oberfläche belassen wird. wherein the diffusion barrier layer (9b) on the second surface (3b) is left on the second surface as a backside passivation and/or backside anti-reflective layer in a solar cell structure in which the second surface forms the backside of the solar cell (1).
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ausgebildet als Verfahren zur Herstellung einer beidseitig kontaktierten 9. Method according to one of the preceding claims, designed as a method for producing a contact on both sides
Solarzelle (1) mit Vorderseitenemitter oder einer Solarzelle mit Rückseitenemitter oder einer MWT(Metal-Wrap-Through)-Solarzelle oder einer IBC (Interdigitad-Back-Contact)-Solarzelle ausgebildet ist. Solar cell (1) is formed with a front emitter or a solar cell with a rear emitter or an MWT (Metal Wrap Through) solar cell or an IBC (Interdigitad Back Contact) solar cell.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, 10. Method according to one of the preceding claims,
wobei als Diffusionsbarriereschicht (9b) eine SiN-Schicht, insbesondere mit einem Brechungsindex von n = l,8...2,2, noch spezieller n = l,9...2,0, und insbesondere mit einer Dicke zwischen 1 und 250 nm, noch spezieller zwischen 30 und 80 nm, eingesetzt wird. wherein the diffusion barrier layer (9b) is a SiN layer, in particular with a refractive index of n = 1.8...2.2, even more specifically n = 1.9...2.0, and in particular with a thickness between 1 and 250 nm, even more specifically between 30 and 80 nm, is used.
11. Verfahren nach Anspruch 10, 11. Method according to claim 10,
wobei als Diffusionsbarriereschicht ein Schichtstapel eingesetzt wird, der zusätzlich zu einer SiN-Schicht eine Si02-, Al203-, TiO- und/oder SiON-Schicht umfasst und bei dem die zusätzliche Schicht oder zusätzlichen Schichten insbesondere eine Dicke im Bereich zwischen 0,5 und 50 nm hat/haben. wherein a layer stack is used as the diffusion barrier layer, which, in addition to an SiN layer, comprises an SiO 2 , Al 2 0 3 , TiO and/or SiON layer and in which the additional layer or additional layers in particular have a thickness in the range between 0.5 and 50 nm has/have.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, 12. Method according to claim 10 or 11,
wobei die Diffusionsbarriereschicht (9b) mittels eines PECVD-, LPCVD-, APCVD- oder PVD-Prozesses erzeugt wird. wherein the diffusion barrier layer (9b) is produced using a PECVD, LPCVD, APCVD or PVD process.
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